Marimi si relatii de baza la calculul transferului de caldura in regim constant intre doua fluide prin pereti despartitori fara surse interioare de caldura

Marimi si relatii de baza la calculul transferului de caldura in regim constant intre doua fluide prin pereti despartitori fara surse interioare de caldura

Rezistente termice de conductie :

-pt.perete plan R_S1p1= ; R_S2P2= [m²K/W]

-pt.perete cilindric R_l1= ; Rl₂= [m^oC/W]

Rezistenta termica de convectie:

-pt.perete plan : R_S1=; R_S2= [m²K/W]

-pt perete cilindric: R_l1=; R_l2= [m^oC/W]

Coef global de schimb pt perete plan se compune din aceste rezistente

Rez termica a depunerilor in aparatele schimb de cald.de suprafata,adica cu un perete ce face separatia intre fluide,agentii termici produc depuneri pe supraf de transfer de caldura.Depunerile prin natura lor sunt fenomene complexe cara depind de :procesele de transmisie a caldurii,conditiile de functionare,materialul peretelui.Depunerile d.p.d.v.al trans.de caldura reprezinta rezistente termice suplimentare prin conductie inseriate cu rez.termica a peretelui 848c29i metalic

R_depunere=   λ_d=0.5..2 W/m⁰C

Considerarea rez.termice s-a facut pe baza unor determinari experimentale

pt.perete plan R_Sd1;R_S2,d2

pt perete cilindric R_l1,d1=

pt.perete plan

Rcot=R_s1d1+R_S1+R_Sp1+R_SP2+R_S2+R_Sd2 [m²K/W]

pt.perete cilindric

Rtot=R_l1+R_lp1+R_ld1+R_ld2+R_l2+R_ld2

k_s= [W/m²h⁰C]

k_l= [W/m²h⁰C]

Fluxul termic specific

perete plan: q_s=K_SΔt= [W/m²]

perete cilindric: q_l=k_lΔt= [W/m]

Debitul de caldura

perete plan: Q=q_SS [W]

perete cilindric Q=q_lL [W]

Marirea debitului de caldura transferat de supraf.unui perete unui fluid adiacent se realizeaza practic prin marirea supraf.de contact cu fluidul.Marirea se realizeaza prin nervure de diferite forme :

a)     cu sectiune transversala constanta(drepte,cilindrice,aciculare)

b)    cu sectiune transversala variabila(nervuri cilindrice transv.,elicoidale,parabolice)

Pt.calculul debitului de caldura prin suprafete extinse se utilizeaza rel.de calcul in care intervin niste relatii criteriale.

In practica,pt contructia schimb de caldura se utilizeaza tevi nervurate.

Schimbatoare de caldura

Notiuni de baza

Schimb de caldura sunt aparate destinate transf.de caldura de la unii agenti termici la altii.Se pot desfasura diverse procese termice :variatia temp.,vaporizare,condensare,topire,solidificare.

Aceste aparate pot functiona in inst.industiale ca organe principale sau ca organe secundare introduce in inst.din motive de economie de caldura sau de substanta.Fluidele purtatoare de caldura intre care se realizeaza transf.de caldura poarta numele de agenti termici.La schimb de caldura se deosebest :ag.termic primar(cald) si a.termic secundar(rece).Caract.ag.termici det.intensitatea schimbului de caldura,compactitatea,fiabilitatea,siguranta in exploatare si ecomonicitatea.In vederea realizarii unui schimb de caldura cat mai compact si a unui schimb cat mai intens de caldura ag.termici trebuie sa aiba :greutate specifica mare,caldura specifica ridicata,vascozitate mica,caldura latenta de vaporizare mare,sa nu formeze depuneri si sa fie stabili d.p.d.v.termic.Ag.termici cei mai utilizati sunt :apa,aburul,gazele de ardere, ag.frigorifici,aerul.

3.2 Clasificarea schimbatoarelor de caldura

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se face astfel:

a. Dupa modul de transmitere al caldurii : - schimbatoare de suprafata ;

- schimbatoare regenerative ;

- schimbatoare de amestec ;

Schimbatoarele de suprafata sunt acele la care transferul de caldura de la agentul primar la cel secundar are loc prin intermediul unui perete despartitor cu conductivitate termica ridicata.Tinand cont ca procesul de recuperare a caldurii cedate de agentul termic primar este continuu,aceste schimbatoare de caldura se mai numesc recuperative.

Schimbatoare regenerative sunt acelea   la care agentii termici trec succesiv la aparat.Agentul termic primar cand trece prin schimbator cedeaza o cantitate de caldura umpluturii metalice a acestuia,iar apoi cand trece agentul secundar,acesta preia cantitatea de caldura cedata de agentul primar.

Schimbatoare de amestec sunt acelea in care in transferul de caldura se realizeaza prin amestecarea celor 2 agenti termici.

b. Dupa regimul de lucru al aparatului - schimbatoare in regim stationar;

- schimbatoare in regim nestationar;

Schimbatoare in regim stationar au o functionare continua cum ar fi: recuperatoare, cu sau fara amestecul agentilor termici;

c. Dupa transformarile fizice sau chimice ale agentului termic :   - fara schimbarea starii de agregare ;

Fara schimbare de agregare (lucrarea nr 2) - ex. boilerele

d. Dupa schema de curgere a agentilor termici : - schimbatoare in echicurent ;

- schimbatoare in curent incrucisat ;

Schimbatorul in echicurent - agentii termici au aceeasi directie de curgere dar sensuri opuse ;

Schimbator de curent incrucisat ;

Schimbator de curent mixt ;

unul dintre agentii termici isi schimba de mai multe ori directia si sensul de curgere fata de alt agent ;

e.Dupa numerul de treceri ale agentului termic : - schimbatoare cu o singura trecere

- schimbatoare cu mai multe treceri in care unul sau ambii agenti termci sunt obligati prin pereti despartitori longitudinali sau transversali fata de aparat sa-si schimbe succesiv sensul de miscare.

f.Dupa materialul de constructii utilizat : - schimbatoare metalice (industrie chimica,farmaceutica,ceramica,etc.)

g.Dupa pozitia aparatului - schimbatoare verticale ;

- schimbatoare orizontale ;

h.Dupa configuratia suprafetei de schimb de caldura

i.Dupa modul de preluare al dilatatiilor termice :

- schimbatoare rigide

- schimbatoare semielastice- permit compensarea partiala a dilatarilor ;

- schimbatoare elastice - permit compensarea totala a dilatarilor ;

j.Dupa modul de asamblare - schimbatoare formate dintr-un singur element ;

- schimbatoare din mai multe elemente modulate,asamblate intre ele

k.Dupa destinatia aparatelor

- preincalzitoare destinate incalzirii diferitelor medii lichide sau gazoase

- condensatoarele destinate condensarii vaporilor diferitelor subst.

- vaporizatoare, destinate vaporizarii diferitelor subst

- racitoare,destinate racirii diferitelor lichide sau gaze ;

3.3 Calculul schimbatorului de caldura

In general cu exceptia schimbatoarelor de caldura cu amestec pt toate tipurile de schimbatoare se pot face 2 tipuri de calcule termcie,si anume :

- calcul de proiectare,cand se cunoaste fluxul de caldura si trebuie calculata suprafata de schimb de caldura ;

- calcul de verificare,cand se alege un schimbator de caldura cu o suprafata de schimb cunoscuta in anumite conditii tehnice si se calculeaza fkuxuk de caldura posibil de realizat in conditiile de lucru concrete in care functioneaza acesta.

- calculul termic in ambele situatii consta in rezolvarea simultana a 2 relatii de baza care pt elementele de suprafata dS sunt ecuatia de bilant termic si ecuatia de transmitere a caldurii:

dQ= - m₁xcp₁dt₁=m₂xcp₂dt₂

dQ=kxSxdelta T_med

m₁,m₂ - debitele de agent masic primar si secundar

cp₁,cp₂ - caldurile specifice la P=constant a celor 2 agenti termici in (kj/kgxk)sau (J/kgx ⁰C) ;

dt_1,dt2 - variatiile temp agentului termic primar si secundar intre elementele de suprafata dS ;

dt₁ - este negativ deoarece se considera ca agentul termic primar isi micsoreaza temp in lugul elementului de suprafata dS ;

k - coef global de caldura in (w/m²xK) ;

dQ - debitul(fluxul)elementar de caldura in (W)

Din relatia de mai sus avem Q= - m₁xcp₁x(t₁''-t₁')=m₂xcp₂x(t₂''-t₂')

Q=kxSx(t₁-t₂) unde t₂',t₂''- temp agentului termic la intrare si la iesire ;

Ecuatia de bilant termic mai poate fi scrisa : Q=- W₁x(t₁''-t₁')=W₂x(t₂''-t₂')

W₁=m₁xcp₁

W₂=m₂xcp₂

W₁,W₂ - capacitatile termice sau echivalentii in apa a agentului termic primar si secundar;

(J/⁰C).Ecuatia de bilant termic in cazul schimbatoarelor de caldura in care unul dintre agentii termici isi schimba starea de agregare se poate scrie astfel :

Q=mx(i₁-i_c)=m₂x(i₂-i_a) unde i_a - reprezinta entalpia apei de alimentare (J/kg); i₂ - entalpia aburului(agentul) secundar ;

Suprafata de schimb de caldura : S=Q/(kxdelta t_med)

In vederea determinarii suprafetei schimbului de caldura este necesar a se cunoaste coef global K si a diferentei logaritmice de temp delta t_med  

Diferenta de temp medie longitudinala delta t_med este functie atat de tipul schimbatorului de caldura cat si a scdhemei de curgere a celor 2 agenti termici.