CALCULUL DE PREDIMENSIONARE A SCHIMBÃTORULUI DE CÃLDURÃ APÃ-GAZ

1 Stabilirea naturii fluidului:

Agentul primar – agentul care cedeaza caldura in incalzitor – este conform temei de proiectare „apa”.

Agentul secundar – agentul care preia caldura in incalzitor – este conform temei de proiectare „gazul metan” .

2 Stabilirea debitelor G₁ si G₂ :

Debitul de apa G₁ se va determina cu ecuatia de bilant termic al incalzitorului de gaze in functie de celelalte marimi. In functie de caracteristicile geometrice ale incalzitorului se va calcula viteza in sectiunea de trecere a apei a carei marime se va compara cu vitezele limita recomandate in literatura de specialitate. In literatura de specialitate se recomanda pentru apa urmatoarele viteze limita: 0,5-6 m/s. Debitul de gaz metan G₂ este conform temei de proiectare. Similar ca la apa se va calcula viteza in sectiunea de trecere a gazelor 313h74d care se va compara cu vitezele limita recomandate de literatura de specialitate: 20-40m/s.

3 Stabilirea temperaturilor de intrare si de iesire:

Temperatura de intrare a apei va fi:

T_1i=90⁰C

Temperatura de iesire se va considera in prima aproximare:

T_1e=70⁰C

Temperatura gazului la intrare va fi conform temei de proiectare:

T_2i= 2⁰C

Conform temei de proiectare temperatura gazelor dupa laminare trebuie sa fie minim 5⁰C pentru a preintampina formarea criohidratilor si pentru a asigura o buna functionare a regulatoarelor de presiune. Prin laminare gazelor de la 50 la 10 bar, temperatura va scadea datorita efectului Joules-Thomson.

Aceasta cadere de temperatura t se va calcula in functie de p₁= 50 bar si =50-10 = 40 bar

Din diagrama Joules-Thomson t=-15⁰C

Deci : 5⁰C =2⁰C –15⁰C + t_2e de unde t_2e= 18⁰C

4 Alegerea tipului de incalzitor de gaze :

In cazul nostru incalzitorul de apa –gaz care trebuie ales este un incalzitor cu tevi in forma de „U” .

Acesta se caracterizeaza prin urmatoarele elemente:

material- metallic;

tipul incalzitorului este teava in teava ;

forma tevilor este in forma de U ;

directia de curgere este in curent mixt ;

Din punct de vedere al transferului de caldura incalzitorul este de tip convectiv.

4.1.Descrierea functionala a incalzitorului de gaze

Apa (agentul primar) circula prin interiorul tevii cedand o parte din caldura agentului secundar.

Gazele naturale (agentul secundar ) circula prin spatiul dintre tevi preluand o parte din caldura apei.

Tevile in „U” sunt de sectiune circulara.

Pentru a se mari schimbul de caldura pe suprafata exterioara a tevii prin care circula apa, se vor prevedea nervuri drepte cu grosime constanta, deoarece coeficientul de transmisie a caldurii al gazelor este in general mult mai mic decat al apei.

S-a ales ca agentul secundar, respectiv gazele naturale, sa circule extratubular datorita potentialului termic mai redus decat al apei, ceea ce va conduce la pierderi de caldura prin peretii exteriori mai mici.

Tevile care se utilizeaza sunt in general tevi netede , trase fara sudura cu lungimi cuprinse intre 1000-7000 mm.

Dilatatiile datorita diferentelor de temperatura sunt compensate datorita formei in „U” a tevilor.

Din punct de vedere al circulatiei agentilor termici, incalzitorul de gaze este in curent mixt, deoarece agentii isi schimba cel putin odata sensul de curgere, respectiv are doua treceri spre deosebire de cele cu echicurent, contracurent sau curent incrucisat care au o singura trecere.

Incalzitorul de gaze i curent mixt realizeaza un coeficient global de transmitere a caldurii, K, mai mare decat incalzitoarele in echi si contracurent, bineinteles in conditii comparabile privind temperaturile de intrare si de iesire ale agentilor, precum si forma suprafetei de schimb de caldura.

Coeficientul de schimb de caldura este mai mare deoarece datorita schimbarii de directie a agentilor termici creste gradul de turbulenta a fluidelor.

Acest lucru conduce pentru aceeasi cantitate de caldura la suprafete de schimb de caldura mai mici, deci la gabarite mai reduse. Dezavantajele minore fata de avantaje, ale incalzitoarelor cu doua treceri fata de incalzitoarele cu o singura trecere sunt :

- cresterea rezistentelor hidraulice la trecerea agentilor termici prin aparat, ceea ce conduce la consumuri mai mari de energie electrica pentru pompe pe partea de apa, respectiv la micsorarea disponibilului de presiune pe partea de gaze.

Din punct de vedere a starii de agregare a agentilor termici incalzitorul de gaze este de tip apa – gaz.

In general se specifica mai intai agentul mai cald (apa) si in al doilea rand agentul mai rece (gazul).

Materialele din care se va confectiona incalzitorul de gaze, precum si dimensionarea lui, vor trebui sa tina cont de urmatorii parametrii:

temperatura agentilor termici:

temperatura mediului ambiant;

presiunea agentilor termici

Tinand cont de cele de mai sus incalzitorul de gaze se va numi generic astfel:

Incalzitor de gaze apa – gaz cu tevi in „U” Pn 64

Pentru a putea trece mai departe la bilantul energetic si calculul termic al incalzitorului de gaze se vor calcula dimensiunile geometrice

4.2.Calculul dimensiunilor geometrice ale incalzitorului de gaze

Ø     Teava tip „U”- 6 (teava interioara

Prin teava circula apa calda.

Conform STAS: d_e= 75,5 m

D_i = 63,5m

g = 6mm = 6 m

unde:

Sectiunea de trecere a apei prin teava este:

S_i1= m²

S_e1= 10^-3 m²

unde:

S_i1= sectiunea interioara a tevii [m²]

S_e1= sectiunea exterioara a tevii [m²]

Ø     Calculul suprafetei active de schimb de caldura

Lungimea activa a tevii exterioare se considera pana in axul racordului de intrare gaze si va fi :

l_teava= 4,780-0,250 = 4,53 m

unde:

Lungimea curbei de 180⁰:

l_c= 0,360 m

Lungimea totala a tevii „U”

L = 2l_teava+l_c = 9,42 m

Suprafata activa a tevii interioare

S₁ = = 2,234 m²

In calcule se va neglija cotul pentru simplificare avand totodata si o rezerva.

In aceasta situatie dimensiunile sunt:

L = 2l_teava = 24,53= 9,06 m

S₁ = = = 2,15 m²

Ø     Teava exterioara – prin care circula gazele cu urmatoarele caracteristici:

d_e = 11410^-3 m

d_i = 9910^-3 m

g = 7,5 10^-3 m

Ø     Sectiunea de trecere a gazelor 313h74d : S_i2 (daca teava interioara nu are nervuri):

S_i2 = 10^-3 m²

S_e2 =S_i2-S_e1 = 7,698 4,47710^-3 = 3,221x10^-3 m²

Ø     Nervuri drepte cu grosime constanta:

Grosimea nervurii:

g_n = 2x10^-3 m

Inaltimea nervurii:

h_n = 11x10^-3 m

Lungimea nervurii:

l_n = 4,45 m

Numar nervuri:

n_n = 20 nervuri

Sectiunea transversala a unei nervuri

s_n = g_nxh = 2x10^-3x11x10^-3 = 22x10^-6 m²

Sectiunea de trecere a gazelor daca teava interioara are nervuri

s₃ = s_i1-n_nxs_n = 3,221x10^-3 -20x22x10^-6 = 2,781x10^-3m²

Pentru aceasta sectiune diametrul echivalent este:

d_ech=

unde:

p – diametrul sectiunii S₃ tinand cont ca nervurile sunt distantate la 18⁰

p =

unde:

h_n – inaltimea nervurii;

d_e – diametrul exterior;

n_n – numarul de nervure;

d_i – diametrul interior;

p = x20xx99x10^-3= 0,9882 m

d_ech= =11,257x10^-3m

Suprafata totala S_i dintre nervuri a peretelui suport al nervurilor ( suprafata bazei expusa gazelor dintre nervuri)

S_i = S - n_n x l_n x g_n

unde:

S – suprafata exterioara a tevii interioare („U”) pe lungimea nervurilor

S = xl_n

S_i = x d_e x l_n – n_n x l_n x g_n

S_{i =} x 75,5 x 10^-3 x 4,45 – 20 x 4,45 x 2x 10^-3 = 0,8775 m²

S_n - Suprafata laterala a totalitatii nervurilor;

S_n = n_n(2 x h_n x l_n + g_n x l_n)

S_n = 20(2 x 11 x 10^-3 x 4,45 + 2 x 10^-3 x 4,45) = 2,136 m²

S₂- Suprafata nervurata S₂

S₂ = S_i +S_n

S₂ = 0,8775 +2,136 = 3,0135 m²

Tinand cont ca in calculele de mai sus s-a tinut seama numai de trecere si cum teava in „U” are doua treceri, suprafetele se dubleaza:

S_i = 2 x 0,8775 =1,755 m²

S_n = 2 x 2,136 = 4,272 m²

S₂ = 2 x 3, 0135 = 6,027 m²

Coeficientul de nervurare C_n are urmatoarea formula de calcul:

C_n =

C_n =