Schimbator de Caldura cu Manta
Capitolul I
Operații de schimb de căldură (încălzirea, răcirea, condensarea)
Operațiile termice sunt aplicații practice ale transferului de căldură. Deși in majoritatea cazurilor transferul de căldură este insoțit de curgere se consideră ca procesul fizic determinant pentru aceste operații este transferul termic. Principalele operații termice sunt: incălzirea, răcirea, condensarea, fierberea și evaporarea.
Multe procese tehnologice impun asigurarea unui anumit regim termic în utilajele instalației, ceea ce se poate realiza prin încălzire sau răcire. In unele procese tehnologice o serie de produși rezulta sub formă de vapori, care pentru a fi utilizați ulterior, trebuiesc condensați. Sunt și cazuri în care unii produși necesită vaporizarea, înainte de efectuarea unei operații oarecare, ceea ce se realizează prin fierbere. Aceste operații se realizează cu ajutorul unor utilaje specifice, denumite generic schimbătoare de caldură, în care se utilizează agenți termici de încalzire sau de răcire, în funcție de operație.
1.1. Agenți termici de încălzire și de răcire
Agenții termici se numesc agenți de încălzire atunci când într-un schimbător se face încălzirea sau vaporizarea unui fluid, respectiv agenți de racire când se realizeaza răcirea sau condensarea unui fluid. La alegerea unui agent termic se urmărește ca acesta sa îndeplinească o serie de condiții dintre care mai importante sunt:
– să aibă conductivitatea termică și căldura specifică mare;
– să aibă căldura latentă de condensare mare (în cazul vaporilor);
– să aibă o bună stabilitate termică și agresivitate chimică redusă;
– să nu fie inflamabil și toxic;
– să fie ieftin și ușor de procurat.
Agenți termici de încălzire
Cei mai utilizați agenți termici de încălzire sunt: gazele de ardere, aerul cald, vaporii de apă (aburul), vaporii unor substanțe organice, apă caldă, uleiuri minerale, săruri topite s.a.
Gazele de ardere.
Se utilizează pentru încălziri la temperaturi ridicate, cuprinse intre 200-1200 0C. Se obțin prin arderea în aer a unor combustibili gazoși, lichizi sau solizi. Principalele dezavantaje ale gazelor de ardere sunt: căldura specifică și conductivitatea termică mică, coeficienți individuali de transfer de căldură mici, posibilitatea redusă de transport la distanțe mai mari.
Aburul
Este cel mai utilizat agent termic de încălzire din industrie, datorită avantajelor pe care le prezintă: căldura latentă de condensare mare, coeficienți individuali de transfer termic ridicați, reglarea ușoară a temperaturii prin reglarea presiunii. Principalul dezavantaj al aburului constă în aceea că poate fi utilizat decât pentru încălziri la temperaturi de maxim C, în mod excepțional până la C. Aceasta deoarece pentru creșterea temperaturii de condensare trebuie marită mult presiunea, ceea ce complică construcția schimbătoarelor de căldură. Incălzirea cu abur se poate face prin contact direct sau indirect (printr-un perete desparțitor).
Fig. 1.1.Variația parametrilor de stare [5]
In funcție de valoarea parametrilor de stare, P, V, există trei calitați de abur: abur saturat, abur umed și abur supraîncălzit. Cele trei calitați de abur pot fi caracterizate cu ajutorul diagramei T-S . Punctul A, corespunde stării de abur supraîncălzit, punctul B reprezintă starea aburului saturat iar punctul C starea aburului umed. Cel mai bun agent termic este aburul saturat iar cel mai puțin recomandat este aburul supraîncălzit. Aburul saturat și aburul umed, în contact cu o suprafața mai rece condensează, cedând acesteia căldura latentă de condensare, care, în cazul vaporilor de apă, are o valoare mare, de peste 2000 KJ/Kg. Aburul supraîncălzit în contact cu o suprafața mai rece se comportă ca un gaz, el nu condensează ci se răcește izobar până la temperatura de saturație. Căldura sensibilă pe care o cedeaza aburul supraîncălzit prin răcire este mica și se transferă greu prin suprafața de schimb de caldură, deoarece aburul are căldura specifică mică și coeficient individual de transfer termic redus. Aburul umed reprezintă un amestec de vapori saturați și lichid provenit din condensarea parțială a aburului saturat. In practică aburul este întotdeauna umed deoarece condensarea parțiala este inevitabilă la transportul aburului (prin conducte) de la generator la utilizatori, oricât de bine ar fi izolate termic conductele. Conținutul de umiditate al aburului se numește, în termeni tehnici, titlul aburului
Apa caldă
Se utilizează pentru încălziri sau vaporizări de până la C, la presiune atmosferică. Pentru temperaturi mai mari se folosește apa sub presiune. Apa are avantajul că este ieftină, are căldura specifică mare și asigură valori ridicate ale coeficientului individual de transfer de căldură, dar necesită tratamente preliminare de dedurizare, ceea ce implică cheltuieli suplimentare.
Vaporii unor substanțe organice
Se folosesc pentru încălziri la temperaturi mai ridicate decât poate realiza aburul, dar la presiuni mici, apropriate de presiunea atmosferică. Cel mai utilizat agent termic de încălzire este un amestec eutectic de difenil si difenil eter, cunoscut sub denumirea tehnică de difil, care condensează la o temperatură în jur de C, la presiunea atmosferică.
Uleiurile minerale
Sunt utilizate pentru încălziri la temperaturi de până la C. Acestea se folosesc, în special în băi de încălzire, dar au dezavantajul că au proprietați termice modeste, deoarece au vâscozitate mare iar căldura specifică și conductivitatea lor termică este mică.
Săruri topite
Se utilizează pentru încălziri de până la C și sunt amestecuri de săruri anorganice, în special de azotiți și azotați de sodiu si potasiu.
Agenți termici de răcire
Cei mai utilizati agenți termici de răcire sunt: apa, gheața, aerul, bioxidul de carbon solid, solele, ș.a.
Apa de răcire
Este cel mai utilizat agent termic de răcire din industrie. Temperatura apei depinde de natura surselor disponibile. Apele de adâncime (puțuri, fântâni) au temperaturi cuprinse între C, care sunt constante în tot timpul anului. Apele de suprafață care pot proveni din lacuri, râuri, ș.a. au, iarna, temperaturi cuprinse între C iar vara, temperaturi între C. Apa de răcire este recirculată la turnuri de răcire în care aceasta se răcește prin contact cu aerul atmosferic și prin autoevaporare. Pentru a se răci cu 10 grade se autoevaporă circa 2% din apa trecută prin turnul de răcire.
Fig. 1.2. Turn de răcire [5]
Turnurile de răcire pot fi cu circulație naturală sau cu circulația fortată a aerului. Turnurile de răcire cu circulația naturală a aerului se folosesc pentru răcirea unor cantitați mari de apă recirculată, cum ar fi, de exemplu, apa de răcire de la centralele electro sau nuclearo termice ori de la marile combinate chimice sau siderurgice. Acestea se construiesc din beton și au dimensiuni foarte mari. Apa care trebuie răcită este dispersată in interiorul turnului. Aerul in contact cu apa caldă se încălzește ceea ce face ca în turn să se creeze un tiraj natural ascendent. Răcirea este determinată atât de contactul cu aerul atmosferic cât și de autoevaporarea apei. De acea la răcirea în astfel de turnuri se pierde destul de multa apă. Astfel pentru răcirea apei de la C la C se pierde 8% din apa intrată în turn, din care 6% prin autoevaporare iar 2% prin antrenarea sub formă de picături de către aer. Turnurile cu circulația forțată a aerului funcționeaza pe același principiu doar că circulația aerului este determinată de un ventilator axial montat la partea superioară a turnului, ceea ce face ca înălțimea acestora sa fie mult mai mică decât aceea a turnurilor cu circulația naturală a aerului.
Gheața
Se utilizează pentru răciri de până la C prin amestecare directă cu substanța care trebuie răcită.
Aerul
Realizează răciri până la temperaturi minime de până la C și este utilizat în special in regiunile în care nu există suficiente resurse de apă.
Bioxidul de carbon solid
Cunoscut și sub numele de zăpada carbonică se folosește pentru răciri de până la C. Acesta are proprietatea de a sublima cu un efect termic de 574 KJ/kg. Pentru răciri in mediu fluid bioxidul de carbon solid se dizolvă în solvenți care nu se solidifică la C, cum ar fi: eter, acetonă, tetraclorura de carbon, ș.a.
Solele
Sunt soluții apoase ale unor săruri anorganice sau ale unor substanțe organice, cum ar fi: cloruri de sodiu, de calciu sau de magneziu, glicerină, metanol, etilen glicol, ș.a. Solele au punctul de îngheț la temperaturi negative cuprinse între -35 și C.
Fig. 1.3. Instalație frigorifică [5]
Solele sunt răcite la temperaturi scăzute în circuitul primar al unor instalații frigorifice. Cele mai utilizate instalații frigorifice sunt cele care se bazează pe comprimarea, lichefirea prin condensare urmată de vaporizarea unor agenți frigorifici cum ar fi: amoniacul, bioxidul de sulf, bioxidul de carbon, clorura de metil, freon, ș.a. Principiul de funcționare al unei astfel de instalații este prezentată în figura de mai sus. Agentul frigorific primar (gaz sau vapori) este aspirat de compresorul (1) după care este răcit și condensat în schimbătorul de căldură (2). Lichidul rezultat este trecut printr-un ventil de laminare (3) care asigură o destindere izoentalpă de la presiunea la presiunea , cu care intră în vaporizatorul (4). Vaporizarea are loc la temperaturi negative cu consum de căldură, ceea ce determină răcirea solei din circuitul secundar al instalației frigorifice. Vaporii agentului frigorific trec printr-un separator de picături (5) în care se separă eventualele picături antrenate de aceștia, dupa care sunt aspirați de compresorul (1). In funcție de starea vaporilor din circuitul primar instalațiile frigorifice prin comprimare pot fi: cu vapori umezi, cu vapori saturați sau cu lichid subrăcit. In figura următoare se prezinta un ciclu de răcire cu vapori saturati.
Fazele unui astfel de ciclu sunt:
– ab- comprimare;
– bc– răcirea vaporilor supraîncălziți;
– cd- condensarea vaporilor saturați;
– de- destindere izoentalpă;
– ea- evaporare izobară.
Fig. 1.4. Ciclu de răcire cu vapori saturați [5]
1.2. Clasificarea și descrierea schimbătoarelor de căldură
Schimbătoarele de căldură pot fi clasificate dupa mai multe criterii, dintre care cele mai importante sunt prezentate în continuare:
După operația termică ( dupa destinația lor) se deosebesc:
– încălzitoare;
– răcitoare;
– condensatoare;
– fierbătoare;
– calorifere;
– cazane de abur și altele.
Dupa modul în care se realizează schimbul termic între fluide, se deosebesc:
– schimbătoare de căldură de suprafață în care fluidele care schimbă caldura între ele sunt desparțite de o suprafață solidă;
– schimbătoare de căldură de amestec în care transferul de căldură se realizează prin contactul direct dintre fluide;
– schimbătoare de căldură regeneratoare care sunt aparate termice cu funcționare în două faze care se succed alternativ:
– faza de încălzire, în care căldura unui fluid este acumulată de un material solid (umplutură);
– faza de răcire, în care umplutura solidă cedează caldura altui fluid.
Principiul de funcționare al unui regenerator de căldură este prezentat în figura urmatoare:
Fig. 1.5. Principiul de funcționare al unui regenerator de căldură [5]
Aceste schimbătoare se folosesc în special ca recuperatoare de căldură. De obicei se cuplează doua regeneratoare astfel încât întotdeauna unul să fie în faza de încălzire iar celălalt în faza de răcire.
După sensul de circulație al fluidelor prin schimbător, se deosebesc:
– schimbătoare de căldură în echicurent;
– schimbătoare de căldură în contracurent;
– schimbătoare de căldură în curent mixt;
– schimbătoare de căldură în curent încrucișat.
După numărul de treceri a fluidelor prin schimbător, schimbătoarele pot fi:
– cu o singură trecere;
– cu mai multe treceri.
După poziția lor de funcționare, se deosebesc:
– schimbătoare de căldură orizontale;
– schimbătoare de căldură vertichimbătoare de căldură verticale;
– schimbătoare de căldură înclinate;
Capitolul II
Tipuri de schimbătoare de căldură
2.1. Schimbătoare de căldură cu aripioare
Într-un schimbător de căldură, în absența depunerilor, apar trei rezistențe termice care determină coeficientul global de schimb de căldură: rezistența termică a fluidului primar – determinată de coeficientul de convecție de la acest fluid la suprafața de schimb de căldură, rezistența termică a fluidului secundar – determinată de coeficientul de convecție de la suprafața de schimb de căldură la acest fluid și rezistența termică a peretelui, în multe cazuri ponderea acesteia din urmă fiind neglijabilă.
În situațiile când unul dintre agenții termici este un lichid care se încălzește sau se răcește monofazic sau cu schimbare de fază, iar celălalt agent termic este un gaz, diferența între coeficienții convectivi de transfer de căldură este de unul sau mai multe ordine de mărime, coeficientul global de transfer de căldură fiind determinat practic numai de cel mai mic coeficient de convecție, cel pe partea gazului.
Pentru ameliorarea coeficientului global de transfer de căldură se poate acționa fie asupra coeficientului de convecție prin mărirea turbulenței și perturbarea stratului limită, fie asupra suprafeței de schimb de căldură prin extinderea acesteia pe partea fluidului cu cel mai mic coeficient de convecție (fluidul gazos). Această extindere se realizează cu ajutorul aripioarelor (nervurilor).
În figura 2.2 este prezentat un tip de element de bază al unui schimbător de căldură cu plăci cu aripioare. Acesta este format dintr-o pereche de plăci paralele între care este fixată o placă metalică ondulată ce constituie peretele nervurat. Ansamblul obținut oferă canale de circulație a fluidelor și mai ales, o suprafață de transfer termic extinsă.
Fig. 2.2. Element constitutiv al unui schimbător de căldură cu aripioare plăci; 2) pereți laterali; 3) nervuri ondulate obținute dintr-o placă lisă [5]
Prin conectarea a două sau mai multe elemente prin intermediul unei plăci de separație, se obține un ansamblu denumit stivă sau sandwich. Fluidele pot intra în canale prin oricare sau ambele capete ale plăcii. Elemente din două straturi succesive pot fi montate cu nervurile orientate fie în aceeași direcție, fie la 90°. Un schimbător de căldură astfel obținut se numește schimbător de căldură cu plăci și nervuri.
În majoritatea aplicațiilor practice, unul din fluidele care traversează un schimbător de căldură cu aripioare este aerul, utilizat ca agent de răcire într-o singură trecere. Exemplul cel mai întâlnit este al răcitoarelor nervurate cunoscute sub numele de radiatoare în domeniul motoarelor cu combustie internă.
Clasificarea schimbătoarelor de căldură cu aripioare:
Schimbătoarele de căldură cu aripioare pot fi clasificate în funcție de tipul elementelor de bază din care sunt constitute. Astfel, avem șase categorii distincte de elemente:
Țevi cu secțiunea circulară sau ovalizată:
Acestea sunt cele mai simple geometrii ale schimbătoarelor de căldură compacte. Pot fi întâlnite în practică având următoarele terminologii: ST (straight tubes) – curgere în interiorul unor țevi drepte circulare, FT (flattened tubes) – curgere în interiorul unor țevi drepte aplatizate și FTD (flattened dimpled tubes) – curgere în interiorul unor țevi ondulate aplatizate. Ondulările au rolul de a perturba stratul limită, asigurând astfel creșterea coeficientului de convecție fără a mări viteza de circulație a fluidului.
Suprafețe tubulare
Acestea sunt reprezentate de grupuri de țevi cu diametre mici, între 6,3 mm și 9,5 mm, utilizate în aplicații în care rigiditatea și ușurința în curățare a schimbătoarelor de căldură convenționale cu țevi și manta nu sunt esențiale. Uzual, plăcile tubulare sunt comparativ mai subțiri, iar sudarea sau lipirea unei țevi la placa tubulară asigură o etanșeitate mai bună împotriva scurgerilor și dilatării inegale.
Suprafețe cu curgere normală la bateriile de țevi netede
Spre deosebire de țevile cu aripioare radiale, țevile netede circulare sunt vălțuite obținându-se astfel nervuri care duc la formarea unui fascicul de țevi, așa cum este prezentat în figura 2.4a. Pentru a crește rezistența mecanică a ansamblului, se pot ștanța găuri în aripioare. Alte tipuri reduc rezistența curgerii la exteriorul țevilor prin aplatizarea acestora (figurile 2.4b și 2.4c). Țevile plate sunt fabricate din benzi, asemănător țevilor circulare sudate, dar sunt mult mai turtite, iar îmbinarea se face uzual prin lipire.
Fig. 2.4. Tipuri constructive de elemente constitutive ale schimbătoarelor de căldură cu aripioare [5]
Suprafețe cu plăci și nervure
Acestea sunt prezentate în figurile 2.4 d-i.
Nervurile netede sunt caracterizate prin secțiuni de curgere lungi, neîntrerupte și sunt reprezentate printr-un număr care indică numărul de nervuri per inch (1 inch = 2,54 cm).
Nervurile cu fante (crestate) sunt nervuri care au crestături practicate la anumite intervale și îndoite către interiorul canalelor de curgere ale fluidelor. Sunt reprezentate printr-un raport indicând lungimea nervurii în direcția curgerii (în inch) urmat de un număr care indică numărul de nervuri per inch. De exemplu, denumirea ½ -6,06 indică un număr de 6,06 nervuri de ½ inch lungime, per inch.
Nervurile discontinue sunt reprezentate de aceeași manieră ca nervurile cu fante. Sufixele (D) și (T) indică o stivă dublă, respectiv triplă. Uzual, nervurile discontinue mai sunt numite nervuri îndoite deoarece ele sunt îndoite la intervale regulate, iar schimbătorul de căldură este format dintr-o serie de plăci nervurate având îndoituri succesive.
Nervurile ondulate sunt caracterizate printr-o ondulație continuă. Schimbarea direcției de curgere introdusă de ondulații are tendința de a perturba stratul limită, ca în cazul nervurilor cu fante și a celor discontinue. Reprezentarea nervurilor ondulate este totdeauna urmată de litera W (de la englezul wavy – ondulat).
Suprafețele cu nervuri perforate au găuri practicate în nervuri pentru a asigura întreruperea stratului limită. Aceste tipuri de suprafețe sunt reprezentate de numărul de nervuri per inch urmate de litera P.
Suprafețele cu nervuri aciculare sunt obținute prin ,,implantarea” pe o suprafață plană a unor știfturi de diametre mici. Acest tip de suprafață conduce la obținerea unor coeficienți de transfer terrnic ridicați datorită lungimilor de curgere efectivă foarte reduse. Aceste suprafețe nu au o reprezentare specifică, ca în cazul celorlalte tipuri de suprafețe.
Suprafețe cu țevi nervurate
Țevile cu secțiune circulară prevăzute cu nervuri elicoidale radiale sunt reprezentate prin literele CF urmate de unul sau două numere. Primul indică numărul de nervuri per inch, iar al doilea (opțional) se referă la diametrul nominal al tubului. În cazul țevilor circulare cu nervuri continue, cele două numere au aceeasi semnificație ca în cazul prezentat anterior, nefiind însă însoțite de nici o literă. Pentru țevile turtite nervurate, primul număr indică numărul de nervuri per inch, iar al doilea reprezintă lărgimea mai mare a tubului; nici în acest caz nu sunt utilizate litere. Atunci când în reprezentarea țevilor circulare cu nervuri elicoidale radiale nu apare grupul CF, se poate considera că suprafața are nervuri continue.
Suprafețe matriciale
Aceste tipuri de suprafețe sunt utilizate în schimbătoarele de căldură de tip regenerativ cu suprafață rotativă, cum ar fi preîncălzitoarele regenerative de pe traseul gazelor de ardere din cazanele pe combustibili fosili convenționali. În acest tip de aplicație, este utilizată capacitatea metalului de a absorbi căldura gazelor de ardere (cu un coeficient de frecare minim al acestora) în timpul expunerii schimbătorului la gazele fierbinți și eliberarea acestei călduri aerului de ardere aflat la o temperatură mai mică. Pentru aceste tipuri de suprafețe nu există o reprezentare alfa-numerică.
Caracteristici constructive:
Pentru caracterizarea suprafețelor extinse se pot lua în considerare mai multe criterii:
Forma țevii de bază
Țeava de bază poate avea secțiune :rotundă , plană sau în formă de picătură (fig. 2.5)
Fig. 2.5. Tipuri de secțiuni pentru țevile de bază: a) tip picătură ,
b) plate , c)eliptice , d)rotunde [5]
Cea mai răspândită foemă este cea rotundă ,aceasta având și sel mai redus cost. Celelalte tuburi asigură o compactitate sporită și pierderi mai mici de presiune la curgerea fluidului. Ele sunt însă mai scumpe ,iar fixarea nervurilor pee le eeste mai dificilă.
Tipul aripioarei
Aripioarele se impart în două mari categorii : aripioare individuale ca înfășoară o singură țeavă și aripioare continue ,atunci când ele sunt commune pentru mai multe țevi.
Aripioarele individuale cele mai răspândite sunt cele elicoidale realizate dintr-o bară metalică rulată pe țeava de bază sau prin extrudare din țeava de bază sau dun altă țeavă dintr-un material mai maleabil (aluminiu , cupru ,alamă) ,care învelește țeava de bază. Banda din care sunt realizate poate fi continuă (fig. 2.6a) ,perforată (2.6b) sau decupată (2.6c) . Aripioarele inelare (fig.2.6d) sunt formate din discuri circulare sau de altă formă ,separate între ele prin inele distanțoare sau decupări din aripioară. Aripioarele aciculare (fig.2.6e) sunt realizate prin sudare sau turnare ,având formă trapezoidală și o secțiune în formă de picătură. Ele se utilizează pentru țevi de dimensiuni mari ,care lucrează la temperature ridicate ,cum este cazul recuperatoarelor de căldură . Aripioarele din fir resort(fig.2.6f) sunt realizate prin rularea și sudarea în puncte,în elice , pe o țeavă de bază ,a unui resort. Aripioarele longitudinal (fig.2.6g) sunt utilizate în cazul curgerii în lungul axei țevilor. Ele sunt utilizate prin extrudare din materialul țevii sau prin sudarea unor benzi în lungul țevilor de bază.
Fig.2.6. Tipuri constructive de aripioare individuale : a) aripioare elicoidale continue, b) aripioare perforate, c) aripioare decupate, d) aripioare inelare, e) aripioare aciculare, f) aripioare resort, g) aripioare longitudinal [5]
Aripoarele continue sunt comune mai multor țevi ,fiind utilizate în marea majoritate a bateriilor cu aripioare. Constructiv ,se disting trei geometrii principale pentru aceste aripioare:
Aripioarele lise (fig.2.7a) constitue cea mai răspândită geometrie. Pasul dintre plăci este în general în limitele 1,5-6mm ,putând ajunge la 10 mm în cazul fluidelor cu depuneri sau la care poate apare fenomenul de givraj;
Aripioarele ondulate(fig.2.7b) sunt realizate prin ambutisare ,realizând o intensificare a turbulenței la perete care conduce la o mărire a coeficientului de convecție cu circa 20% față de aripioarele lise;
Aripioare perforate (fig.2.7c) reprezintă geometria cea mai evoluată din punct de vedere al performanțelor de transfer termic , în ultimii ani apărând numeroase tipuri constructive de astfel de aripioare. Ele sunt însă mai sensibile la depuneri și la givraj.
Fig. 2.7. Tipuri constructive de aripioare continue:
a)aripioare lise, b)aripioare ondulate, c) aripioare perforate [5]
2.2. Schimbătoare de căldură cu plăci
Conceptul de schimbător de caldură cu plăci datează de la începutul acestui secol. Aceste schimbătoare au fost propuse inițial pentru a răspunde necesităților industriei laptelui, utilizarea lor extinzându-se apoi în diverse alte ramuri ale industriei: chimie, tehnică nucleară, etc. Conceptul nu a fost suficient exploatat până la Richard Seligman, fondatorul lui APV Internațional Ltd, prima firmă ce a introdus în 1923 comercializarea schimbătoarelor de căldură cu plăci și garnituri. Inițial plăcile erau din "gunmetal", dar în 1930 acestea au început să fie confecționate din oțel inoxidabil.
Primele aparate de acest tip erau limitate din punct de vedere a condițiilor de funcționare la o presiune de 2 bar și o temperatură de aproximativ 60°C. De atunci, schimbătoarele de căldură cu plăci și garnituri au rămas practic neschimbate din punct de vedere constructiv și a tehnologiei de fabricație, dar dezvoltările din ultimii șaizeci de ani au condus la ridicarea parametrilor operaționali, presiune și temperatură, la 30 bar și respectiv 180°C, prin marea varietate existentă la nivelul materialelor din care pot fi realizate plăcile și garniturile de etanșare. În ultimii ani noi tehnologii de fabricație și asamblare a schimbătoarelor de căldură cu plăci au condus la atingerea unor performanțe net superioare celor clasice ce utilizează ca elemente de etanșare garniturile.
Fig. 2.8. Schimbător de căldură cu plăci și garnituri demontabile [5]
Există diferite tehnologii în lume, dintre care unele dezvoltate destul de recent, privind realizarea schimbătoarelor de căldură cu plăci. Putem distinge în acest sens două categorii de astfel de aparate: schimbătoare cu suprafață primară și schimbătoare cu suprafață secundară (fig. 2.9).
Fig. 2.9. Clasificarea schimbătoarelor cu plăci
Schimbătoarele cu suprafață primară, pot fi realizate sub forma schimbătorului cu plăci și elemente de etanșare (garnituri), acesta fiind tipul cel mai răspândit de aparat, cu plăci lipite sau sudate.
În cazul aparatelor cu suprafață secundară între plăci este inserată o umplutură metalică care reprezintă o suprafață suplimentară (secundară) de transfer de căldură.
Tipuri constructive de schimbătoare de căldură cu plăci:
Schimbătoarele cu plăci și garnituri au utilizarea limitată de presiunea maximă de lucru, precum și de diferența de presiune între cele două fluide. Este posibil de conceput și de construit schimbătoare de căldură cu plăci și elemente de etanșare până la o presiune de lucru 25 – 30 bar și o diferență de presiune de 25 bar. Frecvent întâlnit astăzi sunt schimbătoarele cu presiune de lucru de ordinul a 6-20 bar.
Fig. 2.10. Schimbător de căldură cu plăci și garnituri (schema funcțională) [5]
Temperatura maximă de lucru limitează deasemenea domeniul de utilizare al aparatului. Această temperatură este funcție de materialul elementelor de etanșare și se admite ca o limită superioară uzuală, o temperatură de ordinul a 150°C, putându-se atinge, pentru aplicații speciale și temperaturi de până la 260°C.
Suprafața de schimb de căldură este compusă dintr-o serie de plăci metalice, prevăzute cu garnituri și strânse una lângă alta cu ajutorul unor tiranți. Se formează o serie de canale, unul dintre fluide udând una dintre fețele plăcii, iar celălalt fluid cealaltă față (fig. 2.11).
Fig. 2.11. Schimbător de căldură cu plăci și garnituri demontabile [5]
Plăcile sunt realizate prin ambutisare, în general din oțel inoxidabil sau titan, dar pot exista plăci și din alte metale, suficient de ductile, cum sunt Hastelloy, Incoloy, Monel, Cupru-nichel. Grosimea plăcilor este de obicei de 0,6-0,8 mm și numai foarte rar se depășește 1 mm. O importanță mare o are profilul plăcii care trebuie să asigure o turbulență importantă pentru mărirea coeficientului de convecție, dar și o distribuție a fluidelor pe întreaga suprafață a plăcii și puncte de sprijin metal pe metal pentru asigurarea rigidității mecanice a aparatului. Există în prezent peste 60 de geometrii diferite de plăci brevetate de diferite firme producătoare. În figura 2.12 sunt prezentate câteva dintre geometriile mai des întâlnite ale plăcilor utilizate în construcția schimbătoarelor de căldură cu plăci și garnituri.
Fig. 2.12. Tipuri de geometrii ale plăcilor din schimbătoarele de căldură cu plăci și garnituri[5]
Garniturile sunt lipite în caneluri marginale prevăzute în jurul plăcii și orificiilor de alimentare, asigurând etanșeitatea aparatului față de mediul exterior și între fluide, asigurând circulația alternativă a acestora între canale . Mai recent, s-au realizat două tipuri de garnituri nelipite, lucru ce permite reducerea timpului de mentenanță a acestor aparate. Garniturile sunt elemente care limitează nivelul presiunilor și temperaturilor în schimbătoarele de căldură cu plăci. Unii producători de schimbătoare cu plăci și garnituri utilizează garnituri cu etanșare dublă, pentru a preveni explozia accidentală în cazul diferențelor mari de presiune. Utilizarea unei duble etanșări în jurul orificiilor de alimentare (fig. 2.13), previne amestecarea fluidelor în cazul deteriorării garniturii. Spațiul liber dintre cele două garnituri are legătură cu exteriorul, prin intermediul unor orificii practicate în garnitura exterioară, pentru a vizualiza eventualele pierderi de fluid.
Fig. 2.13. Modul de aranjare a garniturilor [5]
Materialele cele mai frecvent utilizate sunt prezentate în tabelul 2.1.
Tabelul 2.1. Materiale pentru garnituri
În ceea ce privește orificiile de alimentare ale unui schimbător de căldură cu plăci, acestea trebuie dimensionate de așa manieră încât pierderile de presiune să fie cât mai mici posibile, deoarece pierderile de presiune importante în secțiunile de alimentare pot antrena probleme deosebite legate de distribuția în aparat, în special în cazul curgerilor bifazice. Ca ordin de mărime, vitezele în aceste secțiuni pot atinge până la 5 m/s.
În schimbătoarele de căldură cu plăci există diferite tipuri de circulație ale agenților de lucru.
Variantele cele mai des întâlnite sunt prezentate în figura 2.14.
a) b)
c) d)
e)
Fig. 2.14. Tipuri de circulații posibile în schimbătoarele de căldură cu plăci
a) Circulație cu o singură trecere pe ambele fluide; b) Montaj în Z cu racorduri (intrare-ieșire) la ambele extremități; c) Montaj în U cu racordurile la o singură extremitate; d) Circulație cu mai multe treceri ,cu număr egal pe ambele fluide; e) Circulație cu mai multe treceri, cu număr diferit pe fiecare fluid [5]
În figura 2.15 este prezentată schema de curgere a agenților de lucru într-un schimbător de căldură cu plăci.
Fig.2.15. Schema de curgere în schimbătoarele cu plăci [5]
Schimbătoarele de căldură cu plăci lipite sau sudate, dezvoltate în ultimii ani, permit o utilizare a suprafeței de schimb de căldură la nivele de presiuni și temperaturi mai mari ca la schimbătoarele prezentate anterior, datorită absenței elementelor de etanșare. În astfel de aparate se pot atinge presiuni de 40 ÷ 50 bar și temperaturi de 450 ÷ 500 °C.
Schimbătoarele de căldură cu plăci sudate sau lipite reprezintă o variantă a schimbătoarelor cu plăci și garnituri, deoarece suprafața de schimb de căldură este constituită, tot dintr-o serie de plăci metalice cu caneluri înclinate, dar ele nu posedă nici elemente de etanșare, nici tiranți de strângere (fig. 2.16).
Etanșeitatea este asigurată prin sudură în jurul fiecărei plăci. Canalele formate între plăci sunt dispuse în așa fel ca cele două fluide să circule alternativ în curenți paraleli.
Compactitatea și grosimea redusă a plăcilor permit ca aceste aparate, foarte ușoare să fie montate direct pe tubulatura de racordare a schimbătorului, fără suport metalic sau fundație.
În ultimii ani au aparut și alte tipuri de schimbătoare cu suprafață primară (asamblaje speciale) care sunt fabricate din materiale nemetalice (plastic, ceramică, grafit) și utilizează un alt mod de asamblare.
Fig. 2.16.. Schimbător de căldură cu plăci sudate: a) vedere de ansamblu; b) secțiune [5]
Fig. 2.17. Schimbătoare de căldură din plăci sudate [5]
Schimbătoarele cu suprafață secundară sunt constituite dintr-un set de tole (fig. 2.18) separate de plăci plane. Pentru aplicații în care unul dintre agenți este aerul atmosferic aceste schimbătoare sunt fabricate din materiale ușoare (aluminiu) iar pentru aplicații în criogenie sau în aeronautică, materialele utilizate sunt aluminiul sau oțelul inoxidabil.
Fig. 2.18. Diferite geometrii de suprafețe secundare [5]
Pentru a caracteriza performanțele și a alege tipul de plăci pentru un schimbător de căldură, se utilizează în general următorii parametri:
debitele primare și secundare care determină dimensiunile tubulaturii de racordare a schimbătorului și permit alegerea tipului de placă și stabilirea numărului de plăci;
numărul de unități de Transfer de Căldură (NTC), care caracterizează performanțele termice ale aparatului;
pierderile de presiune care sunt, în general, impuse de utilizator și care impun în unele cazuri alegerea dimensiunilor plăcilor.
Dimesiuni și parametri geometrici ai schimbătoarelor de căldură
Principalii parametri geometrici ai schimbătoarelor de căldură cu plăci sunt:
β – unghiul de ondulare format între direcția principală de curgere și direcția de ondulare (β=90o pentru plăci cu caneluri drepte , β<90o pentru plăci cu caneluri înclinate);
p – pasul de onlulare, în m;
Ho – înălțimea canalului sau înălțimea de ondulare ,în m;
L – lungimea plăcii,în m;
e – înălțimea ondulării, în m;
l – lățimea plăcii ,în m;
Sp – suprafața de schimb de căldură a unei plăci ,în m;
Fig. 2.19. Elementele geometrice ale unei plăci [5]
Diametrul hidraulic (echivalent) petru canalul dintre plăci este în general definit prin relația:
unde: – este secțiunea de curgere a canalului ,în m2 ;
P – perimetrul udat ,perpendicular pe direcția principală de curgere ,în m.
Fig. 2.20. Parametrii geometrici ai unui canal ondulat , β=90o. [5]
Regimuri și configurații de curgere:
Configurația curgerii într-un canal ondulat este influențată în principal de criteriul Reynolds ,unghiul de ondulare și pasul adimansional p*=p/Ho.
În figura 2.20 este prezentată o sinteză a regimurilor de curgere ce pot apare într-un canal ondulat cu β=90o.
Tabel 2.2. Regimuri și configurații de curgere
Într-un canal ondulat cu ,curgerea este de natură tridimensională iar tranziția regimului de curgere este caracterizată și de apariția unor fenomene locale nestaționare.
Numarul Reynolds de tranziție (ReT) spre curgerea turbulentă depinde de unghiul de ondulare și de pasul adimensional. Regimul turbulent apare la numere Re mai mici în cazul geomeriilor « dure » (α-ridicat). Există deasemenea o influență imporantă a pasului adimensional asupra numarului Reynolds de tranziție între diferitele regimuri de curgere.
2.3. Schimbătoare de căldură spirale
Primele schimbătoarele de căldură spirale au apărut în anii ’30, fiind utilizate în industria fabricării hârtiei, unde fluidele vâscoase utilizate (pasta de celuloză, etc.) înfundau foarte des schimbătoarele de căldură cu țevi și manta. În scurt timp, s-a observat că acest tip de schimbătoare nu numai că se comportau bine în cazul depunerilor, dar erau și foarte eficiente atât din punctul de vedere al caracteristicilor tehnice cât și al spațiului ocupat. Schimbătoarele de căldură spirale realizează diferențe de temperatură reduse între cele două fluide, oricare ar fi tipul curgerii. Spațiul ocupat de aceste aparate este mai mic decât jumătate din spațiul ocupat de un schimbător de căldură cu țevi și manta de aceeași capacitate termică. În plus, necesită un spațiu redus și pentru întreținere, deoarece pentru curățire este suficientă detașarea unui capac lateral.
Prin obținerea unor caracteristici ale curgerii identice pentru ambele fluide, schimbătoarele de căldură spirale reprezintă unele dintre cele mai performante echipamente de transfer termic din industria aparatelor schimbătoare de căldură.
Sunt construite din doua foi de tabla de forma dreptunghiulara curbate dupa o spirala, fixate intre doi pereti laterali. Se formeaza astfel doua canale spiralate cu sectiunea dreptunghiulara prin care circula cele doua fluide. Fiecare canal comunica cu exteriorul cu doua racorduri, unul central, perpendicular pe capac, celalalt periferic.
Aceste schimbatoare au o serie de avantaje, dintre care mai importante sunt:
– sunt foarte compacte avand suprafata de transfer cuprinsa intre 35-80 m3/m2 ;
– sectiunea de curgere constanta si schimbarile line de directie determina caderi de presiune mici;
– valoarea coeficientului global de transfer este mare, datorita schimbului de caldura particular din acest schimbator ( fluidul dintr-un canal schimba caldura cu celalalt fluid prin doua suprafete).
Principalele dezavantaje ale acestui tip de schimbator deriva din dificultatea etansarii la peretii laterali, din curatirea dificila a crustelor depuse pe suprafata de transfer. In plus daca se perforeaza o tabla schimbatorul este scos din functiune.
Forma curbă a canalului de curgere a fluidului induce apariția turbulențelor, cu efect pozitiv asupra transferului termic și împiedicarea apariției depunerilor.
Schimbătorul de căldură poate fi optimizat în funcție de aplicație, prin varierea înălțimii canalelor de curgere. Uzual, acestea au valori cuprinse între 5 și 30 mm. Atât diametrul cât și lățimea schimbătorului pot atinge 2 m, putându-se obține suprafețe de schimb de căldură de până la 600 m2.
Pe partea deschisă a fiecărui canal sunt prevăzute capace plane echipate cu garnituri de etanșare, asigurând astfel un acces ușor și un cost redus de întreținere.
Fig. 2.21. Schimbător de căldură spiral
Figura 2.22. Schema funcțională a schimbătorului de căldură cu spirale
1-schimbător de căldură recuperator; 2-preîncălzitor; 3-serpentină; 4-racord alimentare fluid tratat termic; 5-racord evacuare fluid tratat termic; 6-alimentare agent termic; 7-evacuare agent termic [5]
Temperatura maximă de lucru a unui schimbător de căldură spiral este de 400 °C, fiind limitată de materialul garniturilor. Există însă modele fără garnituri pentru capacele laterale, care pot funcționa până la temperaturi de 850 °C. Presiunea maximă de lucru este de 15 bar, dar se poate ajunge până la 30 bar în cazul construcțiilor speciale.
Schimbătoarele de căldură spirale pot fi executate la comandă pentru a funcționa în diverse tipuri de aplicații, din orice metal ce poate fi deformat la rece și sudat, cum ar fi: oțelul carbon, oțelul inoxidabil, titanul și aliajele cu conținut ridicat de nichel. Aliajele de calitate superioară sunt folosite pentru excelenta lor rezistență la coroziune și eroziune.
Canalele spirale ale schimbătorului sunt obținute prin rularea a două benzi metalice în jurul unui punct central. Pentru a obține o înălțime constantă a canalelor de curgere ale fluidelor, între benzile ce se rulează se interpun știfturi având înălțimea egală cu cea a canalelor (fig. 2.23).
Fig. 2.23. Fabricarea unui schimbător de căldură spiral [5]
În unele cazuri se poate utiliza o dublă spațiere, obținută prin înfășurarea simultană a patru benzi metalice, pentru a obține câte două canale pentru fiecare fluid. Acest sistem dublu-canal este utilizat când debitele fluidelor au valori mari sau pierderile de presiune sunt mici, dar nu este indicat în cazul fluidelor care prezintă risc de depuneri.
Utilizarea schimbătoarelor de căldură spirale nu este limitată însă la aplicațiile lichid-lichid. Variații ale geometriei de bază dau schimbătoare care sunt utilizate în aplicațiile lichid-vapori sau lichid-gaz.
Schimbătoarele de căldură spirale sunt uzual întâlnite în trei configurații:
Tipul 1 – ambele fluide curg în spirală în contracurent
În această configurație fluidul cald intră în schimbător prin zona centrală a acestuia și curge din interior către exterior (fig. 2.24). Fluidul rece intră la periferie și curge către centrul aparatului.
Fig. 2.24. Schimbător de căldură spiral Tipul 1: curgere spirală – curgere spiral [5]
Această configurație este utilizată în cazul schimbătoarelor de căldură spirale lichid-lichid unde se dorește obținerea unor diferențe mici de temperatură. Ca domenii de aplicație amintim: schimbătoare de căldură pentru suspensii, sterilizatoare pentru incubatoare (industria farmaceutică), recuperatoare de căldură.
Tipul 2 – un fluid curge transversal, celălalt în curgere spiral
Fluidul în curgere transversală (curent încrucișat) trece prin canalele deschise ale spiralei, de obicei în direcție verticală. Al doilea fluid curge în spirală prin celălalt canal (închis prin sudare), intrând prin peretele lateral al schimbătorului către centrul lui și ieșind prin țeava de evacuare montată în lateral, așa cum este prezentat în figura 2.25.
Acest tip de aparat este utilizat în cazul schimbătoarelor de căldură gaz-lichid, vapori-lichid sau lichid-lichid de volum mare. Îl întâlnim în aplicații practice cum ar fi: vaporizatoare, condensatoare, încălzitoare, fierbătoare.
Fig. 2.25. Schimbător de căldură spiral Tipul 2: curgere transversală – curgere spiral [5]
Tipul 3 – curgere combinată
Cele două tipuri de aparate prezentate anterior pot fi combinate pentru obținerea unui schimbător de căldură gaz-lichid sau vapori-lichid (fig. 2.24).
Fig. 2.26. Schimbător de căldură spiral Tipul 3: combinație curgere transversală și curgere spirală – curgere spiral [5]
Acest tip de schimbător de căldură spiral poate fi întâlnit în practică sub formă de: condensator cu reflux, încălzitor, condensator/răcitor, sterilizator.
O categorie specială a schimbătoarelor de căldură spirale este constituită de schimbătoarele de căldură spirale miniaturale. Având aceleași tipuri de configurații ale curgerii ca și modelele mari (vezi fig. 2.27 a și b), schimbătoarele miniaturale prezintă următoarele caracteristici:
temperatură maximă de lucru: 185 °C;
presiune maximă de lucru: 6 bar;
suprafață de schimb de căldură: 0,3 – 0,6 m2.
greutate: 8-15 kg;
material utilizat; oțel inoxidabil, titan, nichel, hastelloy (aliaj puternic rezistent la coroziune).
Fig. 2.27. Schimbător de căldură spiral miniatural: curgere spirală – curgere spirală; b) curgere transversală – curgere spiral [5]
Dimensiunile reduse ale acestui tip de schimbătoare le recomandă pentru utilizarea în domeniile în care nu este posibilă sau recomandată folosirea schimbătoarelor spirale obișnuite. Dintre acestea, amintim:
schimbător de căldură pentru instalațiile experimentale sau pilot;
schimbător de căldură pentru condiționarea aerului (încălzire și umidificare);
echipamente de fabricare a semiconductorilor (încălzirea compușilor chimici, răcirea apei pure, condiționarea aerului, etc.);
recuperarea solvenților
controlul temperaturii apei de mare din fermele piscicole.
Avantaje:
Utilizarea schimbătoarelor de căldură spirale a căpătat o amploare importantă datorită numeroaselor avantaje pe care le prezintă în comparație cu celelalte tipuri de schimbătoare de căldură. Astfel, în decursul ultimilor ani, în numeroase domenii industriale, schimbătoarele clasice au fost înlocuite cu cele spirale.
Dintre avantajele importante ale schimbătoarelor de căldură spirale amintim:
Coeficient de transfer de căldură ridicat
Datorită traiectoriei spiralate a fluidelor, are loc generarea unor turbulențe care au ca rezultat obținerea de coeficienți globali de transfer de căldură foarte ridicați.
b) Depuneri reduse
Turbulențele create de curbarea continuă a canalelor de curgere mai au un avantaj și anume împiedicarea apariției depunerilor. Aceasta se traduce printr-o frecvență scăzută a perioadelor de curățare a aparatelor, deci un cost de întreținere scăzut.
c) Auto-curățare
Schimbătoarele de căldură spirale prezintă un avantaj foarte important și anume capacitatea de auto-curățire a depunerilor. Fiecare fluid are un singur canal de curgere, iar orice depunere locală conduce la diminuarea secțiunii de curgere având ca rezultat creșterea vitezei locale (fig. 2.28). Astfel, sunt create condițiile apariției unei turbulențe locale puternice care are ca efect curățirea stratului de depuneri. Acest efect de auto-curățire permite diminuarea costurilor de întreținere, în special atunci când aparatul este montat orizontal.
Fig. 2.28. Efectul produs de depunerile locale [5]
Montajul în poziție orizontală este esențial atunci când sunt folosite fluide cu vâscozitate mare, suspensii sau fluide ce conțin fibre, deoarece particulele solide tind să se depună la partea inferioară a curburii canalelor.
Întreținere și inspecție facilă
Prin demontarea capacelor laterale ale schimbătorului, se obține un acces facil la întreaga suprafață a canalelor de curgere pentru inspecție sau curățare mecanică, dacă este necesar.
Spațiu necesar redus
Dispunerea circulară a canalelor, face din schimbătorul de căldură spiral un aparat foarte compact. De exemplu, pentru o suprafață de transfer de căldură de 100 m2, aparatul are un diametru de 1 m și o lungime de 1,5 m.
În comparație cu schimbătoarele de căldură cu țevi și manta, schimbătoarele spirale prezintă o serie de avantaje:
condiții optime de curgere pentru ambele fluide;
distribuție uniformă a vitezei fluidelor, fără zone moarte;
distribuție uniformă a temperaturii, fără puncte calde sau reci;
eficiență ridicată cu coeficienți de transfer termic mai ridicat;
durată de retenție scăzută;
volum mai mic pentra aceeași capacitate termică;
detașarea unui capac lateral oferă acces către întreaga suprafață a unui canal, asigurând o inspecție și o întreținere ușoară.
Principalele dezavantaje ale acestui tip de schimbător derivă din dificultatea etanșării la pereții laterali, din curătirea dificilă a crustelor depuse pe suprafața de transfer. În plus, dacă se perforează o tablă, schimbătorul este scos din funcțiune.
Pentru aceeași sarcină termică, suprafața de schimb de căldură a unui schimbător spiral este de 90 m2 în comparație cu 60 m2 pentru un schimbător cu plăci sau 125 m2 pentru un schimbător cu țevi și manta. Comparația între dimensiunile geometrice este prezentată în figura 2.29.
Fig. 2.29. Comparație între dimensiunile geometrice ale unui schimbător de căldură: cu plăci, spiral și tubular pentru aceeași sarcină termică [5]
Aplicații:
Utilizarea schimbătoarelor de căldură spirale este ideală în cazul fluidelor cu risc de depunere sau foarte vâscoase. Astfel, ele sunt foarte des întâlnite în industria alimentară (producere sosuri, maioneză, înghețată, etc.), industria berii și a vinului. De asemenea, schimbătoarele spirale sunt utilizate pe scară largă la fabricarea hârtiei și în industria farmaceutică.
Aceste aparate au numeroase aplicații și în industria chimică pentru răcirea TiCl4, manipularea suspensiilor de PVC, procesarea oleumului și recuperarea căldurii din apele reziduale industriale.
Performanțele termice ridicate ale schimbătoarelor de căldură spirale permit obținerea celei mai bune suprapuneri a temperaturilor de ieșire a fluidelor la curgerea în contra-curent. Datorită acestui fapt, ele pot maximiza cantitatea de căldură recuperată în centralele de co-generare de dimensiuni mari.
Schimbătoarele spirale pot fi montate direct pe capătul coloanelor de distilare, funcționând ca deflegmator sau condensator. Avantajele specifice sunt: instalare ușoară, pierderi de presiune mici și secțiuni transversale de curgere mari. În consecință, aceste schimbătoare sunt folosite în multe aplicații de condensare în majoritatea proceselor industriale, în particular în condensarea sub vid.
Schimbătoarele de căldură spirale sunt utilizate de asemeni pentru controlul temperaturii de fermentare a nămolului provenit de la epurarea apelor uzate, plus alte aplicații din stațiile de tratare a deșeurilor menajere sau industriale.
2.4. Schimbătoare de căldură cu serpentină
O categorie specială a schimbătoarelor de căldură spirale o constituie cele cu țevi, cunoscute sub numele de schimbătoare de căldură cu serpentine. Spre deosebire de schimbătoarele spirale clasice unde canalele de curgere erau formate prin suprapunerea de benzi plane, în cazul schimbătoarelor cu țevi, canalele sunt reprezentate de țevi dispuse elicoidal. Fascicolul de țevi este prevăzut cu distribuitoare la ambele capete, acestea fiind situate la centrul și exteriorul spiralei (fig. 2.30).
Fig. 2.30. Fascicul de țevi al unui schimbător de căldură cu serpentină [5]
Fig. 2.31. Schimbător de căldură cu serpentină cilindrică [5]
Fig. 2.32. Schimbător de căldură înecat, cu serpentină plană [5]
De cele mai multe ori fascicolul de țevi este introdus într-o manta metalică, ansamblul astfel format permițând obținerea unei curgeri elicoidale atât a fluidului ce curge prin țevi cât și a celui care curge în manta.
Optimizarea unui astfel de schimbător din punct de vedere termic și hidraulic se poate face prin modificarea numărului de țevi (spire) împreună cu spațiul dintre ele și/sau a lungimii țevilor. Aceasta permite proiectanților să satisfacă cerințele termice și hidrodinamice impuse celor două fluide. Astfel, utilizatorii pot selecta un aparat care se potrivește cerințelor lor termice și limitărilor hidraulice.
Dintre configurațiile posibile de schimbătoare cu serpentine, amintim:
configurație cu treceri multiple, care duce la creșterea vitezei fluidului din țevi și implicit la creșterea intensității transferului de căldură. Inconvenientul acestei configurații îl reprezintă creșterea pierderilor de presiune pe partea fluidului din țevi, odată cu creșterea vitezei de curgere.
vaporizator pentru evaporarea lichidului și separarea picăturilor (fig. 2.33).
Fig. 2.33. Schimbător de căldură cu serpentine utilizat ca vaporizator [5]
condensator, care poate fi întâlnit în trei configurații care depind de procesul realizat și de racordurile de evacuare ale recipientului (fig. 2.34 a, b si c).
Fig. 2.34. Schimbător de căldură cu serpentine având rol de condensator:
fascicul de țevi montat în interiorul recipientului bridei de evacuare; b) fascicul de țevi montat pe brida de evacuare; c) condensare pe suprafața țevilor. [5]
aparate sudate în totalitate, utilizate în cazul în care contactul dintre fluide nu este dorit sau în cazul în care fluidele sunt periculoase sau incompatibile cu materialul garniturilor.
Ca și în cazul celorlalte tipuri de schimbătoare ,debitul fluidelor ,presiunea mazimă admisibilă ,proprietățile fizice ale fluidelor și materialul de realizare influențează designul final al schimbătorului.
Indiferent de model, schimbătoarele de căldură cu serpentine prezintă o serie de avantaje:
coeficientul de transfer de căldură este mai mare la serpentine decât în cazul țevilor drepte
din punct de vedere al transferului de căldură, poate funcționa fie în regim staționar, fie în regim nestaționar.
În plus, putem aminti că o curgere 100% în contracurent permite utilizarea întregii diferențe medii logaritmice de temperatură disponibile și face ca temperaturile să se intersecteze (când temperatura de ieșire a fluidului cald este sub temperatura de ieșire a fluidului rece), fără utilizarea mai multor aparate înseriate.
Curățarea exterioară sau înlocuirea țevilor se realizează prin îndepărtarea capacelor laterale ale mantalei și scoaterea fascicolului de țevi. Schimbătoarele complet sudate nu au această facilitate, curățarea lor realizându-se doar chimic.
Forma de resort a fascicolului de țevi permite preluarea deformațiilor datorate dilatării sau șocurilor termice care apar în special la pornire sau în timpul funcționării în domeniul criogenic sau al temperaturilor foarte ridicate.
În ceea ce privește limitările în utilizarea acestor aparate schimbătoare de căldură, subliniem faptul că sunt în număr relativ redus. În general, o presiune maximă de aproximativ 700 bar acoperă majoritatea aplicațiilor. Limitările în temperatură sunt determinate de tipul materialului folosit. Suprafețele de schimb de căldură ce se pot obține cu aceste schimbătoare sunt cuprinse între 0,1 și 60 m2, dar pot crește substanțial în cazul montajelor în serie sau paralel.
Ca domenii de utilizare ale schimbătoarelor de căldură spirale cu țevi putem enumera.
Răcirea eșantioanelor. Monitorizarea permanentă a unor procese industriale este necesară pentru a asigura calitatea produselor. După prelevarea eșantioanelor este necesară răcirea acestora înainte de a fi transportate către laboratoarele de analiză. Astfel, utilizarea unui schimbător cu serpentine este o alternativă ieftină și eficientă pentru răcirea eșantioanelor până la nivelele de temperatură dorite. Aplicații în acest sens se întâlnesc în generatoarele de abur, coloanele de distilare, condensatoare, etc.
Răcirea lagărelor de etanșare. Pentru a funcționa la parametrii normali, pompele centrifuge au nevoie ca lagărele lor de etanșare să fie răcite. Lichidul de etanșare al pompei absoarbe căldură degajată în urma frecării lagăr-ax, iar această căldură trebuie îndepărtată pentru a preîntâmpina dilatarea celor două elemente mecanice. Schimbătoarele de căldură cu serpentine sunt utilizate de mult timp cu succes în acest tip de aplicații, datorită eficienței lor în preluarea căldurii absorbite de lichidul de etanșare și comportamentului bun la presiunile mari la care lucrează uzual pompele centrifuge.
Condensare. Schimbătoarele cu serpentine sunt foarte des utilizate drept condensatoare în diferite cicluri tehnologice cum ar fi: deflegmatoare sau condensatoare la sfârșitul unui proces. Forma spirală a fascicolului de țevi permite introducerea acestuia direct într-un turn de răcire, rezervor de stocare sau reactor. Această configurație permite curgerea vaporilor ascendent și condensarea lor la contactul cu suprafața rece a țevilor.
Răcire intermediară sau finală a compresoarelor. Comprimarea în mai multe trepte a gazelor necesită utilizarea unor răcitoare intermediare între treptele de compresie și a unui răcitor final după ultima treapta. Aceste răciri reprezintă sarcini delicate pentru orice tip de schimbător de căldură, însă compacitatea schimbătoarelor cu serpentine le recomandă pentru aceste aplicații. Capacitatea de a gestiona în mod economic presiuni de ordinul sutelor de bari după ultima treaptă de compresie, reprezintă probabil cea mai importantă caracteristică a schimbătoarelor de căldură cu serpentine.
Pentru stabilirea caracteristicilor constructive ale suprafeței de schimb de căldură a aparatului cu serpentine, trebuie determinate următoarele mărimi:
lungimea unei spire a serpentinei, determinată cu relația:
[m]
în care: Ds este diametrul spirei spiralei, în m
i este pasul spirei, în m.
lungimea totală a spiralei, determinată de numărul n de spire:
[m]
unde: So este suprafața totală de schimb de căldură a aparatului, în m2;
de – diametrul exterior al unei spire.
înălțimea serpentinei:
H = (n-1)s [m]
2.5. Schimbătoare de căldură multitubulare
Aceste schimbătoare sunt cele mai utilizate în industrie. În construcție clasică un astfel de aparat este construit dintr-un fascicol de țevi, fixat la capete în orificiile a doua discuri metalice, denumite plăci. Fascicolul de țevi este inchis într-o manta cilindrică, prevazută cu racorduri de intrare și de ieșire a fluidului. Se crează astfel două spații de circulație pentru cele două fluide: un spațiu în interiorul țevilor, denumit spațiul tubular sau intratubular și un spațiu între manta și exteriorul țevilor, denumit spațiul intertubular. Spațiul dintre plăcile și capace formează camera de distribuție, respectiv camera de colectare a fluidului care circulă prin țevi.
Dispunerea țevilor pe placa tubulara se poate face pe hexagoane sau cercuri concentric.Fixarea țevilor în placa tubulară se realizează prin mandrinare sau prin sudare.
În general țevile sunt laminate și destinate special construcției schimbătoarelor de căldură. Cele mai utilizate materiale sunt:
oțeluri pentru temperaturi medii sau joase;
cupru;
aliaje cupru-nichel în diferite compoziții (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);
aliaje cupru-aluminiu în diferite compoziții (de exemplu 93/7%, sau 91/9%);
diferite tipuri de aliaje cu zinc între 22 si 40%;
oțeluri inoxidabile.
Fig 2.36. Dispunerea țevilor pe placa tubular [5]
Există o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste țevi, dar în general, pentru schimbătoarele de căldură se preferă țevi cu diametre cât mai mici, care asigură un transfer termic mai intens și construcții mai compacte, dar se vor avea în vedere și aspectele legate de pierderile de presiune și de colmatare.
Țevi speciale pentru imbunătățirea transferului termic:
În figura 2.37 sunt prezentate țevi cu nervuri spiralate, care se utilizează în special la construcția vaporizatoarelor:
În figura 2.38. este prezentată o țeavă cu nervuri exterioare joase, realizate prin extrudare, din materialul de bază al țevii. După extrudare, diametrul exterior al părților lise ale țevilor, este egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare ușoară în plăcile tubulare. Pasul dintre nervuri este în mod uzual de (0,8-1,5) mm, iar înălțimea nervurilor este de aproximativ (1-1,5) mm. Aceste țevi pot sa asigure un raport între suprafața exterioară a țevilor nervurate ți suprafața interioară a acestora de 3-5, ceea ce reprezintă o creștere semnificativă a suprafeței exterioare de transfer termic.
În figura 2.39. sunt prezentate cateva tipuri de țevi cu aripioare ondulate. Aceste țevi se utilizează în special la construcția vaporizatoarelor. Pe țeava de bază se montează prin sudare elicoidală, o bandă ondulată. Asemenea construcții se pot realiza pentru țevi având diametre între (8-39) mm. Înălțimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variază între 0,2-0,3 mm. Raportul dintre suprafața exterioară și cea interioară este de 9-16.
În figura 2.40 este prezentată o țeavă cu nervure în formă de ace. Acestea se utilizează în special la construcția condensatoarelor. Exteriorul țevilor se aseamănă cu o perie metalică, ceea ce asigură o suprafață și o intensitate a transferului termic, foarte ridicate. Aceste tipuri de țevi sunt eficiente în primul rând pentru transferul căldurii în medii gazoase și în particular în aer.
În figura 2.41. sunt prezentate cateva țevi cu miez în formă de stea, care se utilizează la construcția vaporizatoarelor cu fierbere în interiorul țevilor. Suprafața interioară este marită prin introducerea în țevi a miezurilor realizate din aluminiu și avand uzual cinci sau zece raze. Problema tehnică a realizarii acestor țevi o reprezintă asigurarea contactului termic dintre țeava de bată și miez, realizat prin introducerea forțată a miezului. Intensitatea transferului termic este mărită dacă se realizează și răsucirea miezului de 2-3 ori pe fiecare metru de țeavă.
Țevile cu miez in formă de stea pot avea diametre de 16-19 mm și grosimea de 1 mm. Raportul dintre suprafața interioară și cea exterioară este de 2 în cazul miezurilor cu 5 raze și 2,7 în cazul miezurilor cu 10 raze.
În figura 2.42. sunt prezentate cateva modele de țevi cu nervuri interioare. Aceste țevi se pot utiliza și la vaporizatoare și la condensatoare. Nervurile sunt realizate din țeava de bază, ceea ce asigură un transfer termic foarte bun. Față de țevile lise, coeficientul global de transfer termic crește mult datorită urmatoarelor efecte:
creșterea suprafeței de transfer termic;
drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formează un film subțire pe suprafața interioară nervurată;
rotirea filmului de lichid, datorită răsucirii (înclinării) nervurilor.
În figura 2.43. sunt prezentate doua țevi cu suprafața neregulată montate una în alta. Asemenea țevi se pot utiliza eficient în construcția condensatoarelor și a vaporizatoarelor, sunt foarte moderne și se produc în Japonia, SUA, Germania sau Franța. Suprafețele țevilor prezintă diferite tipuri de cavități, proeminențe piramidale sau asperități, realizate prin diverse procedee tehnologice noi. Suprafețele neregulate ale acestor țevi pot intensifica transferul termic în cazul schimbării stării de agregare, pentru că favorizează amorsarea fierberii, respectiv a condensării.
În figura 2.44. este prezentată o țeavă din materiale compozite. Asemenea țevi se pot utiliza și în condensatoare și în vaporizatoare, atunci când condițiile de transfer termic sunt mediocre atât în interior cât și în exteriorul țevilor. Aceste țevi combină avantajele nervurilor exterioare cu cele ale generatoarelor interioare de turbulență. Există mai multe variante de asemenea țevi între care se pot aminti țevi cu nervuri elicoidale la interior și structura piramidală la exterior, sau țevi cu nervuri elicoidale atât la interior cât și la exterior. Diametrele pentru care se produc asemenea țevi sunt de 10-19 mm, iar raportul dintre suprafata exterioară și cea interioară este de 1,5-2.
2.6. Schimbătoare de căldură cu țevi coaxiale
Aceste schimbătoare sunt alcătuite din mai multe elemente identice legate in serie. Un element este format din două țevi concentrice, țeava exterioară fiind inchisă la capete și prevazută, la capete, cu două racorduri pentru intrarea și ieșirea unuia dintre fluidele care circulă prin schimbător. Asamblarea elementelor se poate face prin legaturi fixe (sudare) sau prin legaturi demontabile utilizând: flanșe, mufe, piulițe olandeze, ș.a.
Fig.2.45. Schimbător de căldură cu țevi coaxial [5]
Aparatul poate fi adaptat cu ușurință la procesul tehnologic pentru care este destinat, prin schimbarea lungimii țevilor sau a numărului elementelor de transfer de căldură.
În industria alimentară, schimbătoarele de căldură cu țevi coaxiale sunt utilizate în industria uleiului și a vinului, în general pentru variații mici de temperatură.
Schimbătoarele de căldură coaxiale prezintă următoarele avantaje:
performanțe de transfer termic ridicate, mai ales dacă se utilizează țevi cu suprafețe neregulate;
la sarcini termice egale, sunt mai puțin masive decât construcțiile multitubulare;
curgerea și transferul termic se realizează în contracurent;
au o mare compactitate;
prezintă o încărcătură redusă cu agent frigorific.
Dezavantajul cel mai important pe care îl prezintă, îl constituie faptul că nu se poate realiza curățarea decât prin spălare chimică.
Materialele utilizate pentru realizarea țevilor îl reprezintă oțelul și aliajele cupru-nichel. Presiunile nominale maxime pot să atingă valori de 15…25 bar, iar temperaturile maxime sunt de 20…140 ° C.
Pot fi utilizate ca și condensatoare, vaporizatoare, subrăcitoare, preîncălzitoare, desupraîncălzitoare, recuperatoare de căldură, etc.
Firma PADOVAN din Italia a construit schimbătorul de căldură cu țevi coaxiale "FRIGOMOSTO" care este utilizat la răcirea mustului. Operația de răcire a mustului este deosebit de importantă în vinificație, în vederea controlării temperaturii de fermentare și a prevenirii dezvoltării populației microbiene anormale care ar putea deprecia însușirile calitative ale vinului. Țeava centrală prin care circulă mustul este confecționată din oțel inoxidabil. Funcționarea aparatului este automatizată și aparatul a fost construit în trei variante:
fără recuperarea apei de răcire (fig. 2.46);
cu recuperarea apei de răcire (fig. 2.47);
cu apă glacială sau saramură ca agent de răcire (fig. 2.48).
Fig. 2.46. Schimbător de căldură cu țevi coaxiale fără recuperarea apei de răcire:
1 – vas de fermentare; 2- pompă electrică pentru recircularea mustului; 3- aparat FRIGOMOSTO. [5]
Fig. 2.47. Schimbător de căldură cu țevi coaxiale cu recuperarea apei de răcire:
1. aparat FRIGOMOSTO; 2-pompă electrică pentru circulația apei; 3-turn de recuperare și răcire apă; 4-intrare apă, 5-ventilator pentru circulația forțată a aerului. [5]
Fig. 2.48. Schimbător de căldură cu țevi coaxiale cu apă glacială sau saramură ca agent de răcire:
1-compresor frigorific; 2-evaporator; 3-pompă electrică pentru circulația apei sau saramurii; 4-vas sub presiune izolat termic pentru circulația apei glaciale sau a saramurii; 5 -pompă electrică; 6-aparat FRIGOMOSTO; 7-pompă electrică pentru circulația mustului; 8- vas de fermentare. [5]
Schimbătoarele de căldură, de tipul celor prezentate în figura 2.49, sunt utilizate în special pentru lichide, fiind realizate din două țevi coaxiale. În cazul vaporizatoarelor, când agentul frigorific circulă prin interior, țeava interioară poate să fie prevăzută cu nervuri, sau poate fi înlocuită cu mai multe țevi, situație în care țeava exterioară are rolul unei mantale. Ansamblul acestor țevi este înfășurat elicoidal pentru a mări suprafața de transfer termic fără a mări gabaritul aparatului.
Fig. 2.49. Țevi și schimbătoare de căldură coaxial [5]
Capitolul III
Soluții constructive de schimbătoare de căldură cu manta
3.1. Instalații prevăzute cu schimbătoare de căldură cu manta
3.1.1. NIBE SP – boiler cu manta dublă
Volum 110/150/200/300 litri
Garnitură rezistentă la coroziune din cupru
Fig. 3.1. Boiler cu manta dublă NIBE SP [4]
Boilerul constă într-un tanc de apă caldă și o manta dublă de metal.
Boilerul are garnitură rezistentă la coroziune, din cupru.
Zona mantalei duble, tancul de apă și garnitura din cupru sunt testate pentru scurgeri.
Boilerele sunt proiectate și fabricate pentru o presiune maximă de întrerupere la 9 bari.
Presiunea maximă de funcționare permisă în mantaua exterioară este 3.0 bari.
Temperatura maximă permisă este 95°C.
Izolația tancului de apă este din poliuretan dintr-o singură bucată, oferind astfel o excelentă izolație.
Mantaua exterioară constă într-o fâșie de metal acoperită cu plastic.
Boilerul poate fi instalat în picioare sau pe perete.
Un cadru special pentru baza boilerului este disponibil ca și accesoriu pentru instalarea pe orizontală.
Dacă boilerul este instalat în picioare, rezistența electric ELK 213 poate fi conectată direct.
Tabel 3.1 Date tehnice și dimension [4]i
3.1.2. NIBE SPIS – Boiler cu manta dublă
Volum 500/650/800/1000 litri
Garnitură rezistentă la coroziune – Cupru
Boilerul constă într-un tanc de apă caldă și o manta dublă dintr-un strat de metal.
Tancul de apă are o garnitură din cupru rezistentă la coroziune.
Pentru a obține o distribuție potrivită a apei menajere către suprafețele de transfer a căldurii, partea mantalei duble este prevăzută cu un grilaj de ghidare.
Fig. 3.2. Boiler cu manta dublă NIBE SPIS [4]
Izolația tancului de apă constă în 60 mm de vată minerală.
Mantaua exterioară pentru modelul de 500 de litri este făcută dintr-un strat de metal, galvanizat, acoperit cu plastic.
Alte mărimi sunt îmbrăcate în panouri de lemn lăcuite.
Vasul de presiune este proiectat și fabricat pentru o întrerupere a presiunii maxime de 9 bari în tancul de apă caldă și de 3 bari în mantaua dublă.
Boilerul este prevăzut cu manșon cu strângere prin inel și conecții cu filet intern, precum și conecții cu flanșă pentru instalarea rezistenței electrice model ELK 213.
Boilerul este prevăzut pentru poziția stând în picioare.
Boilerul este livrat cu valvă de închidere, de sens, de siguranță și valve de vacuum în acord cu normele aplicabile.
De asemenea trebue instalată o valvă de drenaj pentru facilitarea drenajului.
Pe circuitul cu apă caldă, boilerul trebuie să fie prevăzut cu o valvă de amestec care limitează temperatura la 60°C. Dacă această valvă nu este montată, pot fi luate alte măsuri pentru a preveni riscul de fierbere.
Pentru volume de peste 500 de litri, boilerul trebuie prevăzut cu un termometru și manometru.
Boilerul este echipat cu șurub cu inel.
Tabel 3.2 Date tehnice și dimensiuni [4]
3.1.3. Boiler indirect cu manta
Boiler cu încălzire indirectă pentru producerea ACM, schimbătorul de căldura manta fiind racordat hidraulic (de obicei) la o instalație de încălzire, la boiler sau la un sistem solar.
Protecția anticorozivă interioară este realizat prin smalț ceramic (la modelele de 80-140 litri) sau smalț special smaltoplast(la modelele de 200-300 litri).
Pierderea minimală de caldură este asigurată de izolatia din spuma poliuretan de 30mm grosime, învelită cu material PVC(SKAY) la modelele de 200-300 litri. Protecția catodului este asigurată cu anod de magneziu încorporat.
Funcționarea comfortabilă este garantată de hidroteaca pentru sensor cazan(modelele 80-140 litri) și racord de recirculare, montarea pe perete necesită rama de susținere. Modelele de 200-300 litri pot fi folosite atât în poziție verticală, cât și în poziție orizontală (stativ).
Fig. 3.3. Boiler indirect cu manta [4]
Presiunea maximă de operare a rezervorului este de 6 bari, mantaua se poate folosi la o presiune de cel mult 1,5 bari(la model de 80-140 litri) sau 3 bari(la model de 200-300 litri).
Temperatura maximă de lucru este de 95 °C (model de 80-140 litri), respectiv 80 °C (model de 200-300 litri).
Fig. 3.4. Schemă boiler indirect cu manta [4]
Tabel 3.3. Date tehnice și dimensiuni [4]
3.1.4. Boiler TSB 80 litri – electric cu manta
Pe lângă combustibilul solid și rezistența electrică, boilerul are o manta de protecție suplimentară.
Opțional, se poate echipa cu serpentină din cupru pentru racordarea la sistem solar.
Date tehnice și dimensiuni:
Producție apă caldă : 160 – 230 l/h
Putere rezistența electrică : 2000 W
Capacitate/Putere : 80/3 l/kW
Înalțime / Diametru : 1400 / 370 mm / mm
Racord coș fum : 90 mm
Fig 3.5. Boiler electric cu manta [4]
Presiune maximă : 6 bar
Supapa siguranță : 10 bar
Temperatura maximă:
Robinet golire: 12,5 mm
Racord apă: 12,5 mm
3.2. Alegerea soluției optime de schimbător de căldură
Pentru alegerea tipului cel mai adecvat de schimbător de căldură pentru un anumit domeniu, a adoptării unor decizii tehnice și economice optime, este necesară cunoașterea cât mai în detaliu a principalilor factori care determină dimensionarea și utilizarea schimătoarelor de căldură (procesul tahnologic în care aparatul este utilizat, parametrii termo-hidrodinamici, mecanici, nominali și maximali admisibili, materialele ce pot fi utilizate, condițiile de gabarit, modul de exploatare și întreținere, modul de evoluție în timp a depunerilor, posibilitățile de reparație și curățare, costul și economicitatea aparatului, etc…).
Indiferent de tipul schimbătorului de căldură sau de instalația în care el este integrat, principala cerință, din punct de vedere termo-hidrodinamic este obținerea unui schimb de căldură cât mai intens (coeficient global de transfer de căldură al aparatului cât mai mare), cu suprafețe de schimb de căldură cât mai mici (aparat compact, cu greutate scăzută și cu preț de cost redus) și cu pierderi de presiune cât mai reduse (costuri de exploatare mici).
Siguranța în funcționare și securitatea în exploatarea aparatului constituie de asemenea o condiție importantă pentru un schimbător de căldură.
Pentru alegerea și justificarea celei mai eficiente soluții constructive se poate apela la mai multe metode. Vom prezenta în continuare o metodă managerială de alegere a soluției optime, denumită metoda “STEM”, care are următorul algoritm:
se stabilește mulțimea “m” a utilajelor supuse analizei, alegându+se utilaje cu aceeași destinație, din aceeași grupă tipodimensională și, deci, compatibile între ele;
se stabilește mulțimea criteriilor de departajare “n” care influențează în sens pozitiv sau negativ exploatarea;
se împarte în două mulțimea criteriilor de departajare:
submulțimea criteriilor de maxim „ n1", respectiv a criteriilor care în exploatare este de dorit să aibă valori cât mai mari;
submulțimea criteriilor de minim „ n2", respectiv a criteriilor care în exploatare este de dorit să aibă valori cât mai mici;
este necesar ca n1+ n2 = n;
se construiește o matrice cu „m" coloane și „n" linii în care se acordă utilități în locul valorilor cantitative și calitative ale caraeteristicilor. În acest fel, prin trecerea la mărimi adimensionale, se face posibilă compararea mărimilor între ele;
se acordă utilități astfel:
pentru submulțimea n1 se acordă utilitatea „1" utilajelor la care caracteristica analizată are valoarea maximă și utilitatea "0" utilajelor la care caracteristica analizată are valoarea minimă. Pentru restul utilajelor se vor acorda utilități după formula:
unde xij este mărimea caracteristicii;
pentru submulțimea n2 se acordă utilitatea „1" utilajului la care valoarea caracteristicii analizate are valoarea cea mai mică și se acordă utilitatea „0" utilajului la care valoarea caracteristicii analizate are valoarea cea mai mare. Pentru restul utilajelor se vor acorda utilități după formula:
unde x, este mărimea caracteristicii;
se obține o matrice cu n linii și n coloane cu utilități;
se acordă apoi coeficientul de importanță pentru fiecare caracteristică în parte a utilității în exploatare;
pentru aceasta se construiește un vector de ierarhizare a caracteristicilor după importanța în exploatare. Coeficientul de importanță se notează aij, și se acordă astfel:
1, dacă Ci I Cj (caracteristica Ci este la fel de importantă pentru exploatare ca și caracteristica Cj);
2, dacă Ci P Cj (caracteristica Ci este mai importantă pentru exploatare decât caracteristica Cj);
4, dacă Ci PP Cj (caracteristica Ci este mult mai importantă pentru exploatare decât caracteristica Cj);
0, pentru restul cazurilor;
în situația în care un vector de ierarhizare nu are situația Ci PP Cj atunci matricea de importanță se poate scrie astfel:
1, dacă Ci I Cj (caracteristica Ci este la fel de importantă pentru exploatare ca și caracteristica Cj);
2, dacă Ci P Cj (caracteristica Ci este mai importantă pentru exploatare decât caracteristica Cj);
0, pentru restul cazurilor. Aceasta matrice este o matrice A2 cu n linii și n coloane.
se stabilesc apoi pierderile γj cu care trebuie înmulțite utilitățile. Notăm cu i liniile și cu j coloanele matricei A2 și vom avea:
având acestea se stabilesc apoi ușor utilitățile totale de exploatare:
se face ierarhizarea prin întocmirea unui tabel, astfel:
locul 1 va fi atribuit utilajului care are Utexpi maxim;
locul m va fi atribuit utilajului care are Utexpi minim.
criteriul de maxim:
Suprafața specifică de transfer de căldură
Coeficient de transfer de căldură
criteriul de minim:
Prețul
Pentru determinarea soluției optime se iau în considerare următoarele schimbătoare de căldură:
Schimbător de căldură cu manta
Schimbător de căldură cu serpentină
Schimbător de căldură cu plăci
Schimbător de căldură cu spirală
În tabelul 3.2. am prezentat caracteristicile tehnice ale produselor care se evaluează.
Schimbătorul de căldură cu manta este comparat cu alte schimbătoare de căldură.
Tabel 3.4. Caracteristici tehnice ale schimbătoarelor de căldură
– acordarea utilităților la suprafața specifică de transfer de căldură se calculează cu formula:
Rezultă:
acordarea utilităților la coeficient de transfer de căldură se calculează cu aceeași relație:
acordarea utilităților la prețul echipamentului se calculează cu relația:
Tabel 3.5. Matricea utilităților
Pentru aceasta am determinat coeficientii de pondere folosind algoritmul STEM.
Tabelul 3.6. Calculul coeficientilor de pondere (γi)
Tabelul 3.6. Matricea A si calculul coeficientilor de pondere (γi)
Tabelul 3.6. s-a completat cunoscand:
– k1P, k2P ,k3P;
– valorile caracteristicilor comparate.
În urma acestui studiu decizional, din toate cele patru soluții constructive se alege cea care are utilitatea totală de exploatare cea mai mare. Astfel, a rezultat că soluția constructivă u1 este varianta optimă de schimbător de căldură, deoarece maximul Nt este reprezentat de schimbătorul de căldură cu manta.
CAPITOLUL IV
Memoriu de calcul pentru schimbătorul de căldură cu manta
4.1. Construcția și funcționarea schimbătorului de căldură cu manta
Schimbătoarele de căldură cu manta sunt vase destinate realizării unor anumite operații tehnologice care se desfășoară la o anumită temperatură, prin transfer de căldură în scopul încălzirii sau răcirii. Ele au diverse destinații, cum ar fi: reactoare chimice, vase de dizolvare, cristalizatoare.
Spațiul destinat circulației agentului de răcire sau încălzire este realizat cu ajutorul unei mantale sau perete dublu în jurul aparatului în care se realizează faza respectivă. Transferul de căldură se realizează printr-o parte a suprafeței aparatului care este acoperită de manta.
Schema de construcție a schimbătorului de căldură cu manta este data în figura 4.1.
Fig. 4.1. Schema schimbătorului de căldură cu manta [1]
1-corpul recipientului; 2-manta; 3-racord alimentare cu produs tratat; 4-racord evacuare cu produs tratat; 5-racord alimentare (evacuare) cu agent termic(fierbinte sau rece); 6-racord evacuare (alimentare) cu agent termic.
Mantaua este fixată la exteriorul aparatului pe o înălțime adecvată, astfel ca lichidul din interiorul vasului să acopere toată suprafața de schimb de căldură pentru o utilizare rațională a acesteia. Mantaua poate fi realizată excentric față de vas pentru a favoriza în interiorul vasului apariția unor curenți de convecție care să contribuie la mărirea coeficientului parțial de transfer de căldură.
Spațiul prin care circulă agentul de încălzire respectiv de răcire, trebuie să fie prevăzut cu racord de alimentare și de evacuare, unul din ele amplasat în partea superioară a mantalei, altul în partea inferioară, în funcție de natura agentului de încălzire. Dacă diametrul vasului este mai mare de 1mm, în cazul încălzirii la partea superioară trebuie să fie două racorduri situate la unul de altul. Dacă mantaua este folosită pentru încălzirea cu abur presiunea admisă în mod mormal este 50N/cm2. Depășirea acestei presiuni impune construirea vasului cât și a mantalei cu pereți mai groși. Grosimea peretelui recipientului și a mantalei se stabilește în urma calculului de rezistență și a celui de stabilitate.
Suprafața de încălzire posibil de realizat este limitată față de dimensiunile vasului. Domeniul de utilizare este totuși destul de mare, întrebuințându-se în mod normal pentru operații speciale; din punct de vedere al transferului de căldură, în cele mai multe cazuri se încadrează în regimul nestaționar. Când se realizează procese cu menținere la temperatură constantă în vas procesul de transfer de căldură pe perioada de regim este staționar.
Pentru intensificarea transferului de căldură, în interiorul schimbătorului se poate monta un agitator.
În cazul nostru agitatorul este de tip elicoidal.
Agitatoarele elicoidale servesc pentru amestecarea pulberilor, simultan cu transpotul lor. Sunt formate dintr-un jgheab de tablă, în care se rotește un arbore de care este fixată o suprafață elicoidală. Sunt amestecătoare eficace și necesită putere mică și spațiu restrâns; o lungime de cel puțin trei metri este de obicei necesară.
Fig. 4.2. Agitator elicoidal
Fig. 4.3. Spirala unui amestecător
Fig 4.4. Vas de reacție cu manta prevăzut cu agitator
Fig.4.5. Autoclava
În categoria schimbătoarelor de căldură cu manta intră și autoclavele.
Ele sunt confecționate din oțel aliat și înalt aliat, fiind de o mare diversitate constructivă.
Acest tip de aparate permite realizarea unor operații concomitente, cum ar fi introducerea gazelor sub presiune, prelevarea probelor pentru analiză etc. Elementul principal al autoclavei este corpul acesteia, de formă cilindrică, cu fundul plat sau bombat; grosimea pereților corpului autoclavei este dependentă de nivelul presiunii de lucru.
Atunci când se lucrează cu medii corozive, autoclavele se protejează prin aplicarea unei căptușeli interioare, confecționată din metale rezistente, cum sunt nichelul, cromul etc. La partea superioară, autoclava este prevăzută cu o flanșă, în care se strânge capacul acesteia, cu ajutorul unor șuruburi și piulițe; capacul autoclavei este confecționat din același material ca și corpul acesteia. În capac sunt dispuse diverse armături ce echipează autoclava: teaca pentru termocuplu, orificiul pentru manometru, orificiul pentru sistemul de agitare, orificii plasate pe margini pentru fixarea în șuruburi. Etanșarea, la îmbinarea dintre capac și corpul autoclavei (flanșa), se realizează cu ajutorul garniturilor, confecționate din metale: plumb, cupru, duraluminiu etc; o bună etanșare este absolut obligatoriu a se realiza atunci când se lucrează cu gaze, în condiții de presiune și temperatură ridicate. Robineții (ventilele) care echipează autoclava sunt confecționați din oțel inoxidabil și trebuie să asigure o bună etanșare. Manometrul este confecționat din diverse materiale, fiind de diferite forme constructive, în funcție de natura chimică (compoziția chimică) a substanțelor cu care vine în contact și de nivelul presiunii de lucru. În mod uzual, manometrele sunt confecționate din alamă, pentru un domeniu de presiune mai mare decât cel de operare. Totodată, manometrul are și rol de supapă: în situația apariției unei suprapresiuni în autoclavă, se va sparge tubul manometrului, evitându-se în acest fel deteriorarea autoclavei, mult mai scumpă. Manometrul se înșurubează fie direct în capacul autoclavei, fie printr-o piesă intermediară. Când se lucrează cu substanțe corozive, manometrul se protejează prin legarea de autoclavă prin intermediul unei bucle în formă de U în care se introduce un ulei, prin care se transmite presiunea, dar este împiedicată pătrunderea substanțelor corozive.
Conductele pentru introducerea fluidelor în autoclavă sunt confecționate din cupru, care asigură o bună flexibilitate, fixarea realizându-se cu ajutorul unor piulițe olandeze (hollendere).
Agitarea conținutului autoclavei se realizează în diverse moduri: cu ajutorul agitatoarelor, când se lucrează la presiune joasă sau când autoclava are gabarit mare, sau prin rotirea autoclavei, cu ajutorul unui sistem de roți dințate, în condiții de presiune ridicată.
Încălzirea autoclavei se realizează prin circularea unui agent de încălzire (abur) prin mantaua acesteia, cu flacără directă, electric sau cu ajutorul băilor de ulei sau parafină.
Schimbătoarele de căldură cu manta pot fi mixte, de tipul cu manta și transportor cu manta și cu serpentină rotativă, cu manta și cilindri coaxiali rotativi, realizându-se astfel instalații mixte pentru schimb de căldură de tip Votator, Rototherm, Contherm, Padovan, Sernagiotto, IMECA, VPM-20, M8-VPP, etc.
În figura 4.6. este prezentat schimbătorul de căldură cu manta și serpentină. Acesta este format dintr-un cilindru înconjurat la exterior de o manta. În spațiul dintre peretele exterior al recipientului și peretele interior al mantalei circula agentul termic de încălzire sau de răcire. În cazul utilizătii aburului acesta se introduce printr-un racord practicat la partea superioară a mantalei.
Fig 4.6. Schimbător de căldură cu manta și serpentină.
Pentru calculul aparatelor cu manta se dă cantitatea de produs care trebuie încălzit sau răcit și care se găsește la un moment dat și condițiile inițiale și finale la care trebuie să se ajungă din punct de vedere termic.
Cantitatea de produs, densitatea lui și gradul de umplere al vasului determină volumul schimbătorului. În funcție de condițiile geometrice se deduc dimensiunile vasului, iar în funcție de funcție de acestea și înălțimea lichidului din vas, mărimea suprafeței de schimb de căldură.
Condițiile de transfer de căldură sunt descrise de o relație de tipul:
Q=k·A·Δ tmed·τ (4.1.)
În care Q este determinat din bilanțul caloric legat de condițiile termice inițiale și finale, A (suprafața de schimb de căldură) este determinată de elementele constructive, (coeficient total de transfer de căldură ) se determină ca în cazul transferului de căldură între două fluide separate printr-un perete solid.
În tabelul următor sunt date valori medii ale lui k în diverse situații.
Tabel 4.1. Coeficienți totali de transfer de căldură pentru schimbătoarele de căldură cu manta
La calculul lui Δ tmed se va ține seama de condițiile concrete referitoare la procesul care are loc în vas. Din relația 4.1. se poate determina durata operației
4.2. Alegerea materialului de construcție a schimbătorului de căldură cu manta
4.2.1. Descrierea schimbătorului de căldură cu manta
Schimbătorul de căldură cu manta (vas de plămădire-zaharificare) este un vas de formă paralelipipedică cu fund semicilindric și capac plan fixat cu șuruburi. El este prevăzut pe peretele din față, deasupra nivelului plămezii, cu o gură de vizitare Ф300 mm, cu rol de vizor și fixat prin 4 șuruburi. Pe peretele din spate al vasului se află imprimată o riglă gradată indicând volumul lichidului din vas.
În partea superioară a peretelui din spate se află următoarele racorduri:
– racord de evacuare a vaporilor, Dn=90 mm, pe care este fixat prin înșurubare un robinet cu cep;
– racordul supapei de siguranță pentru suprapresiune pe care este fixată prin înșurubare supapa de siguranță respectivă;
– racordul supapei de siguranță pentru vid pe care este fixată prin înșurubare supapa de siguranță respectivă;
– racordul de alimentare cu apă, Dn=80 mm;
– racordul pentru admisia de aer comprimat, Dn=30 mm.
În partea dreaptă a fundului vasului este amplasat un traductor de temperatură tip PT 100 montat fără teacă, iar în partea superioară a peretelui lateral dreapta, amplasat la nivelul gurii de vizitare, un vizor de iluminare, în dreptul căruia se va monta pe exterior un bec.
Pe peretele lateral din stânga, se află la partea superioară, un racord Dn=80 mm prin care se poate alimenta vasul cu plămadă din vasul de fierbere. Tot la partea superioară se află și un ventil de evacuare a aerului, Dn = , care se deschide în faza de alimentare sub presiunea plămezii din cazanul de fierbere.
La extremitatea din stânga a fundului se află gura de golire prevăzută cu un ventil special Dn = 80, prin intermediul căreia se poate transvaza plămada în vasul de fierbere cu hamei.
Partea frontală, cea opusă acesteia și partea fundului vasului sunt prevăzute cu mantale în care se introduce abur de 0,7 bar.
Schimbătorul de căldură are montat în zona semicilindrică un ax orizontal cu agitator elicoidal. Banda elicoidală este împărțită în două tronsoane având înclinarea în sensuri opuse unul față de celălalt. În acest mod s-a urmărit anularea componenței axiale din lagăre fără a influența negativ procesul din vas. Pe banda elicoidală este montată o bandă din teflon sau material plastic care șterge continuu fundul vasului. Axul agitatorului este antrenat de un motoreductor. Acționarea agitatorului este astfel realizată încât să permită rotirea axului cu circa 37 rot/min.
Caracteristicile tehnice ale schimbătorului de căldură cu manta sunt:
capacitatea totală…………………………………………………………700 l
grad de umplere……………………………………………………………50 %
densitatea plămezii…………………………………………………1,2 kg/dm3
presiunea maximă de lucru: în corp……………………………..0,7 bar
în manta…………………………..0,7 bar
temperatura maximă de lucru…………………………………………..76°C
consum de energie electrică pe zonă de încălzire…………….20KWh
turația agitatorului……………………………………………..cca. 37 rot/min
puterea motorului agitatorului…………………………………cca. 2,2 KW
Utilajul va fi construit din oțel inoxidabil iar suprafețele ce vin în contact cu mediul de lucru vor fi lustruite.
Montarea utilajului se va face pe baza unui proiect de montaj la a cărui elaborare se va ține seama de spațiile necesare deservirii și depanării.
4.2.2. Proprietățile fizico-mecanice pentru materialele din care este realizat vasul de plămădire-zaharificare
Materialul utilizat pentru construcția corpului vasului de plămădire-zaharificare este de 10TiNiCr180, STAS 3583-87. Acest standard se referă la oțelurile aliate rezistente la coroziune și refractare (rezistente la oxidare la temperaturi ridicate – mai mari de ), prelucrate prin deformare plastică la cald.
Compoziția chimică a materialului: 10TiNiCr180 este următoarea:
carbon: max. …0,12 %
titan: 0,02….0,70 %
nichel: 8,0…..9,5 %
crom: 17….19 %
siliciu: max. 0,80 %
mangan: max. 2,00 %
wolfram: max. 0,2 %
molibden: max. 0,2 %
Caracteristicile mecanice se determină pe epruvete tratate termic sau pe epruvete provenite din semifabricate tratate termic. Valorile caracteristicilor mecanice sunt valabile pentru temperatura normală ( ± ) pentru dimensiuni până la diametru sau grosime.
Caracteristicile mecanice ale materialului 10TiNiCr180 sunt următoarele:
rezistența de rupere minimă:
limita minimă de curgere:
alungirea relativă: 40 %
gâtuirea la rupere: 55 %
Regimul de tratament termic recomandat pentru epruvetele pentru care s-au determinat caracteristicile mecanice de mai sus este: călire 1050…1100°C, răcire în aer, în ulei sau apă.
Materialul 10TiNiCr180 se întrebuințează la fabricarea echipamentului. Se recomandă să fie folosit sub formă de profiluri și tablă laminată la cald. Este un material nestabil în medii care conțin sulf. Temperatura începutului oxidării intense este: .
Materialul utilizat pentru realizarea mantalei vasului de plămădire-zaharificare este: OL 37, STAS 500/2-80. Acest standard stabilește mărcile de oțeluri (carbon și slab aliate) de uz general pentru construcții.
Compoziția chimică a oțelului OL 37 este următoarea:
carbon: max. 0,25 %
mangan: 0,30…0,80 %
siliciu: max. 0,07 %
fosfor: 0,065 %
sulf: max. 0,055%
Valorile caracteristicilor mecanice determinate prin încercări la tracțiune și încercări de încovoiere prin șoc pe epruvete cu crestătură în U și V, precum și condițiile încercărilor de îndoire la rece pentru aprecierea capacității de deformare plastică sunt următoarele:
– limita de curgere: σc= 21,6 daN/mm2 pentru table cu grosimea cuprinsă între 25…40 mm
– rezistența de rupere la tracțiune, σr min = pentru a ≤ σr min = 36,3….44,1 daN/mm2 (kgf./mm2)
– alungirea relativă la rupere, minimă, pentru 8 < a < 25 Ar = 26 %
– reziliența: KCU = 7 daj/cm2
– energia de rupere minimă: Kv = 2,8 daJ
Materialul OL 37 are în general o comportare bună la sudare. Aceasta este asigurată prin:
– compoziția chimică garantată pe produs;
– rezultatele încovoierii prin șoc pentru determinarea energiei consumată la rupere, KV, care trebuie să corespundă valorilor din standardul mărci în vigoare;
– încercarea la îndoire a probei încărcate longitudinal cu sudură, conform standardelor de produs în vigoare.
4.3. Calculul de dimensionare geometrică a schimbătorului de căldură
4.3.1. Dimensionarea corpului, capacului și mantalei schimbătorului de căldură.
Pentru efectuarea calcului vasului de plămădire-zaharificare dispunem de următoarele date:
presiunea maximă interioară: pci = 0,7 bar = 0,07MPa
presiunea maximă în manta: pcm =0,7 bar = 0,07MPa
temperatura maximă de lucru: t =
coeficientul de rezistență al îmbunării sudate: z=6.
Acest coeficient s-a ales considerând cazul îmbinărilor cap la cap, executate prin orice procedeu de sudare cu arc electric sau gaze, numai pe o față, fără inel sau placă suport la rădăcină.
diametrul interior al fundului vasului: D =
diametrul interior al fundului mantalei: Dm =
lungimea vasului: L = .
Pentru realizarea corpului vasului s-a utilizat materialul 10TiNiCr180, STAS 3583-87, cu următoarele caracteristici:
σR20 = 5000 daN/cm2 = 500N/mm2 – rezistența de rupere la întindere la temperatura de , definită conform STAS 1963-81
σC76 = 1750 daN/cm2 = 175 N/mm2 – limita de curgere la temperatura de
E – modulul de elasticitate (E = 1,94 x 106 daN/cm2 = 1,94 x 106 N/mm2)
Tensiunea admisibilă, σa, care corespunde caracteristicilor determinate pe baza încercărilor de scurtă durată ale materialului, se determină cu următoarea relație:
(4.1.)
Rc76 = σc76
RR20 = σR20
În relația 4.1 coeficienții de siguranță cs1 și cs2 au următoarele valori:
pentru oțeluri (cu excepția celor turnate):
cs1 = 1,5
cs2 = 2,4
Deci în cazul materialului din care este realizat corpul vasului, tensiunea admisibilă este:
σav = 116,66 N/mm2 (4.2)
Mantaua vasului este realizată din OL 37, STAS 500/2-80 cu următoarele caracteristici:
σR20 = 3630 daN/cm2- rezistența de rupere la întindere la temperatura de
σc115 = 2160 daN/cm2- limita de curgere la temperatura de
Tensiunea admisibilă în cazul materialului din care este realizată mantaua este:
Deci σam = 144 daN/mm2 (4.3)
4.3.2. Dimensionarea fundului utilajului
Grosimea pereților unui recipient se determină pe baza tensiunilor primare, cu utilizarea metodei rezistențelor admisibile.
În zonele recipientului în care apar solicitări locale sau solicitări de contur (determinate de discontinuități ale structurii) se face verificarea stării de solicitare admițându-se atingerea stării elasto-plastice.
Caracteristicile mecanice se iau la temperatura medie Tm a peretelui care se determină după cum urmează:
unde:
Ti = temperatura suprafeței interioare
Te = temperatura suprafeței exterioare
ΔT =
Grosimea de fabricație a peretelui recipientului se calculează cu relația:
(4.4)
în care avem:
s = grosimea teoretică obținută fie din condiția de rezistență, fie din condiția de stabilitate;
c1 = adaosul pentru condițiile de exploatare (de coroziune și/sau de eroziune);
cr1 = adaos de rotunjire până la grosimea nominală a tablei.
Grosimea de rezistență a fundului utilajului este:
(4.5)
Știind că: pci = 0,07 N/mm2
D =
σav = 116.66 N/mm2
z = 0.6
Rezultă:
Considerându-se c1 =
cr1 =
grosimea de fabricație a fundului utilajului va fi:
Deci, spf = (4.6)
Se face verificarea fundului vasului la stabilitate în urma exercitării presiunii din manta.
Calculul elementelor cilindrice simple supuse la presiune interioară.
Pentru a verifica dacă fundul utilajului lucrează la presiune pe fața concavă (interioară) în limita de elasticitate se verifică cu relația:
(4.7)
Unde am notat:
(4.8)
A=0,04
(4.9)
B=9,05
Știind:
L = = lungimea vasului
D = = diametrul interior al fundului vasului
se calculează :
Prin urmare se îndeplinește condiția (2.7), deci fundul utilajului lucrează la presiune pe fața (concavă) interioară în limita de elasticitate.
Calculul de rezistență al elementelor cilindrice simple supuse la presiune pe partea convexă (exterioară).
Pentru a verifica dacă fundul vasului lucrează la presiune pe fața convexă în limita de elasticitate, se verifică relația:
M<N (4.10)
Unde am notat:
(4.11)
(4.12)
N=1,285 x 10-2
Deoarece condiția (4.10) este satisfăcută, fundul vasului lucrează la presiune pe partea convexă în limita de elasticitate.
În aceste condiții, grosimea de rezistență a elementului se calculează cu relația:
(4.13)
s = =
Prin urmare grosimea de fabricație sp = , aleasă constructiv, este corespunzătoare.
Determinarea lungimii de calcul, L, a elementului cilindric, utilizată în relațiile anterioare.
L =
D =
4.3.3. Dimensionarea mantalei semicilindrice a vasului de plămădire-zaharificare
Folosind aceleași relații ca în cazul punctului anterior, pentru mantaua semicilindrică a utilajului, grosimea de rezistență va fi:
Grosimea de fabricație a fundului mantalei va fi:
Deci, spm = (4.14)
Am considerat:
c1 = adaosul pentru condițiile de exploatare ()
crf = adaosul de rotunjire ()
4.3.4. Dimensionarea capacului utilajului
Considerăm cazul: toate laturile sunt simplu rezemate, sarcină uniform distribuită pe toată suprafața plăcii.
α=
Expresiile eforturilor unitare sunt:
(4.15)
(4.16)
Din relația (4.16) se determină grosimea de rezistență a capacului, h:
(4.17)
Laturile ariei capacului pe care se exercită presiunea sunt:
a =
b =
(4.18)
Înlocuind cu valorile mărimilor întâlnite în relația (4.17) vom găsi pentru grosimea de rezistență a capacului, valoarea:
(4.19)
Constructiv, se alege hc = .
4.3.5. Calculul pereților plani ai utilajului
Pentru efectuarea acestui calcul pereții vasului de plămădire-zaharificare au fost nervurați, împărțindu-se astfel în sectoare dreptunghiulare având fiecare laturile: a = și b = .
Fiecare sector astfel obținut a fost considerat ca o placă dreptunghiulară, simplu rezemată pe contur, supusă la o forță uniform distribuită (pci) pe suprafața ei. Grosimea de rezistență este următoarea:
(4.20)
unde:
z=0,6 – coeficientul de rezistență al îmbinării sudate
(4.21)
Grosimea de proiectare a pereților plani ai utilajului va fi:
(4.22)
Adaosul pentru condițiile de exploatare s-a considerat egal cu zero în relația de mai sus.
4.3.6. Calculul dispozitivului de agitare al schimbătorului de căldură cu manta
Vasul de plămădire-zaharificare este prevăzut cu un dispozitiv de agitare elicoidal care este antrenat de către un motoreductor în mișcare de rotație cu turația de circa 37 rot/min.
Calculul puterii necesare pentru acționarea amestecătorului.
În cazul nostru se consideră că toate spiralele au aceeași suprafață și aceeași înclinare față de axa longitudinală a cuvei și sunt așezate la aceeași distanță de axa de rotație.
Fig.4.7 Amestecătoare elicoidale
Notând cu K1 rezistența specifică la amestecare și cu b lățimea unei spirale, considerând că aceasta se află așezată în planul vertical radial, se poate scrie următoarea relație de calcul a momentului rezistent elementar:
iar momentul rezistent total la aceeași spirală va fi:
(4.23)
Având în vedere că, în același timp, amestecarea este realizată de z palete înclinate cu unghiul α față de axa longitudinală a cuvei, momentul rezistent total la amestecare va fi:
(4.24)
Unde: α- unghiul de atac al spiralei
ψ=0,6-0,7 coeficent de umplere
K1= 0.03 daN/cm2
, în care: L=1399mm -lungimea amestecătorului
b=100mm- lățimea unei palete
Rezultă
re= 500mm- diametru exterior
ri= 465mm- diametrul interior
Puterea necesară acționării este:
(2.25)
4.3.7. Stabilirea puterii de agitare
Din punct de vedere al energiei specifice, εsp, se disting următoarele cinci grupe de amestecătoare:
amestecătoare pentru care εsp<1 W/l;
amestecătoare pentru care εsp=1-10 W/l;
amestecătoare pentru care εsp=10-100 W/l;
amestecătoare pentru care εsp=100-1000 W/l;
amestecătoare pentru care εsp>1000 W/l.
Energia specifică este definită ca raport între puterea necesară agitării, N, și volumul Vl de lichid amestecat:
(4.26)
Ea se poate calcula orientativ cu următoarea relație:
(4.27)
unde V = volumul total al recipientului
Din relațiile (4.23) și (4.24) poate fi obținută o valoare orientativă a puterii necesare amestecării fluidelor cu vâscozitate medie:
(4.28)
unde:
Ku = 0,5 – coeficientul de umplere al vasului
V = – volumul total al recipientului
Rezultă
Se adoptă N = 2,2 kW și se alege un motoreductor cilindro-melcat având:
puterea: P = 2,2 kW
randamentul: η = 0,81
turația de ieșire: n = 37,5 rot/min
Axul agitatorului este cuplat la arborele de ieșire al motoreductorului prin intermediul unui cuplaj cu flanșe.
4.3.8. Calculul arborelui agitatorului
Arborii dispozitivelor de amestecare se construiesc dintr-o bucată sau, în cazul arborilor lungi, din mai multe bucăți asamblate rigid între ele. Arborele este solicitat la torsiune și încovoiere. Sarcina axială produce, în general, o tensiune de compresiune neimportantă din punctul de vedere al rezistenței.
Predimensionarea la torsiune a arborelui și apoi verificarea acestuia, ca și verificarea elementelor acționării, se face cu considerarea momentului de torsiune de calcul Mtc după cum urmează:
(4.29)
Relația (4.26) se aplică dacă acționarea nu este prevăzută cu sistem de siguranță la suprasarcina Mt ≥ Mtmax în condițiile în care există pericolul creșterii repetate, în timpul funcționării, a vâscozității amestecului iar pornirea motorului se face fără dispozitivul de pornire.
(4.30)
Relația (4.30) se aplică dacă pornirea se face cu dispozitiv de pornire iar vâscozitatea amestecului este cvasiconstantă în timp.
Materialul de execuție pentru arbore este: 10TiNiCr180, STAS 3583-87, având următoarele caracteristici:
σr = 5000 daN/cm2 – rezistența de rupere la tracțiune;
σc100 = 1760 daN/cm2 – limita de curgere;
σaiI = 12-18 daN/cm2 – tensiunea admisibilă la încovoiere, la solicitare statică;
σaiII = 8-12 daN/cm2 – tensiunea admisibilă la încovoiere, la solicitare oscilantă;
σaiIII = 4-6 daN/cm2 – tensiunea admisibilă la încovoiere, la solicitare alternant simetrică;
τat = 300 daN/cm2 – tensiunea admisibilă la torsiune;
Predimensionarea arborelui se face la torsiune și încovoiere.
(4.31)
La limită:
Deci, (4.32)
Știind că:
se determină momentul de torsiune transmis arborelui ca fiind:
(2.33)
unde:
P = 2,2 kW – puterea necesară antrenării
η = 0,81 – randamentul transmisiei mecanice
ηr = 0,99 – randamentul unui rulment
(4.34)
Înlocuind valoarea lui Mt în relația (2.34) se obține pentru diametrul arborelui valoarea:
(4.35)
Forța încovoietoare F se determină cu relația:
(4.36)
unde r = – distanța de la axa arborelui până la vectorul forței F care se aplică pe elementele radiale ale amestecătorului.
Momentul încovoietor total este:
(4.37)
unde: Mi,1= momentul încovoietor în secțiunea periculoasă datorat forței F
Mi,2 = momentul încovoietor datorat masei uniform distribuite a axului și agitatorului:
Mi,2 =
p = 0,026 daN/cm2
Atunci:
Dimensionarea arborelui la torsiune și încovoiere se face pe baza calcului momentului încovoietor echivalent:
(4.38)
Momentul de rezistență polar necesar este:
(4.39)
Dar de unde rezultă că diametrul necesar arborelui este:
(4.40)
Ținând cont de diametrul rezultat în urma predimensionării la torsiune, diametrul minim al arborelui nu va fi sub 42 mm.
4.3.9. Calculul penei paralele
Din motive constructive diametrul arborelui în dreptul penei de fixare a agitatorului este
d = .
Aleg pana paralelă cu dimensiunile:
b =
h =
Lungimea necesară a penei se determină din condiția de rezistență la strivire:
(4.41)
unde:
Mt = momentul de torsiune
d = diametrul arborelui
h = înălțimea penei
pa = presiunea admisibilă la strivire
pa = 300 daN/cm2
Deci rezultă:
4.3.10. Calculul cuplajului cu flanșe
Cuplajele cu flanșe sunt cuplaje permanente, fixe, care nu pot compensa abateri de poziție ale capetelor de arbori și se execută în două variante constructive:
– tipul CFO-pentru cuplarea directă a capetelor de arbori orizontali;
– tipul CFV-pentru cuplarea directă a arborilor verticali.
În cazul nostru avem cuplaj de tipul CFO.
Fig.4.8.Cuplajul cu flanșe CFO
Tabel 4.1.Cuplaj cu flanșe pentru cuplare direct a arborilor orizontali CFO
Momentul de torsiune se transmite prin intermediul șuruburilor de păsuire, cu ajutorul cărora se realizează asamblarea semicuplelor cuplajului.
Marimea cuplajului se alege în funcție de momentul de torsiune de calcul Mtc, luând în considerare regimul de lucru al mașinii antrenate și al celei motoare, prin intermediul unui coeficient de serviciu cs,, corelat cu diametrul capătului de arbore. Momentul de torsiune de calcul trebuie să fie mai mic sau egal cu momentul de torsiune nominal indicat în STAS. Din această condiție rezultă mărimea cuplajului.
(4.42.)
unde: Mtc – momentul de torsiune de calcul;
Mt – momentul de torsiune nominal transmis prin arborele respectiv;
cs – coeficientul de serviciu.
Mt= 4448 daN·cm= 444,8 N·m
cs= 1,65
Din tabelul am ales momentul de torsiune nominal Mtn ca fiind 800 N·m.
Din condiția (4.42.) am ales mărimea și tipul cuplajului: Cuplaj CFO 10-55/56 STAS 769-73.
Tabel 2.2. Dimensiunile semicuplelor și ale elementelor de asamblare
Momentul de torsiune se transmite de la o semicuplă la alta, prin intermediul șuruburilor, care sunt montate fără joc. Forța tangențială pe un șurub Ft se determină în funcție de momentul de torsiune de calcul, de diametrul de montaj al șuruburilor și de numărul acestora, care asamblează semicuplele. Tija șurubului este în acest caz solicitată la forfecare și la strivire.
Tensiunea de forfecare a șuruburilor este dată de relația:
(4.43.)
În care:
F1- forța tangențială pe un șurub;
Mtc – momentul de torsiune de calcul transmis prin intermediul cuplajului;
D1= 130mm – diametrul de montaj al șuruburilor;
Ns= 3 – numărul de șuruburi;
d2= 11mm – diametrul tijei șurubului de păsuire este egal cu diametrul alezajului din semicuplă.
Verificarea șuruburilor la strivire se realizează pe suprafața cea mai mică cu lungimea de contact minimă.
unde: – lungimea minimă de contact a tijei șurubului cu o semicuplă; se poate considera =(1/2…2/3)l1
Am ales =10
l1= 18mm – lățimea semicuplei în zona de montaj a șuruburilor.
Deoarece condițiile (4.40) și (4.42) sunt respectate, toate elementele geometrice ale cuplajului corespund condițiilor reale de funționare si, deci, mărimea cuplajului aleasă este corectă.
4.3.11. Verificarea țevii centrale a dispozitivului de agitare
Țeava centrală a dispozitivului de agitare este solicitată la torsiune. Ea este realizată din 10TiNiCr180 și are dimensiunile Φ 60 x .
Tensiunea unitară la torsiune în țeavă este:
Prin urmare se verifică relația:
Deci țeava centrală a dispozitivului de agitare rezistă la torsiune.
Capitolul V
Norme NTSM și norme PSI ce trebuiesc respectate la realizarea unui schimbător de căldură
Normele de protecție și sănătate în muncă sunt puse în aplicare de către Comitetul de securitate și protecție a muncii prin următoarele atribuții organizatorice pe care trebuie să le îndeplinească:
– analizeaza și face propunerii privind politica de SSM (Securitatea și Sănătatea Muncii), prin aplicarea planului de protective și prevenire a eventualelor defecțiuni;
– urmareste aplicarea planului de prevenire și protective, inclusive alocarea mijloacelor necesare realizării prevederilor lui și eficientă acestora din punct de vedere al îmbunatățirii condițiile de muncă;
– analizeaza introducerea de noi tehnologii și alegerea echipamentelor, luând în considerare consecințele asupra securității și sănătății muncitorilor propunând diferite rezolvării ale eventualelor defecțiuni.
5.1 Norme de tehnică a securității muncii
Siguranța și securitatea în exploatare are o importanță deosebită, făcand parte dintre principiile funcționale, care așa cum s-a mai spus primează asupra celor economice. Siguranța in funcționare afectează aparatul schimbător de căldură însusi, pe cand securitatea se referă la personalul de deservire.
Factorii principali care vin în considerare în aceasta privință sunt:
compensarea dilatării termice a pieselor aparatului schimbător de căldură;
realizarea unei rezistențe corespunzătoare la îmbinarile demontabile a etanșeității eficiente;
prevenirea corodării pieselor aparatului schimbător de căldură;
posibilitatea de acces la suprafața de încălzire;
legarea corespunzătoare a aparatului schimbător de căldură;
ușurința controlului și a reglării parametrilor caracteristici ai aparatului.
Condițiile de exploatare optimă a schimbătoarelor de căldură sunt stabilite de
proiectant și specifică:
alegerea judicioasa a spa|iului prin care curg cele doua fluide;
vitezele de curgere;
regimurile de temperatura a fluidelor.
Intreținerea și repararea schimbătoarelor de căldură este reglementată prin norme tehnice conform cărora se stabilesc ciclurile de reparații, exemplificate în tabelul 5.1.
Tabel 5.1. Norme tehnice pentru întreținerea și repararea schimbătoarelor de căldură
Exploatarea și întreținerea aparatului schimbător de căldură are ca scop menținerea regimului la parametrii optimi de funcționare. Operațiile curente constau în verificarea regimului de temperaturi și presiuni, asigurarea etanșeitații prin flanșe și garnituri și curațarea suprafețelor de schimb de căldură.
Curățarea suprafețelor de schimb de căldură se efectuează periodic, la intervale determinate de natura fluidelor vehiculate. Metodele de curajare depind de natura depunerii și starea sa (depunerea pietrei de calcar din apă, depuneri de săruri, nămol, gudroane și microorganisme). Curațarea poate fi realizată prin procedee chimice, hidropneumatice, cu ultrasunete, mecanice, hidraulice sau prin sablare.
Cauza principală a scoaterii din funcțiune a instalațiilor din rafinării și combinate petrochimice o reprezintă defectarea schimbătoarelor de căldură (circa 36% din incidentele funcționale).
Principalele defecte survenite în exploatarea schimbătoarelor de căldură sunt:
corodarea corpului și fascicolului tubular;
obturarea țevilor datorită depunerilor.
Aceste probleme implică măsuri sistematice privind reducerea efectelor coroziunii (folosirea inhibitorilor de căldură, alegerea corectă a materialelor), exploataxea și întreținerea corespunzătoare.
Alegerea materialelor este condi|ionata de condipile de exploatare:
oțel carbon pentru utilizări generale;
oțel inoxidabil în condițiile utilizării produselor corozive, la temperaturi ridicate;
alama navală pentru aparatele care folosesc ca agent de răcire apa de mare;
aluminiu și cupru pentru condițiile exploatării la temperaturi scăzute.
Revizia schimbătoarelor de căldură are caracter periodic și constă în revizia internă și proba de presiune. Revizia internă se efectuează dupa demontarea și curățarea aparatului, urmărind stabilirea zonelor corodate, a fisurilor, deformărilor, a grosimilor pereților, starea îmbinărilor sudate și mandrinate.
Proba de presiune poate fi de etanșare sau de rezistență. Proba de etanșare se efectuează la presiunea nominală, ori de cate ori se montează sau demontează schimbătorul de căldură. Proba de rezistență se efectuează la presiunea de probă (1,25 sau 1,5 din presiunea nominală) la termenele prevăzute de instrucțiunile I.S.C.LR. cat și după executarea unor reparatii și modificări,
Repararea schimbătoarelor de căldură cuprinde, în general următoarele operații:
repararea corpului;
repararea suprafețelor de transfer;
remandrinarea sau resudarea țevilor slăbite în plăcile tubulare;
obturarea țevilor sparte;
repunerea plăcilor tubulare;
verificarea și înlocuirea garniturilor și ansamblurilor demontabile;
înlocuirea parțială sau totală a izolației termice.
Repararea mantalei se execută în conformitate cu metodele generale.
La reparative efectuate conform reviziilor planificate se admit defecte in cazul obturarii a 10-15% din numărul total de țevi, iar dacă numărul țevilor depașește 15% este necesar ca toate țevile sa fie înlocuite.
Placa tubulara se consideră corespunzatoare dacă suprafețele de etanșare sunt perfect netede și nu prezintă abateri de formă (nu au zgarieturi radiale, pori, lovituri).
Fisurile a căror lungime nu depașește 10% și cu o adîncime de cel mult 40% din grosimea plăcii se pregătesc prin șanfrenare și se sudează dintr-o singură parte.
Dupa reparații se execută proba hidraulică a aparatului conform instrucțiunilor ISCIR.
Se interzice executarea oricăror lucrări la elementele schimbătorului în timpul cand acesta se află sub presiune (reparații prin sudură, strîngeri de suruburi, ștemuirea unor pori).
Deschiderea în cazul reviziilor sau cand procesul tehnologic o cere și în vederea golirii, curațirii sau verificării, se va face numai după ce personalul de deservire a constatat in mod sigur că nu mai este presiune și lichid tehnologic.
Deschiderea găurilor de acces și a orificiilor se va face întotdeauna de sus în jos în ordinea succesivă pentru ca aerul să nu poată intra în recipient și să formeze un amestec exploziv.
In cazul în care diferența dintre temperatura mantalei, recipientului și a fluidului introdus este mare, creșterea presiunii în recipient și respectiv a temperaturii, se va face treptat pentru evitarea unor șocuri periculoase în pereții recipientului.
Întreprinderile de montaj sau recepție sunt obligate să supună recipientele sau elementele acestora, verificării organelor ISCIR în conformitate cu prevederile prezentelor prescripții. Aceste verificări pot fi făcute și de personalul propriu al întreprinderilor constructoare, de montaj sau de reparații autorizate în acest scop de ISCIR.
La verificarea reparațiilor se vor verifica, pe langă prezentele prescripții și prevederile prescripțiilor tehnice CR 4-90 (83)- Colecția ISCIR.
Verificarea recipientelor în perioada construirii montajului sau reparării, va cuprinde:
îndeplinirea condițiilor cu privire la verificarea și avizarea proiectului de executie;
verificarea calității materialelor utilizate, respectiv certificatelor de calitate și corespondent materialelor cu documentația de executie;
verificarea îmbinărilor sudate;
verificarea recipientelor asamblate sau elementelor acestora.
Verificarea îmbinărilor sudate va cuprinde:
examinarea exterioară;
încercări distinctive;
încercări nedistructive;
încercarea la presiune hidraulică;
încercarea pneumatică de etanșietate, după caz.
In vederea examinării exterioare, îmbinările sudate vor fi curațate în întregime de zgură, oxizi, etc., pe o lațime a materialului de bază de circa 20 mm de o parte și de alta a cusăturii, pe ambele parți ale recipientului care se verifică (în cazul în care sudura a fost executată pe ambele părți).
Examinarea exterioară a îmbinării sudate se face cu instrumente de măsură uzuale, cu șabloane și cu ochiul liber sau aparatele de mărit obișnuite (conform STAS 1263-88).
În îmbinarile sudate nu sunt admise fisuri în cordonul de sudură sau în zona influențată termic (ZIT), crestături marginale sau în cusătură, create, înclusiv de gaze sau de zgură, abaterile de limită peste cele admise, daca în documentația de execuție nu se prevăd alte condiții mai severe. De asemenea nu se acceptă nepătrunderi la rădăcina cusăturii, mai mari de 15% din grosimea materialului de bază sau mai mari de 3 mm la grosimi peste 20 mm.
Defectele plasate în îngroșarea cusăturilor nu vor fi luate în considerare. La analiza macroscopică se va verifica respectarea tehnologiei de sudare privind numărul straturilor in cusătura sudată.
Examinarea nedistructivă a îmbinărilor sudate se recomandă să se facă după tratamentul termic final. Îmbinările sudate care prezintă defecte exterioare mai mari, vor fi supuse examinării nedistructive, numai după remediere.
Porțiuni din îmbinările sudate care vor fi examinate nedistructiv se vor stabili de către organele de control tehnic de calitate al întreprinderii constructoare, de montaj sau reparatoare.
In urma examinării nedistructive rezultatele obținute trebuie să corespundă:
condițiilor de admisibilitate în cazul radiografierii sau examinării cu ultrasunete, conform prescripțiilor tehnice CR4-90-Colecția ISCIR.
Condițiilor de admisibilitate în cazul examinării cu lichide penetrante sau cu pulberi magnetice, conform prescripțiilor tehnice CR4-90-Colecția ISCIR.
Condițiilor admisibile, prevăzute în normele elaborate de comun acord între proiectant și întreprinderea constructoare cu avizul ISCIR.
5.2. Norme P. S. I.
Pentru funcționarea normală a schimbătoarelor de căldură, cat și pentru alte aparate și pentru evitarea funcționării acestora trebuiesc luate cateva măsuri.
Manipularea hidrocarburilor în instalațiile tehnologice necesită calificarea și cunoașterea proceselor ce au loc în interiorul instalațiilor, precum cunoștințe adecvate pentru evitarea și stingerea incendiilor.
Ținand cont de pericolele pe care experiența le-a pus în evidența, la manipularea fracțiilor ușoare trebuie respectate o serie de reguli, unele dintre ele fiind prezentate mai jos:
nu este permisă introducerea aerului în prezența fracțiilor ușoare în utilaje și sisteme de conducte decat în condiții controlate;
pentru a evita autoaprinderea, în procesul de prelucrare la temperaturi de peste 300°C trebuie evitate dezentașeizările și scăpările. Ventilele de scurgere, de luat probe vor fi obligatoriu prevăzute cu capace în filet sau cu blinde;
nu se vor descărca utilajele și instalațiile tehnologice care conțin hidrocarburi ușoare, în prezența unor surse potențiale de incendiu;
în caz de incendiu, muncitorii, personalul de întreținere va fi evacuat fără a crea însă panică în randul acestora;
evacuarea aerului din instalație se va face controlat, fără manevrarea bruscă a dispozitivelor de evacuare a acestuia, pentru a nu crea presiuni locale critice pentru hidrocarburile cu care se află in amestec.
Pentru a evita exploziile se va controla riguros conținutul, compoziția și temperatura acestora. Daca apar scurgeri de fluid în instalație, se iau urgent următoarele măsuri:
se îndepărtează sau se sting toate sursele de aprindere din zona de propagare;
se opresc toate autovehiculele ce se îndreaptă spre zona de scăpări, daca scăpările nu pot fi stăpanite se opresc fluxurile tehnologice ale instalațiilor alăturate cat și ale instalației afectate;
se evacuează personalul de exploatare și întreținere, dacă exista pericolul iminent al unor deflagrații.
Pentru evitarea incidentelor ce pot apărea, cat și pentru exploatarea normală a instalațiilor se angajează personal corespunzător pentru paza și întreținerea utilajelor.
5.3 Verificarea recipientului asamblat
Recipientele sub presiune vor fi supuse unor verificări și încercări, după asamblare
astfel:
verificarea cărții recipientului, partea de construcție;
verificarea calității materialelor;
verificarea aspectului și dimensiunilor;
verificarea marcării;
încercarea la presiune hidraulică;
încercarea pneumatică de etanșeitate dacă se prevede în proiect;
încercări speciale.
Verificarile și încercările se executa de către organele ISCIR sau de către personalul autorizat ISCIR.
Verificarea aspectului și dimensiunilor va consta din:
examinarea stării suprafețelor recipientului la interior și exterior;
verificarea dimensiunilor elementelor în special cele stabilite prin calculul de dimensionare.
Încercarea de presiune hidraulică se consideră reușita dacă nu se constată deformări plastice vizibile, fisuri sau crăpături ale elementelor recipientului, picături sau scurgeri pe la îmbinările sudate.
5.4. Funcționarea și exploatarea recipientului
În vederea asigurării condițiilor de funcționare în condiții de siguranță, unitățile deținătoare au urmatoarele obligații și răspunderi:
să înregistreze recipientele la ISCIR.
să supună recipientele la verificarea executată de personalul ISCIR.
să ia măsurile necesare ca recipientele să fie folosite în condiții de siguranță.
5.5. Verificarea periodică
Recipientele sub presiune sunt supuse verificărilor oficiale periodice, care constau din revizii interioare, încercări de presiune și revizii exterioare.
În timpul funcționarii, la datele fixate prin instrucțiunile interne și de cate ori este oprit, organele proprii de supraveghere tehnică sunt obligate să examineze recipientul executand revizii interioare și exterioare.
5.6. Prevenirea accidentelor
Pentru prevenirea accidentelor de munca trebuie sa se respecte :
La manipularea materiilor auxiliare
la deservirea instalațiilor de descărcare, depozitare și transport este obligatoriu echipamentul de protecție;
diluarea se face prin turnarea treptată a acidului concentrat în apă, sub agitare;
în locurile de manipulare a se pun vase cu soluție neutralizantă de carbonat de sodiu (soluție 10%);
la manipularea hidroxidului de sodiu, a formalinei și a apei amoniacale se folosește echipament de protecție;
la manipularea formalinei trebuie să se elimine pe cat posibil inhalarea gazelor
La fermentare
sălile de fermentare trebuie să fie prevăzute cu guri de aspirație cat mai apropiate de nivelul pardoselii;
după golirea unui vas de fermentare intrarea în interiorul acestuia este permisă numai după eliminarea dioxidului de carbon. În acest scop se deschid mai întai gurile de vizitare ale vasului și apoi se introduce aer;
pătrunderea în interiorul vasului este permisă numai cu mască;
este obligatorie folosirea centurii de siguranță cand vasele de fermentare trebuie spălate la diferite înalțimi;
în timpul curătării și spălării vaselor de fermentație alcoolică este obligatorie folosirea echipamentului de protecție;
conductele de abur trebuie sa fie izolate;
racordurile de abur, apă, dioxid de carbon, suc de sorg trebuie să fie cat mai apropiate de platforma de deservire a vasului pentru a evita urcarea pe vas;
La distilare
toate conductele de abur trebuie să fie izolate;
curățirea instalației de distilare este permisă după oprirea și golirea acestuia;
este interzisă repararea instalației de distilare în timpul distilării;
instalația trebuie prevazută cu manometru;
în sala de distilare este interzis fumatul și focul;
este permisă utilizarea lanternelor cu baterii de 4,5 V;
platformele trebuie sa fie prevăzute cu balustrade;
se interzice folosirea lămpilor electrice neprotejate;
la efectuarea reparațiilor se vor folosi numai scule care nu produc scantei;
se vor proteja cu azbest porțiunile de la eventualele grinzi de lemn din aproprierea instalației de distilare;
se vor lega la pămant rezervoarele de distilat în scopul evitării producerii electricității statice;
se interzice trecerea conductelor de încălzire prin depozitul de distilate alcoolice.
5.7. Probleme legate de exploatarea și întreținerea vasului de fermentație alcoolică
Secția de fermentare – distilare trebuie să aplice toate metodele de combatere a microorganismelor de infecții, deoarece prezența acestora în diferitele faze ale procesului de producție poate avea urmări foarte grave, care în final se poate reflecta în obținerea unor randamente scăzute și o calitate necorespunzătoare a produsului finit.
Metodele de combatere a infecțiilor sunt:
întreținerea curățeniei în încăperile de fabricate;
spălarea utilajului și a conductelor tehnologice;
dezinfectarea utilajelor și a conductelor tehnologice;
sterilizarea utilajelor și a conductelor tehnologice;
controlul fizico – chimic și microbian al fermentației;
5.8. Întreținerea curățeniei în încăperile de fabricate
Microorganismele de infecții sunt răspandite în sol, apă și aer. Cand găsesc condiții prielnice cum ar fi mediu nutritiv și temperatura optimă, se dezvoltă constituind focare de infecițe. În încăperile de fabricație în care se execută curățenia dupa un program bine stabilit, datorită temperaturii și a umezelii, microorganismele se dezvoltă în resturi de substanță organică care în mod accidental pot ajunge sub utilajele tehnologice sau în locuri greu accesibile constituind focare de infecție. De asemenea, microorganismele străine se pot dezvolta pe pereții care nu au fost zugrăviți de mult timp.
În asemenea condiții, în secția de fermentare – distilare există în permanent focare de infecție care pot infecta plămezile zaharate. Pentru eliminarea acestor surse de infecție, trebuie să existe o permanentă preocupare pentru menținerea igienei industriale. În acest scop se întocmește un program de menținere a curăteniei în încăperile de fabricație care prevede vopsirea utilajelor și a conductelor tehnologice, vopsirea și zugrăvirea pereților, repararea tencuielilor, a pardoselilor, a canalelor inferioare etc.
Trebuie avut în vedere ca spălarea numai cu apă a pardoselilor și a pereților nu este întotdeauna suficientă, deoarece în fisurile acestora se găsesc microorganisme care nu pot fi îndepartate cu jet de apă.
Pentru ca operația de spălare să fie eficientă, este necesară folosirea clorurii de var, cel puțin o dată la trei zile. După spălare, locurile care pot favoriza dezvoltarea microorganismelor de infecție se vor stropi cu clorură de var.
BIBLIOGRAFIE
Biriș, Ștefan-Sorin – „Operații și echipamente de proces” – note de curs
RĂDUCANU, Petre –„ Termotehnică”, București, Editura IPB, 2000
www.calorserv.ro
http://www.ecosysteminternational.ro/Brosura%20Boilere%20NIBE.pdf
http://www.calor.ro/
http://www.incalzire.danfoss.com/
http://www.pelrom.ro/schimbatoare-de-caldura.html;
http://www.pratco.r0/tax0n0mv/term/30;
http://www.sbm.ro/viessmann.htm;
Florin Vitan, Ingineria proceselor în textile si pielarie, Vol.III – Operațiile transferului de căldura și de difuzie și utilaje specifice, București;
Em.A.Bratu, Operații și utilaje în industria chimică, Vol.II, Ed. Tehnică, București, 1961
Em.A.Bratu, Operații unitare în ingineria chimică, Vol. II, Editura Tehnică, București, 1984.
Ion Rășenescu, Operații și utilaje în industria alimentară, Editura Tehnică, București, 1972.
Ion Rășenescu, Fenomene de transfer, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1984.
Amarfi, F. R. Fenomene de transfer, curs, vol. II. Universitatea Galați, Galați, 1989.
Amarfi, F. R. Fenomene de transfer, capitolul: bilanțul termic, probleme, Universitatea Galați, Galați, 1993.
Carabogdan, I. Gh. s.a. Bilanțuri energetice, probleme și aplicații pentru ingineri, Editura Tehnică, București, 1986.
Crudu, I. S. Atlas, recipiente și aparate tubulare, date de proiectare, vol. I. Universitatea Galați, Galați, 1994.
Segal, B. ș.a. Nomograme pentru calculul utilajelor din industria de prelucrare a produselor alimentare de origine vegetală, Universitatea Galați, Galați, 1976.
Ștefănescu, D. ș.a. Transfer de căldură și masă, teorie și aplicații, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1983.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Schimbator de Caldura cu Manta (ID: 161327)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.