SCHIMBÃTOARE DE CÃLDURÃ

1.Definitie, notiuni de baza, agenti termici

Schimbatorul de caldura este un aparat care are drept scop realizarea unui transfer de caldura de la un fluid mai cald la un alt fluid mai rece, in procesele de: incalzire – insotita eventual de topire, fierbere, vaporizare, evaporare, uscare etc., sau de racire – eventual insotita de condensare – cum sunt cele din cazanele de abur ori apa calda sau fierbinte, cuptoare, preincalzitoare, evaporatoare, distilatoare, condensatoare etc.

Cele doua fluide intre care are loc transferul de caldura sunt denumite purtatori de caldura. Fluidul mai cald, care cedeaza caldura si se raceste se numeste agent sau purtator primar, iar fluidul mai rece, care preia caldura de la primul si se incalzeste, se numeste agent sau purtator secundar.

Din definitia schimbatoarelor de caldura se vede marea diversitate a acestora   atat din punct de vedere constructiv cat si al calculului lor.

Sensul de curgere pentru cele doua fluide (cald si rece) in cazul schimbatoarelor recuperatoare sau cu suprafata este prezentat schematic in fig. 1.1.

Factorii care influentiaza performantele unui schimbator de caldura se pot grupa in trei categorii:

datele procesului tehnologic;

variabilele de proiectare;

proprietatile fizice ale fluidului si peretelui despartitor;

Din datele procesului tehnologic rezulta, de regula, sarcina termica a schimbatorului de caldura. In majoritatea aplicatiilor se cunosc, de obicei, variatia de temperatura a fluidului principal si temperatura de intrare a agentului de incalzire sau racire. O atentie deosebita trebuie data alegerii pierderilor admisibile de presiune ale agentilor termici p₁ si p₂; ridicarea acestora poate conduce la viteze mari de curgere a fluidelor, la cresterea turbulentei, cu efecte pozitive asupra transferului caldurii, dar cu marirea costului energiei de pompare pe toata durata de exploatare a aparatului.

Alegerea tipului de agregat si proiectarea acestuia, pentru o sarcina termica si pentru un proces tehnologic dat, reprezinta dimensionarea geometrica si mecanica a schimbatorului de caldura (stabilirea schemei de curgere, a sectiunilor de curgere a fluidelor, optimizarea vitezelor si a pierderilor de presiune).

O variabila de proiectare extrem de importanta o constituie rezerva de suprafata de schimb de caldura pentru compensarea efectului depunerilor.

Agentii termici utilizati in schimbatoarele de caldura sunt: aburul, apa, gazele de ardere, uleiurile, solutiile de saruri, amestecurile de lichide, metale topite.

Clasificarea schimbatoarelor de caldura

Schimbatoarele de caldura (in special cele de suprafata) sunt de o mare diversitate, iar clasificarea lor se face in functie de principiul si particularitatile lor de functionare, de destinatia lor, de particularitatile lor constructive.

Principalele criterii de clasificare a schimbatoarelor de caldura sunt:

Dupa regimul de trecere in timp a celor doua fluide prin schimbatorul de caldura avem:

schimbatoare de caldura cu trecere concomitenta (simultana)   prin aparat a fluidului mai cald si a fluidului mai rece;

schimbatoare de caldura cu trecere nesimultana prin aparat a celor doua fluide;

3. Dupa caracterul fizic al modului de transmitere al caldurii avem

schimbatoare de caldura de radiatie;

schimbatoare de caldura de convectie;

schimbatoare de caldura mixte de radiatie si convectie;

Acest criteriu de clasificare se aplica numai la schimbatoarele de caldura de suprafata la care corpul cald care cedeaza caldura este un gaz.

4. Dupa schema (directiile si sensurile relative) de circulatie a agentilor termici in schimbatoarele de caldura se deosebesc:

schimbatoare de caldura in echicurent, in care ambii agenti circula in aceeasi directie si in acelasi sens;

schimbatoare de caldura in contracurent, in care cei doi agenti circula in sensuri opuse;

schimbatoare de caldura in curent incrucisat, in care unul din agenti circula pe o directie perpendiculara pe directia de circulatie a celuilalt agent;

schimbatoare de caldura in curent mixt, in care unul sau ambii agenti termici isi schimba o data sau de mai multe ori directia sau sensul de curgere;

5. Dupa numarul de treceri ale agentilor termici prin schimbatorul de caldura:

schimbatoare de caldura cu o singura trecere a fiecarui agent termic;

schimbatoare de caldura cu mai multe treceri, in care unul sau ambii agenti termici sunt obligati, prin forma tevilor in care circula sau prin pereti despartitori ori transversali fata de axa geometrica a aparatului, sa-si schimbe, o singura data sau de mai multe ori, sensul si directia de circulatie in aparat.

6. Dupa starea de agregare a agentilor termici se deosebesc

schimbatoare de caldura in care ambii agenti sunt in stare gazoasa, denumite schimbatoare de caldura gaz-gaz cu specificarea numelui celor doua gaze;

schimbatoare de caldura in care ambii agenti sunt in stare lichida, denumite schimbatoare de caldura lichid-lichid, cu specificarea numelui celor doua lichide;

schimbatoare de caldura in care unul din agenti este un gaz, iar celalalt este un lichid, denumite schimbatoare de caldura gaz-lichid sau lichid-gaz, cu specificarea numelui celor doua fluide.

In general, in denumire se specifica intai agentul mai cald si in al doilea rand agentul mai rece.

Dupa materialul de constructie folosit, schimbatoarele de caldura de suprafata se impart in:

schimbatoare de caldura metalice;

schimbatoare de caldura ceramice;

8. Dupa configuratia suprafetei de schimb de caldura, schimbatoarele de caldura metalice se impart in:

schimbatoare de caldura cu suprafata neteda;

schimbatoare de caldura cu suprafata extinsa prin aripioare, nervuri sau proeminenta aciculare;

schimbatoare de caldura cu placi sau lamele;

schimbatoare de caldura tubulare, din tevi drepte, in forma de U, de serpentina sau de spirala, arcuite;

9. Dupa pozitia aparatului se deosebesc:

schimbatoare de caldura verticale;

schimbatoare de caldura orizontale;

10. Dupa modul de asamblare, schimbatoarele de caldura de suprafata se impart in:

schimbatoare de caldura formate dintr-un singur element;

schimbatoare de caldura formate din mai multe elemente asamblate intre ele, montate in serie

11. Dupa modul de preluare a dilatarilor termice, schimbatoarele de caldura de suprafata se impart in:

schimbatoare de caldura rigide, care permit compensarea dilatarii termice a elementelor componente;

schimbatoare de caldura semielastice, care permit compensarea partiala a dilatarii;

schimbatoare de caldura elastice, care permit compensarea totala a dilatarii;

1 Dupa transformarile fizice ale agentilor termici in procesul de schimb de caldura la trecerea prin schimbator, avem:

schimbatoare de caldura fara schimbarea starii de agregare a celor doi agenti termici;

schimbatoare de caldura cu schimbarea starii de agregare a unuia sau a ambilor agenti termici;

13. Dupa transformarile chimice ale agentilor termice la trecerea prin schimbator, se deosebesc:

schimbatoare de caldura in care nici unul din agenti nu sufera nici o transformare chimica;

schimbatoare de caldura in care unul sau ambii agenti termici sufera transformari chimice;

14. Dupa destinatia lor, se obisnuieste ca schimbatoarele de caldura sa se imparta in:

incalzitoare, cand scopul principal este incalzirea unui mediu fluid dat;

racitoare, cand scopul principal este racirea unui mediu fluid dat;

Alegerea celui mai adecvat tip de schimbator de caldura pentru un anumit scop dat trebuie sa se faca tinand seama de conditiile impuse de procesul tehnologic in care urmeaza a fi incadrat, de caracteristicile si parametrii agentilor termici, de eficienta economica, de posibilitatile de amplasare, de posibilitatile de utilizare a caldurii recuperate etc, avandu-se in vedere avantajele si dezavantajele ce le prezinta fiecare tip posibil de folosit si domeniile preferentiale de utilizare a diverselor tipuri.

3. Conditiile generale pe care trebuie sa le indeplineasca un schimbator de caldura

Principalele conditii pe care trebuie sa le indeplineasca un schimbator de caldura sunt:

sa nu perturbe conditiile functionarii optime a procesului tehnologic in care este introdus, problema deosebita fiind aceea a respectarii cu strictete a regimului de temperatura ceruta de acel proces;

sa realizeze un schimb de caldura cat mai intens intre cei doi purtatori de energie;

sa aiba pierderi de caldura cat mai mici catre mediul ambiant, adica o buna izolatie termica fata de acest mediu;

sa prezinte in exploatare o siguranta sei securitate maxima care sunt determinate, intre altele, de posibilitatea unui control usor si a unui reglaj corespunzator al temperaturilor, de usurinta deservirii, de respectarea conditiilor de securitate a aparaturii si a personalului de exploatare;

sa fie, pe cat posibil, usor de construit si de montat, cat mai compact si sa necesite o investitie cat mai redusa;

sa prezinte o eficienta economica cat mai mare, pentru obtinerea careia o importanta deosebita o are alegerea celor mai adecvati purtatori de caldura si a parametrilor acestora in masura in care purtatorii si parametrii lor nu sunt impusi de procesul tehnologic in care este incadrat schimbatorul de caldura respectiv.

4.Alegerea purtatorilor de caldura

In numeroase cazuri, unul sau ambii purtatori de caldura sunt impusi, astfel ca alegerea purtatorilor nu este intotdeauna libera. Intr-adevar, de exemplu in cazul unui schimbator destinat recuperarii caldurii dintr-o resursa energetica refolosibila termica, purtatorul de caldura corespunzator acestei resurse este impus si numai purtatorul de caldura ce urmeaza a fi incalzit este – eventual – la libera alegere a proiectantului schimbatorului de caldura.

De asemenea, in cazul cand un schimbator de caldura are alt rol decat cel de recuperator (are deci rol pur tehnologic) este posibil ca ambii purtatori sa fie impusi de natura tehnologica (racirea unuia, precum si incalzirea celuilalt fiind cerute de tehnologie) sau ca agentul ce urmeaza a fi incalzit sa fie numai el impus (fiind o materie prima, un subprodus sau un produs tehnologic in stare fluida) si numai agentul incalzitor sa fie la libera alegere, in masura in care nu este si el impus prin faptul existentei si disponibilitatii lui prealabile in cadrul unitatii industriale respective.

Pentru a corespunde din punct de vedere tehnic si economic scopului pentru care sunt destinati, purtatorii de caldura ce pot fi liber alesi trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

- sa fie avantajosi din punct de vedere termodinamic si anume produsul dintre greutatea specifica si caldura specifica sa fie cat mai mare, sa aiba caldura de vaporizare mare si un coeficient de schimb de caldura superficial cat mai ridicat, in scopul realizarii unui debit de caldura cat mai ridicat la un debit de agent termic cat mai mic, deci al realizarii unei constructii cat mai compacte a schimbatorului de caldura;

- sa fie avantajosi din punct de vedere hidrodinamic, si anume sa aiba o viscozitate cat mai mica;

- sa fie stabili din punct de vedere termic si neagresivi asupra materialelor din care este construit aparatul, chiar sub actiunea indelungata a unor temperaturi ridicate;

- sa nu formeze depuneri pe suprafetele de contact, acestea ducand la micsorarea atat a coeficientului global de trecere a caldurii (micsorand transferul de caldura), cat si a sectiunilor de trecere a agentului prin aparat; in cazul formarii de depuneri, acestea trebuie sa poata fi usor inlaturate cu mijloace tehnice economice si cu intreruperi minime in functionarea aparatului;

- sa fie ieftini si destul de raspanditi, din productie locala; de observat ca unele cheltuieli majorate pentru alegerea unor purtatori de caldura deosebiti, pot fi usor recuperate prin micsorarea altor cheltuieli de exploatare si a investitiei corespunzatoare schimbului de caldura.

La alegerea purtatorilor de caldura este necesar ca, in fiecare caz in parte, sa se tina seama in amanunt de toate instalatiile aferente schimbatoarelor de caldura in ansamblu, si anume atat de conditiile functionale cat si de cele economice, acestea din urma fiind, binenteles, subordonate celor functionale.

Purtatorii de caldura utilizati cel mai curent in schimbatoarele de caldura sunt: apa rece sau calda, aburul, gazele de ardere si aerul. Avantajele si dezavantajele acestor fluide ca purtatori de caldura sunt prezentate in cele ce urmeaza.

Apa prezinta avantajul ieftinitatii si raspandirii, al unui coeficient ridicat de schimb de caldura superficial si al posibilitatii usoare de transport la distante mari, cu pierderi de caldura mici, dar are dezavantajele dependentei temperaturii de presiune si al necesitatii unor instalatii de pompare relativ costisitoare ca investitii si exploatare.

Aburul, ca agent incalzitor are avantajul unui cost relativ scazut, iar in cazul cand in schimbatorul de caldura se produce condensarea, are si urmatoarele avantaje principale: necesitatea unui debit redus, temperatura constanta de condensare la o presiune data si coeficient ridicat de schimb de caldura superficial. Aburul prezinta insa urmatoarele dezavantaje: temperatura dependenta de presiune si relativ scazuta la presiuni mai mici, uzuale, necesitatea folosirii de dispozitive speciale pentru separarea condensului si evacuarea acestuia, coeficient de schimb de caldura superficial mic si limitare relativa a distantelor de transport.

Gazele au ca avantaj principal independenta dintre temperatura de lucru si presiune, dezavantajele principale fiind caldura specifica redusa, precum si distante posibile de transport reduse. Gazele de ardere ca agent incalzitor prezinta in plus, dezavantajele unei distante de transport economice foarte reduse si, in cazul cand contin impuritati, al murdaririi si uzarii suprafetelor de contact, cu micsorarea corespunzatoare a coeficientului de schimb de caldura si cu cresterea rezistentei hidraulice, si deci cu necesitatea unei curatiri mai dese si a eventualei opriri din functiune, respectiv cu scurtarea duratei de viata a schimbatorului de caldura.