Mentenanta Schimbatorului de Caldura cu Placi

1. Considerații teoretice cu privire la schimbătoare de căldură cu plăci

1.1 Agenți termici

În cadrul proceselor tehnologice din industriile de proces transmiterea căldurii este necesară pentru a modifica temperatura materiilor prime sau auxiliare în vederea încălzirii sau răcirii. În decursul operației de încălzire sau răcire, temperatura agentului termic poate fi variabilă dacă acesta nu își schimbă starea de agregare (de exemplu, gaze calde care se răcesc, apă rece care se încălzește) sau poate rămâne constantă dacă își schimbă starea de agregare (de exemplu, abur care condensează, apă care fierbe). Agenții termici uzuali folosiți în industria de proces sunt apa caldă, aburul saturant, apa rece și apa răcită.

Apa caldă. Până la temperatura de 80°C, încălzirea cu apă caldă se realizează la presiunea atmosferică. În intervalul de temperatură (80…374) °C se utilizează apă sub presiune, denumită impropriu apă supraîncălzită.

Aburul saturant. Este cel mai uzual purtător de căldură din cauza avantajelor pe care le prezintă și anume:

căldură latentă masică de condensare mare pentru temperaturile curente de încălzire;

valori mari ale coeficientului parțial de transfer de căldură;

temperatura purtătorului de căldură se menține constantă;

este neinflamabil și netoxic;

cost suficient de redus pentru a nu se impune în toate cazurile recuperarea și recircularea condensatului.

Aceste avantaje sunt pentru încălziri care nu depășesc 150…200 °C.

Apă rece. Folosirea apei ca agent de răcire se realizează în circuit deschis pentru debite mici și în circuit închis pentru debite de apă de răcire mari și trebuie să aibă aceleași calități ca și apa caldă.

Operațiile de încălzire și răcire sunt utilizate în industria de proces pentru:

a crea condiții pentru efectuarea unor transformări de către microorganisme (de exemplu, fermentarea mustului);

a favoriza realizarea unor operații tehnologice din schema-bloc de obținere a produsului respectiv (de exemplu, difuzia zahărului din sfecla de zahăr);

a trata termic unele materii prime și auxiliare din, procesul respectiv (de exemplu, apa necesară difuziei în industria zahărului trebuie să aibă 45°C).

1.2 Tipuri principale de schimbătoare de căldură

Recipientele prevăzute cu manta sau cu serpentină de încălzire reprezintă un prim tip de schimbătoare de căldură. În tabelul 1.1 este dată o clasificare a schimbătoarelor de căldură de uz generai utilizate în industria de proces. Fiecare dintre tipurile de schimbătoare de căldură au avantaje și dezavantaje specifice. Cele mai utilizate, în prezent, sunt schimbătoarele de căldură tubulare cu manta; acestea pun și mai multe probleme din punctul de vedere al inginerului mecanic Tipurile principale de schimbătoare de căldură sunt prezentate în tabelul 1.1,[6].

Tabelul 1.1 Tipuri de schimbătoare de caldură

1.2.1. Schimbătoare de căldură tubulare cu manta

Schimbătoarele de căldură tubulare cu manta sunt denumite, sub o formă mai largă, aparate tubulare: Aparatele tubulare, independent de utilizarea lor tehnologică, sunt compuse din subansambluri și elemente asemănătoare din punct de vedere constructiv: fasciculul tubular (sistemul de țevi și plăcile tubulare), capace, flanșe, mantaua, racordurile, elemente compensatoare de dilatare etc.

Cel mai simplu este schimbătorul de căldură cu fascicul tubular rigid este format dintr-un număr de țevi, fixate ermetic în plăcile tubular figura 1.1, care sunt sudate la ambele capete ale mantalei. Introducerea agentului termic în spațiul din țevi se face prin racorduri.

Deasupra plăcilor tubulare se asamblează capace, în interiorul cărora se formează camerele de capăt, fixe.

Schimbătoarele tubular au dezavantajul unei arii de transfer termic relativ mic pe unitatea de volum. Pentru a mări viteza și turbulența agentului termic dintre țevi, în spațiul dintre țevi se montează șicane, (acestea determină mărirea vitezei agentului termic, îndreptându-l perpendicular pe țeavă). În acest scop se utilizează tiranii și țevi distanțierea. În dreptul racordului prin care intră agentul termic în spațiul dintre țevi se fixează o placă deflectoare. Aparatul se reazemă fie orizontal pe suporturi tip, fie vertical, pe suporturi laterale, [1].

În cazul unei diferențe de temperatură mare dintre manta și țevi, apar solicitări suplimentare mari ale elementelor aparatului, care pot deveni periculoase. Evitarea acestor tensiuni se obține prin prevederea pe manta a unor compensatoare de dilatare termică. În același scop se recurge la soluții constructive care permit dilatarea independentă a fasciculului.

Fig.1.1 Schimbătoare de căldură cu fascicul tubular

1.2.2. Schimbătoare de căldură tubulare fără manta

1. Schimbătoare de căldură cu serpentină. Serpentină de încălzire (cilindrică, plană, tronconică etc.) introdusă complet în lichidul care urmează a fi încălzit este cel mai vechi tip de schimbător de căldură. Ea este puțin eficientă, are dimensiuni mari și nu poate fi utilizată pentru lichide care formează cruste sau depuneri, greu de curățat, în interiorul serpentinelor. Astfel de schimbătoare de căldură sunt simple, ieftine, ușor de fabricat din aproape din orice material, suportă presiuni ridicate și sunt puțin sensibile față de variațiile parametrilor de regim. Ele se introduc, uneori, în recipientele cu amestecătoare, [5].

2. Serpentină plană de răcire cu stropire servește răcirii sau condensării unui fluid. Sunt constituite sub forma unor serpentine plane, din țevi, 1, așezate orizontal una sub altă, asamblate între, ele fie prin sudare, fie cu coturi, 2, prevăzute cu flanșa (fig.1.2, a și b). Deasupra se montează instalația 3 pentru stropirea cu apă a țevilor. Sub ultima țeavă se montează o cuvă, 4 (eventual din beton), pentru strângerea și evacuarea apei. Instalația de stropire 3 se compune fie din jgheaburi, fie din țeavă de stropire cu orificii, amplasate deasupra țevilor. Apa de răcire curge de la o țeavă la alta. Transferul termic are loc între filmul de apă de pe țeavă și fluidul care circulă prin țevi.

Fig.1.2. Serpentină plană de răcire cu stropire.

Acest tip de schimbător de căldură are următoarele avantaje: valori mari ale coeficientului total de transfer termic, construcție simplă, consum relativ mic de material, cost scăzut, întreținere și reparare lesnicioasă, precum și consum relativ mic de apă. de răcire.

3. Schimbătoare de căldură cu țevi coaxiale (țeavă în țeavă). Aceste schimbătoare de căldură se obțin prin conectarea în serie prin intermediul unor coturi 3, și depunerea în paralel a elementelor, din țevi coaxiale figura 1.3. În jurul țevii centrale 1 se fixează țeava concentrică 2.

Prin interstițiul dintre cele două țevi circulă agentul termic, în contracurent cu cel din țeava 1.

Fig.1.3. Schimbător de căldură cu țevi coaxial.

Principalele dezavantaje ale acestor schimbătoare de căldură (consum relativ mare de metal pe 1 m2 de suprafață de transfer termic, gabarit relativ mare) sunt compensate de avantajele lor (suprafață de transfer termic mai mică, consumuri relativ mici de agenți termici),[5,8].

4. Schimbătoare de căldură din țevi cu aripioare. Elementul de bază îl constituie țeava cu aripioare longitudinale, transversale (discuri inelare) sau elicoidale obținute prin turnare sau prin sudare figura 1.4. Aripioarele realizate prin deformare plastică sunt mai avantajoase decât cele aplicate prin sudare sau prin alte metode. Pe țeava obișnuită (din oțel etc.) se aplică un manșon ușor deformabil, pe care se formează, prin rulare, aripioarele astfel se îmbunătățește contactul dintre aripioare și țeavă și, în consecință, crește conductivitatea termică a peretelui bimetal. Forma optimă a nervurilor este cea triunghiular,[5].

În cazul convecției forțate, cantitatea de căldură transmisă prin suprafața cu aripioare ajunge să fie de 20 de ori mai mare decât la o țeavă fără aripioare.

Fig.1.4. Țevi cu: nervuri exterioare longitudinale (a), elicoidale (b), și radiale (c); aripioare elicoidale (d).

5. Schimbătoarele de căldură spirale sunt formate, în principiu, din două table curbate sub formă din spirale, 1 și 2, între care se formează două spații spirală, prin care circulă în echicurent sau în contracurent cele două fluide (figura1.5, a); părțile frontale sunt închise cu capace speciale, 3 și 4 (figura 1.5, b).

Pe capace se află câte un racord, 7 și 8, pentru fiecare dintre fluide. Celelalte două racorduri 9 și 10 se află pe suprafața laterală. Capacele 3 și 4 sunt asamblate de corpul 1 prin intermediul unor flanșe cu șuruburi. În figura 1.5, b flanșele sunt strânse cu șuruburi cu agrafe, 5 și, 6.

Principala dificultate în fabricarea acestor schimbătoare de căldură o constituie etanșarea laterală a celor două spații. În acest scop se pot utiliza:

a) câte o garnitură plană strânsă între spirale (frontale) și capac; în acest caz etanșarea este defectuoasă, în schimb accesul pentru curățarea spațiilor prin care circulă fluidele este ușoara; acest tip de etanșare se recomandă când sunt necesare curățării frecvente ale depunerilor iar amestecarea accidentală a celor două fluide nu este dăunătoare

b) unul dintre spații se închide definitiv prin sudarea marginilor iar celălalt spațiu rămâne accesibil pentru curățare mecanică; spațiul închis poate fi curățat numai prin mijloace chimice; se recomandă când unul dintre fluide este întotdeauna curat, iar celălalt formează depuneri și cruste;

c) fiecare dintre cele două spații este sudat la una dintre margini (figura 1.5, c) iar cealaltă se etanșează cu garnituri; deși curățarea interioară este mai greoaie, fiecare spațiu este accesibil;

d) ambele spații se închid definitiv prin sudarea marginilor frontale ale spiralelor; se obțin schimbătoare de căldură, închise, neaccesibile curățării cu mijloace mecanice.

Fig. 1.5. Schimbător de căldură spiral: a — principiul de funcționare ; b — ansamblu ;

c — spirale, 1 și 2, sunt sudate între ele, alternativ, la cele două capete.

La fabricarea schimbătoarelor de căldură spirale pe plăci se sudează șiruri de știfturi distanțiere care asigură o lățime constantă a interstițiului (distanța dintre știfturi 40…50 mm; distanța dintre șirurile de știfturi 150-200 mm). Câteva date caracteristice: grosimea tablelor 2…8 mm; interstițiul dintre spirale 6…15 mm. Se utilizează în prezent pană la presiuni interioare de 1,8 MPa și temperaturi de 400°C, [2,7]

Avantajele acestor schimbătoare: sunt compacte; au consum mic de metal pe unitate de cantitate de căldură transferată; fluidul circulă prin spațiul cu secțiune dreptunghiulară fără zone de stagnare (unde de obicei se acumulează depuneri și se produc corodări), continuu, ceea ce duce la consum relativ mic de energie de pompare; circulația cu viteză mare a fluidelor în interstițiul relativ mic dintre spirale provoacă turbulență și mărește coeficientul de transfer termic (este de cca 4 ori mai mare decât la aparatele tubulare). Se utilizează pentru recuperarea căldurii chiar la câteva grade diferență de temperatură între fluide.

Fabricarea acestor schimbătoare este ceva mai dificilă iar etanșarea frontală pune probleme, nefiind prea sigură.

La aceste schimbătoare suprafața de schimb de căldură este formată dintr-o bandă rulată în formă de spirală, realizându-se astfel între spire două canale figura 1.6, în care se poate organiza ca cele două fluide să circule în contracurent sau în curent încrucișat. Datorită suprafețelor relativ plane, de obicei presiunea de lucru este limitată la 20 bar, dar există și construcții care se pot folosi la presiuni de sute de bar, respectiv temperaturi de sute de °C. Sunt schimbătoare compacte, cu căderi de presiune relativ mici și pot fi folosite pentru fluide care pot colmata ușor canalele, tipul de curgere prin schimbător favorizând autocurățarea.

Fig.1.6. Schema unui schimbător de căldură spiral.

Schimbătoarele de căldură spirale pot fi realizate dintr-o largă varietate de materiale, cum ar fi: oțelul carbon, oțelul inoxidabil sau titanul, ce pot fi îmbinate prin lipire sau sudare. De obicei se utilizează o mare gamă de oțeluri, ele trebuind să aibă o bună rezistență la coroziune, sau după caz, eroziune. În unele cazuri sunt dublate canalele de curgere, astfel încât să existe două canale pentru același fluid, utilizându-se pentru fluide care conțin particule solide în suspensie, pentru evitarea depunerilor excesive.

Schimbătoarele de căldură spiralate se apropie de idealul echipamentelor pentru transfer termic, obținându-se caracteristici identice cu cele rezultate din calcul, pentru curgerea ambelor fluide de lucru.

Construcția unui astfel de schimbător de căldură este simplă, elementul spiral de bază este construit din două benzi laminate de metal, rulate în jurul unui nucleu central, formând două canale concentrice. În mod normal aceste canale sunt sudate alternativ urmărindu-se că cele două fluide de lucru să nu se amestece, [9].

Aceste schimbătoare spirale pot fi realizate, pentru procese de schimb de căldură, cu cele două canale în care curg fluidele de lucru de dimensiuni diferite. Lățimea unui canal variază normal între 5 – 30 mm, lungimea benzii cât și diametrul rolei putând ajunge 2 m, realizând o arie de transfer termic mai mare de 600 m.

Utilizarea acestor schimbătoare de căldură nu este limitată doar la două faze lichid-lichid, ci sunt potrivite și pentru lichid-gaz, lichid-vapori, modul de realizare a acestora fiind arătată în figura 1.7.

Fig 1.7. Rularea benzii în jurul nucleului

Schimbătoarele de căldură spirale pot fi clasificate în funcție de tipul curgerii în trei mari categorii:

când ambii agenți termici curg în contracurent (figura 1.8): fluidul cald intră prin centrul schimbătorului și curge de la interior către exterior, iar fluidul rece intră pe la exterior curge spre centrul schimbătorului;

când un agent termic curge în curent încrucișat, iar celălalt spiralat (figura 1.9): fluidul circulă în curent încrucișat printre canalele deschise de spiral;

de obicei în direcție verticală, celălalt fluid circulă prin spațiul rămas în spirală de la interior către exteriorul schimbătorului. Acest tip de aparat poate fi utilizat pentru procese de condensare sau vaporizare;

curgere combinată (figura 1.10): această combină cele două tipuri prezentate anterior, fluidul cald intrând pe deasupra schimbătorului și curge tangențial în jurul spiralei prin spațiul existent.

Fig. 1.8. Curgere în contracurent

Fig. 1.9. Curgere în curent încrucișat și spiralat

Fig.1.10. Curgere combinată

6. Schimbătoare de căldură cu spirală în mișcare de rotație și manta se utilizează în industria alimentară pentru preîncălzirea instantanee la o anumită temperatură și menținerea la această temperatură un anumit timp determinat, pentru asigurarea unor faze cu caracter tehnologic: masa zdrobită de tomate; solubilizarea anumitor componente etc.

Transferul de căldură are loc concomitent prin suprafața laterală a trei elemente constructive: spirală, axul în mișcare de rotație și mantaua camerei de produs figura 1.11.

Mișcarea de rotație a axului și spiralei are rolul inducerii unei turbulențe puternice care asigură uniformizarea temperaturii, iar prin curenții de convecție forțată, foarte rapizi, contribuie la mărirea coeficientului de transfer de căldură. Se asigură astfel aducerea masei zdrobite aproape instantaneu la o temperatură 85…90 °C și menținerea la această temperatură 3-6 min. Agentul termic este aburul saturat ia presiunea de 0,4 MPa.

Fig.1.11. Schimbător de căldură cu manta și spirală:

1 – cilindru; 2 – manta; 3 – capac; 4 – arbore central; 5 – spirală; 6— electromotor.

7. Schimbător de căldură cu plăci ondulate. Un asemenea schimbător este format din plăci ondulate suprapuse, cu ondulațiile alternative. În două direcții perpendiculare între ele și separate prin plăci plane (figura 1.12). Se formează două serii de canale separate pentru cele două fluide; transferul termic se face în curent încrucișat, [2,6,9]

Se folosesc îndeosebi pentru transfer termic între gaze. Au suprafață de transfer termic mare pe unitate de volum (~650 m2/m3) iar plăcile ondulate au grosime mică. Nu pot fi însă utilizate la presiuni mari și se curăță greu.

Fig1.12. Schimbător de căldură cu plăci ondulate, încrucișate.

8. Schimbătoare de căldură lamelare. Aceste schimbătoare de căldură (fig.1.13) se fac din benzi de oțel, profilate, sudate în perechi și asamblate într-un fascicul conținut într-o mantă cilindrică.

Fig.1.13 Schimbător de căldură lamelar (alveolar): a — ansamblu ; b — secțiune transversal

1 — manta; 2 — elemente din benzi profilate.

Un agent termic curge prin canalele plate ale lamelelor, iar celălalt, în contracurent, prin spațiile dintre lamele. Este o variantă a schimbătorului de căldură tubular (cu țevi). Extremitățile fasciculului 2 (figura 1.13, a) sunt sudate de piesele de legătură 3 și 4, prin care intră și iese fluidul care circulă prin canalele. Plate. Mantaua exterioară 1 se asamblează cu flanșele pieselor de legătură 3 și 4 și astfel se creează spațiul prin care circulă cel de-al doilea fluid, prin racordurile 5 și 6. Pentru a fi posibilă montarea schimbătorului, flanșa 7 este flanșa liberă între elementele 1 și 3 etanșarea se face cu garnitură de etanșare cu umplutură moale, S. Aceasta permite dilatarea liberă, independentă, a mantalei 1 și a fascicolului lamelar 2 figura 1.13 b.

Datorită turbulenței ridicate, curgerii uniforme și suprafețelor netede, depunerile se produc mai greu. Spațiul interior lamelelor poate fi curățat chimic, iar cel dintre lamele, manual sau chimic.

9. Schimbătoare de căldură fără suprafața intermediară de transfer termic. În schimbătoarele de căldură fără suprafață intermediară, pe lângă schimbul de căldură între cei doi agenți de lucru are loc și un transfer de masă, datorită amestecării acestora, iar calculul acestora nu se poate efectua prin metodele clasice ale transmiterii căldurii. De obicei se folosesc relații de calcul determinate pe baza încercărilor experimentale, care variază de la model la model de aparat.

Ponderea aparatelor de schimb de căldură fără perete despărțitor este relativ mică, cele mai utilizate schimbătoare sunt:

încălzitoare (răcitoare) prin amestec – folosite la prepararea apei calde, încălzirea soluțiilor apoase, răcirea apei calde, etc.;

turnuri de răcire și bazine cu pulverizatoare – utilizate în general la răcirea apei de circulație pentru condensatoarele mașinilor termice, răcirea apei pentru răcirea lămpilor de emisie, răcirea apei de răcire a aparatelor termochimice etc.;

camere de pulverizare – utilizate la răcirea (sau încălzirea) aerului pentru instalațiile de condiționare și ventilație, răcirea sau încălzirea aerului pentru instalațiile de climatizare, răcirea gazelor de generator etc.;

Turnurile de răcire pot fi cu circulație naturală liberă, sau cu circulație forțată, ale căror scheme de principiu sunt redate în figura 1.14.

Fig. 1.14 Turnuri de răcire

10. Schimbătoare de căldură cu plăci nervurate.

a) Schimbătoare de căldură cu plăci nedemontabile

Schimbătoarele de căldură cu plăci lipite, brazate sau sudate, permit o utilizare a suprafeței de schimb de căldură la nivele de presiuni și temperaturi mai mari ca la schimbătoarele demontabile, datorită absenței elementelor de etanșare. Astfel se pot atinge presiuni de 40-50 bari și temperaturi de 450-500 °C. Schimbătoarele de căldură cu plăci nedemontabile 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 fară elemente de etanșare, sau tiranți de strângere (figura 1.15). 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.

Fig.1.15. Schimbător de căldură cu plăci nedemontabile

Compactitatea și grosimea redusă a plăcilor permit ca aceste aparate, foarte ușoare să fie montate direct pe tubulatura de racordare a schimbătorului, fară suport metalic sau fundație. Mai nou au fost concepute și alte tipuri de schimbătoare cu suprafață primară realizate din materiale nemetalice (plastice, ceramice, grafit) utilizându-se alte moduri de asamblare a lor.

Schimbătoarele cu suprafață secundară sunt constituite dintr-un set de tole (mai des întâlnite tip „fagure”), figura 1.16 separate de plăci plane. Pentru aplicații în care unul dintre agenți este aerul atmosferic. Aceste schimbătoare sunt realizate din materiale ușoare cum ar fi aluminiul, iar pentru aplicații din criogenie sau aeronautică, aluminiul sau oțelul inoxidabil.

Pentru a caracteriza performanțele și a alege tipul de plăci pentru un schimbător de căldură se utilizează în general următorii parametri:

Fig.1.16. Schimbător de căldură cu plăci ondulate

debitele primare și secundare care determină dimensiunile tubulaturii de racordare a schimbătorului și permit alegerea tipului de placă și stabilirea numărului de plăci;

pierderile de presiune sunt, în general, impuse de utilizator și care impun în unele cazuri alegerea dimensiunilor plăcilor.

b) Schimbătoare de căldură cu plăci demontabile.

Aceste schimbătoare de căldură, utilizate întâi în industria alimentară și apoi în industria chimică, sunt asemănătoare cu filtrele presă. Un schimbător de căldură cu plăci [3, 7-11] este format din (figura 1.17.): bară de susținere și ghidare, 1; placă de capăt mobilă, 2; tiranți de strângere, 3; placă de capăt fixă ,4; plăci nervurate, 5, [6].

Fig. 1.17. Schimbător de căldură cu plăci.

Plăcile de capăt sunt mai groase și suficient de rigide. La aparatele la care forța de strângere este mare, în locul tiranților 3, strângerea se face hidraulic, cu ajutorul unui cilindru hidraulic care acționează asupra plăcii de capăt mobile 2.

Între două plăci succesive se așază garnituri de etanșare, care au și rolul de-a dirija fluidul A pe o parte a plăcii și fluidul B pe cealaltă parte a plăcii (figura 1.18); fluidele circulă în contracurent. În colțurile plăcilor sunt prevăzute găuri pentru intrarea și ieșirea fluidelor.

Prin alăturarea plăcilor, se formează patru canale, două de distribuție și două de colectare, pentru fluidele vehiculate,[6].

Plăcile se construiesc din tablă de oțel, alamă, titan etc. cu grosimi de 0,6…3 mm. Prin matrițare pe placă se imprimă nervuri orizontale (figura 1.19, a) nervuri în V (figura 1.19, b) sau nervuri în V în centru și înclinate sus și jos (figura 1.19, c). Unghiul dintre cele. Două laturi ale V-ului poate fi ascuțit sau obtuz. În cazul unui unghi ascuțit, rezistența la curgere este mai mică (deci debitul — în aceleași condiții — este mai mare) decât în cazul unghiului obtuz dintre ondulații. Nervurile măresc rigiditatea plăcilor, asigură o mai bună repartizare a lichidului în curgere, măresc aria suprafeței de transfer și turbulența fluidelor.

Fig. 1.18. Principiul de funcționare al unui schimbător de căldură cu plăci.

Fig.1.19. Tipuri de plăci nervurate.

Fig. 1.20 Schimbător de căldură cu trei circuite de fluid.

Ca urmare se obțin coeficienți total de transfer termic mari (3 500.. .5 500 W/m2grd) și arie de transfer pe unitate de volum mare (până la 200 m2/m3). De exemplu, o placă de titan eu aria efectivă de 1,6 m2 și înălțimea de 2,8 m are grosimea de 0,6 mm pentru o presiune de regim de 0,8 MPa.

Garniturile sunt orientate diferit pe cele două fețe ale plăcii. Garniturile trebuie să fie compatibile cu mediile etanșate. Temperatura maximă de utilizare a aparatului depinde de rezistența termică a garniturii de etanșare. Prin modificarea formei garniturilor utilizate poate fi modificată circulația fluidelor de lucru. În prezent se construiesc asemenea schimbătoare de căldură pentru presiuni de până la 2,5 MPa și temperaturi de 200°C.

Presiunea de lucru pentru un astfel de schimbător este de 25 – 30 bari și o diferență de presiune de 25 bari, cel mai utilizate fiind cele de 6 – 20 bari,[2,9].

Pe lângă presiune, temperatura maximă de lucru limitează domeniul de utilizare a aparatului, aceasta este în funcție de materialul elementelor de etanșare utilizându-se în mod obișnuit o temperatură în jurul a 150°C, iar pentru aplicații speciale temperaturi de până la 260°C.

Suprafața de schimb de căldura este compusa dintr-o serie de plăci metalice nervurate prevăzute cu garnituri, strânse una lângă alta cu ajutorul unor tiranți. Pe suprafața plăcii se formează o serie de canale, unul dintre fluide udând una dintre fețele plăcii, iar celălalt fluid cealaltă față (figura 1.21). Plăcile se construiesc din oțel, alamă, titan, etc., grosimea plăcilor este de obicei de 0,6 – 0,8 mm și numai foarte rar se depășește 1 mm. Schimbătorul de căldură este format dintr-o bară de susținere și ghidare, placă de capăt mobilă, tiranți de strângere, placă de capăt fixă și plăci nervurate.

Plăcile de capăt sunt mai groase și suficient de rigide. La aparatele la care forța de strângere este mare, în locul tiranților strângerea se face hidraulic cu ajutorul unui cilindru hidraulic care acționează asupra plăcii de capăt mobile. În colțurile plăcilor sunt prevăzute găuri pentru intrarea și ieșirea fluidelor, iar prin alăturarea plăcilor se formează patru canale: două de distribuție și două de colectare pentru fluidele vehiculate prin schimbător.

Fig.1.21. Schimbător de căldură cu plăci demontabile

În figura 1.22 este prezentat un schimbător de căldură cu plăci demontabil asamblat.

Profilul plăcii 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,[8].

Prin matrițare pe placă se imprimă nervuri orizontale: nervuri în V, nervuri în W în centru înclinate sus și jos, unghiul dintre cele două laturi ale V-ului poate fi ascuțit sau obtuz. În cazul unghiurilor ascuțite rezistența la curgere este mai mică (debitul este mai mare) decât în cazul unghiului obtuz dintre ondulații, nervurile măresc rigiditatea plăcilor, asigură o mai bună repartizare a lichidului în curgere, măresc aria suprafeței de transfer și turbulența fluidelor. Ca urmare se obțin coeficienții totali de transfer termic mari (3500-5500 W/m2grd) și arie de transfer pe unitate de volum mare (până la 200 mm). De exemplu, o placă de titan cu aria efectivă de 1,6 m și înălțimea de 2,8 m are grosimea de 0,6 mm pentru o presiune de regim de 0,8 MPa.

Fig.1.22. Schimbător de căldură cu plăci demontabile

Garniturile sunt orientate diferit pe cele două fețe ale plăcii, fiind compatibile cu mediile etanșe, iar temperatura maximă de utilizare a schimbătorului fiind legată de rezistența termică a garniturii de etanșare. În prezent se construiesc asemenea schimbătoare de căldură pentru presiuni de până la 2,5 MPa și temperaturi de 200°C. Schimbătoarele de căldură cu plăci sunt ușor de întreținut, desfacerea și curățarea plăcilor se face ușor, iar prin introducerea unor plăci rigide intermediare, pot fi realizate mai multe circuite care să permită transferul termic între un fluid principal și două secundare,[5].

Circulația agenților de lucru în interiorul schimbătorului de căldură se realizează în mai multe variante: circulație cu o singură trecere pe ambele fluide (figura 1.23a), circulație cu mai multe treceri simetrice (figura 1.23b) și circulație cu mai multe treceri asimetrice (figura 1.23c) se mai folosește noțiunea de montaj în U sau Z, cu racordurile pe o parte, sau pe ambele părți.

Fig.1.23. Tipuri de curgere în schimbătoarele cu plăci a – circulație cu o trecere; b, c – circulație cu mai multe treceri.

2. Schimbătoare de căldură cu plăci

2.1. Particularități constructive

Fig.2.1. Schimbător de căldură cu plăci

Fig.2.2. Amplasarea plăcilor.

Fig.2.3. Forma unei plăci.

Acest tip de schimbătoare sunt compacte, la un volum dat oferă o suprafață de schimb de căldură mare, suprafața de schimb de căldură poate fi mărită sau micșorată conform necesităților, adăugând sau scoțând plăci, au costuri de fabricație reduse și sunt ușor de curățat. Au însă și probleme. Schimbătorul de căldură este alcătuit dintr-un număr de plăci metalice, montate în serie, dispuse pe un cadru metalic și strânse cu un dispozitiv de strângere (figura 2.4).

Fig.2.4. Schimbător de căldură cu plăci tip SCP.

Plăcile schimbătoare de căldură se construiesc într-o mare diversitate și se pot clasifica după profilul plăcii în: plăci cu canale, plăci cu flux unic, plăci plane cu elemente pentru crearea turbulenței La aceste tipuri de plăci, lichidul se deplasează sub forma unei pelicule în valuri, urmând configurația geometrică a plăcii (viteza peliculei este de 0,3-0,8 m/s) (figura 2.5).

Fig.2.5. Tipuri de plăci: a – placă tip 0,5 E; b – placă tip 0,5 G; c – placă Sigma Schmidt.

2.2 Dimensiuni și parametri geometrici ai schimbătoarelor de căldură

Parametrii geometrici ai schimbătoarelor de căldură cu plăci sunt:

P – unghiul de ondulare între direcția de curgere și direcția de ondulare (β = 90° pentru plăci cu caneluri drepte, β < 90° pentru plăci cu caneluri înclinate);

p – pasul de ondulare, (m);

h – înălțimea canalului sau înălțimea de ondulare (m);

L – lungimea plăcii (m);

e – înălțimea ondulării (m);

l- lățimea plăcii (m);

S- suprafața de schimb de căldura a unei plăci (m2) (figura 2.6 și 2.7).

Fig.2.6. Elementele geometrice ale unei plăci

Fig.2.7. Parametrii geometrici ai unui canal ondulat, β = 90°

Schimbătoarele de căldură cu plăci au o largă aplicabilitate în procesele industriale fară schimbarea stării de agregare a fluidelor (schimbare de fază) și cu schimbare de fază (condensatoare, vaporizatoare), [1,6].

Calculul termic trebuie însoțit și de un calcul hidraulic. În eventualitatea obținerii unor pierderi de presiune mai mari decât cele impuse în funcționarea aparatului, se recomandă mărirea numărului de canale (plăci), sau alegerea altui tip de placă.

2.3. Elemente componente ale schimbătorului de căldură cu plăci.

a) Plăci

În componentă principală a schimbătorului de căldură cu plăci este pachetul de plăci. Numărul și tipul plăcilor utilizate depinde de procesul termic care trebuie să aibă loc în schimbător.

Circulația fluidelor prin pachetul de plăci depinde de asemenea de caracteristicile termodinamice solicitate pentru schimbător.

În figura 2.8 este prezentată o placă de schimbător.

Fig.2.8. Placa de schimbător

Materialul utilizat pentru fabricarea plăcilor depinde de compoziția și temperatura fluidelor care circulă în schimbătorul de căldură.

Următoarele materiale sunt folosite în general:

Oțel inox: AISI 304, AISI 316, AISI 316L, AISI 316TI, AISI 904L, SMO 254

Aliaje cu Nichel: – 2.4066 (pure nickel), 2.4819 (Hastelloy C-276),

– 2.4858(Incoloy), 2.4360 (Monel)

Titan/- aliaje: -3.7025 (titanium Grade 1), 3.7225 (titanium-Pd)

Grosimea materialului plăcilor depinde de tipul plăcii și de presiunea nominală necesară, poate varia între 0.4 mm și 1.15 mm.

Caracteristicile de curgere între plăci sunt corelate cu profilul de nervurare a plăcii.

Schmidt-Bretten dispune de o gamă largă de plăci cu diferite corugații (nervurații). Fiecare tip de placă are proprietăți hidraulice și termodinamice specifice atât pentru curgerea fluidului, cât și pentru comportarea la curățare relativ la consistența fluidului, [6].

Pachetul de plăci poate fi alcătuit din plăci cu variate modele de nervurații. Următoarele modele de nervurații sunt disponibile în figura 2.9:

Fig.2.9. Modele de nervurații

Fiecare schimbător de căldură este optimizat putând avea diferite aranjamente de plăci.

Un aranjament paralel sau serial poate fi obținut prin obturarea sau deschiderea orificiilor de ieșire ale plăcilor.

Plăcile care nu au 4 orificii intrare/ieșire se numesc plăci de schimbare a circulației. Pentru o clară identificare a acestor plăci speciale există o codificare din litere, vezi paginile următoare.

Privind la o placă spre partea cu garnitură, dacă intrarea și ieșirea sunt situate pe partea stângă atunci este o placă cu circulație stânga (L de la left), respectiv placă cu circulație dreaptă (R de la right).

b) Batiul

O gamă largă de batiuri sunt disponibile. Diferențele constau în forma constructivă, materialul utilizat sau rezistența materialului.

Fig.2.10. Simboluri din denumirea batiurilor cu următoarele informații:

c) Racorduri

Schimbătoarele de căldură cu plăci SIGMA sunt echipate cu diferite tipuri de racorduri conform standardelor DIN.

Materialul folosit pentru racorduri și tipul acestora diferă în funcție de cât de agresive sunt fluidele de lucru sau de natura aplicației respective, [6].

Racordurile pot fi manșoane din cauciuc, același material folosit pentru garnituri, sau manșoane din oțel inox, racordarea efectivă la instalație realizându-se prin flanșe montate direct pe batiu schimbătorului.

Racordurile suplimentare pentru aerisire sau purjare sunt, de obicei, de dimensiuni mai mici decât cele pentru fluidele de lucru.

Fig .2.11. Litere atribuite pentru poziția racordurilor pe batiu

d) Garnituri

Materialul garniturilor este din cauciuc tip EPDM.

Fiecare placă de schimbător este echipată cu o garnitură.

Garniturile asigură etanșeitatea schimbătorului și separă fluidele unul de celălalt.

Fiecare placă are 2 inele și 2 garnituri laterale, cu excepția plăcilor de început care au 4 inele.

Fig.2.12. Model garnitură de etanșare

Garnitura este prevăzută cu o suprafață de pierderi (scurgeri) cu un canal spre exterior, astfel încât dacă partea diagonală se deteriorează scurgerea se face spre exterior și este vizibilă.

Funcționarea acestor canale de scurgere este garantată atât timp cât garnitura nu și-a pierdut forma originală datorită temperaturilor ridicate, sau dacă aceste canale nu s-au obturat cu impurități sau dacă schimbătorul nu a fost strâns peste cota finală.

În general sunt 2 metode de fixare a garniturilor pe plăci:

Fixarea garnituri prin lipire

Se utilizează un adeziv special bicomponent care se aplică în canalul garniturii de pe placă sub forma unui strat uniform, apoi se fixează garnitura și se așteaptă întărirea adezivului.

Garniturile își pierd calitățile în timp și trebuiesc înlocuite. Înlocuirea lor este o operație care necesită atenție,[8].

Fixarea garniturii mecanic, fără lipire

În acest caz garnitura este fixată pe placă prin intermediul unor clipsuri.

Schimbarea garniturii este o operație simplă care se poate face la fața locului.

Ca și în cazul plăcilor, pentru alegerea materialului garniturilor trebuie ținut seama de compoziția fluidelor și de temperaturile la care funcționează schimbătorul.

Materialele standard utilizate pentru garnituri sunt următoarele: NBR, EPDM, FPM, CSM, Chloroprene, Silicone

3. Considerații teoretice privind activitatea de mentenanță

3.1. Activitatea de mentenanță, generalități, clasificare

În general, efectele defectării unui element au consecințe infinit mai mari decât costul elementului. Costul eliminării consecințelor este de mii de ori mai mare decât elementul a cărui defectare a produs evenimentul accidental.

Activitățile de mentenanța pot fi cu caracter

curativ;

preventiv;

corectiv.

Ele pot fi periodice în timp sau cicluri de funcționare sau predictive (oportune) bazate pe criterii obiective privind starea elementului sau sistemului, stare care este evaluată pe bază de monitorizare a solicitărilor (contorizare a acestora), pe bază de teste sau după criterii fizice (componente) care combină valori ale parametrilor esențiali (fizici sau/și chimici) care pe o parte pot fi urmăriți iar de pe altă parte reflectă starea de uzură a echipamentului și permit aprecierea oportunității mentenanței preventive.

Este evident că aplicarea unei strategii de mentenanță preventive oportune este mai rațională decât una de mentenanță preventivă periodică

Mentenanța corectiva este mentenanța executată după apariția unei pene și destinată repunerii mijlocului de producție în starea în care el poate realiza funcția cerută. Mentenanța corectiva cuprinde:

mentenanța de urgență; se execută fără termen după apariția penei, pentru a evita consecințe inacceptabile;

mentenanța amânată; nu se execută imediat după apariția penei, dar este întârziată respectând regulile mentenanței locale.

Mentenanța corectiva se realizează în 4 etape: diagnosticare, reparare, încercare și validare de către client, [3].

O componentă esențială în activitatea de mentenanța este și formarea personalului, care constă în aprofundarea cunoștiințelor în meseria de bază și a aplicațiilor specifice din activitatea de mentenanța pentru mijloacele de producție din perimetrul sau de activitate.

însușirea cunoștiințelor referitoare la tehnologii noi și de utilizare a sistemelor informatice. – Îmbunătățirea cunoștiințelor în domeniul asigurării calității, etc.

O bună activitate de mentenanța nu ar putea fi desfășurata fără activități auxiliare ca:

munca pentru organizare;

activități administrative;

activitățile referitoare la gestiunea magaziilor și a pieselor de schimb;

activitățile legate de alte evenimente (proiecte noi).

3.2. Organizarea funcției de mentenanța

Mentenanța se bazează pe Intervenții asupra mijloacelor de producție structurate pe 5 niveluri:

Nivelul 1: acțiuni simple necesare exploatării și realizate pe intervenții Ia elemente accesibile și deplină siguranța:

supraveghere, conducere;

înlocuire consumabile;

pornire și oprire schimb de lucru;

curățare, completare fluide.

Personalul operator din departamentele de fabricație care asigura intervențiile de nivel 1, după ce i-a fost realizat transferul sarcinilor de către Mentenanța locală. Urmare a acestui transfer, operatorul preia în sarcina să marea majoritate a opririlor normale și funcționale. Aceste intervenții se referă în mod special la opririle scurte.

Nivelul 2: acțiuni care necesita proceduri de utilizare și punere în practică simple:

acțiuni preventive fără gama, controlul performanțelor.

Identificarea cauzelor posibile care au condus la defect prin:

analiza informațiilor furnizate de echipamentele dotate cu softuri;

analiza fazei curente și fazelor următoare folosind evaluarea stărilor fizice și logice ale detectoarelor de proximitate, limitatoarelor de cursă, semnalizărilor aparatajului electric de comandă și protecție, a afișoarelor, a elementelor de execuție electroventile, motoare, a intrărilor ieșirilor automatelor programabile, etc;

schimb de componente prevăzute în acest scop.

Nivelul 3: operații care necesita moduri de operare complexe și de exploatare a dosarului tehnic:

Acțiuni preventive cu gama (document care descrie modul de execuție a acțiunilor de mentenanța),

diagnosticarea plecând de la o metodologie de depănare;

depanarea complexă care impune utilizarea dosarului tehnic;

înlocuirea echipamentelor complexe defecte.

Reîncărcarea programelor/parametrilor în cazul unor manevre care au condus la pierderea acestora, recuperarea/salvarea centralizată a programelor și parametrilor.

Profesioniștii mentenanței locale din departamentul de fabricație care asigura nivelul de intervenții 2 și nivelul de intervenții 3 pentru mentenanța preventivă conform planului stabilit (PMP). Sarcina lor este de a propune și de a participa la activitățile de fiabilizare, reparare, formare și analiza pentru evitarea variațiilor rapide ale sarcinilor și a încărcărilor mijloacelor de producție.

Nivelul 4: operații ale căror proceduri implica stăpânirea unor tehnici și tehnologii speciale

Tehnici speciale: automatizări, sisteme de avertizare, variatoare, robotica, hidraulică, pneumatică:

tehnologii speciale: lipirea, sudura SR.

Specialiștii pe meserii (electronica, automatică, pneumatică, hidraulică, mecanică) din Departamentul de Mentenanța Centrală care realizează intervențiile în automatizări de nivel 3 și 4 în departamentele de fabricație.

Nivelul 5: expertiză, operații de renovare și reconstrucție:

acest nivel este în general realizat de către fabricanți, de către firme specializate pentru realizarea de mijloace de producție complexe, sau de către specialiștii interni stabiliți pentru studii de mijloace de producție.

3.3 Mentenabilitatea produselor

Mentenabilitatea, se poate defini astfel:

– Calitativ: mentenabilitatea reprezintă capacitatea unui produs de a putea fi întreținut și reparat într-o perioadă de timp specificată și în anumite condiții;

– Cantitativ: mentenabilitatea reprezintă probabilitatea ca un produs defect să fie repus în stare de funcționare într-un timp dat, în condiții de întreținere specificate.

Mentenanța reprezintă, în abordarea clasică, totalitatea operațiilor efectuate în scopul menținerii unui sistem în stare de funcționare și cuprinde operațiile de întreținere și reparație. Mentenanța poate avea caracter preventiv sau corectiv, [3].

Reparațiile cu caracter preventiv se clasifică astfel:

– Reparațiile curente (RC) includ activități de curățare, reglaj, repararea și înlocuirea unor componente cu uzură fizică accelerată sau supuse la solicitări puternice. Aceste reparații sunt denumite uneori revizii tehnice.

– Reparațiile mijlocii (RM) sau intermediare au ca obiectiv înlocuirea componentelor cu uzură normală, într-un volum și o amploare ce depășesc reparațiile curente. În unele situații sunt identificate două grade de complexitate în cadrul acestor reparații intermediare (RM1 și RM2).

– Reparațiile capitale (RK) cuprind revizuirea completă a utilajelor, demontarea completă a tuturor părților, verificarea tuturor punctelor ce pot genera căderi, înlocuiri masive a pieselor care sau uzat, ori și-au epuizat, resursa “de funcționare (deci ca durată au funcționat un interval care a atins limita apreciată că rezistență maximă).

Intervalul dintre două reparații capitale consecutive exprimat în ore, poartă numele de ciclu total de funcționare; după cum cel dintre o reparație capitală și una mijlocie este denumit ciclu mediu (figura 3.1).

Fig. 3.1. – Ciclul total de funcționare

4. Studiu de caz.

4.1. Mentenanța schimbătorului de căldură cu plăci din instalația societății Agricolă S.A., Abator păsări, Punctul termic

Prezentarea instalației:

Societatea S.C. Agricola S.A. Bacău are drept obiectiv de activitate procesarea produselor de carne de pasăre.

Aburul tehnologic produs în centrala termică cu ajutorul a doua cazane ignitubulare tip ABA cu parametri 2t/8bar/60m2, combustibil gaze naturale, temperatura aburului săturat 175˚C. Este trimis în spațial punctului termic unde este folosit ca proces tehnologic la obținerea apei calde dar și pentru obținerea aerului cald pentru încălzirea spațiilor auxiliare.

Sala cazane mai este echipată cu un rezervor paralelipipedic cu capacitatea de 2 m3 pentru alimentarea cazanelor, distribuitor de abur, instalație de termoficare cu un schimbător fascicul tubular în formă de U ajutat de un schimbător de căldură cu fascicule tubular cu compensator de dilatare.

Punctul termic din patrimonial societății are drept obiectiv de activitate cu ajutorul celor 2 schimbătoare de căldură cu plăci producerea apei calde menajere pentru spălătoarele de mâini la temperatura de 37°C, a apei calde pentru igienizare la o temperatură de 60°C, dar și pentru menținerea aerului cald introdus într-o încăpere în anumite condiții de temperatură și umiditate la un anumit debit dat.

Apa caldă este distribuita prin conducte către spațiile auxiliare aflate în apropierea punctului termic.

În figura 4.1 avem prezentată imaginea [10] unde se afla punctul termic.

Fig. 4.1. Zona unde se afla punctul termic

Fig. 4.2 Instalație de încălzire apă caldă pentru igienizare și spălătoarele de mâini

Sala punctului termic este echipată cu următoarele echipamente:

distribuitor abur figura 4.3;

Fig.4.3. Distribuitor abur

schimbător de căldură figura 4.4 cu parametrii următori: – 500 Kw, 3 bar, 700 kg/h ;

– 600 Kw, 3 bar, 800 kg/h ;

Fig. 4.4. Schimbător de căldură

vas de expansiune figura 4.5( 600,200 de L) ;

Fig 4.5. Vas de expansiune

boiler de 60°C (volum 9 m3) ;

acumulator ACM 37°C (volum de 5 m3 );

stație dedurizare a apei figura 4.6 tip Lamborghini model PLUS 330E debit mediu 18.000 l/h, dotată cu filtru de impurități, contor de apă, manometru, robineți, rezervor de saramura;

Fig 4.6. Stație dedurizare a apei

Sare tabletă pentru dedurizarea apei figura 4.7;

Fig 4.7. Sare tabletă

stație de ridicare a presiunii figura 4.8 cu parametrii de la 5 la 30 de bari;

Fig 4.8. Stație de ridicare a presiunii

rezervor condens cu V=1,5 m3 ;

pompe de circulație a apei menajere figura 4.9.a și a condensului figura 4.9b

Fig 4.9. Pompe de circulație a apei

oale de condens figura 4.10;

Fig 4.10. Oala de condens

clapetă de sens figura 4.11;

Fig 4.11. Clapetă de sens

robineți izolare și reglaj, manometru figura 4.12;

Fig.4.12. Robineți izolare și reglaj

filtre y figura 4.13;

Fig.4.13. Filtru y

termometre figura 4.14;

Fig.4.14. Termometru

tablou electric cu automatizare figura 4.15;

Fig.4.15. Tablou electric

supape de siguranță figura 4.16;

Fig.4.16. Supape de siguranță

regulator de presiune cu diafragmă pentru abur figura 4.17 cu presiunea de intrare 8 bar și presiunea de ieșire 1,5 bar.

Fig.4.17 regulator de presiune

4.2. Funcționarea echipamentelor din instalația de producere a apei calde menajere

Modulul asigura încălzirea apei menajere într-un schimbător de căldură cu plăci.

Funcționarea modulului este complet automatizata și nu necesită intervenția fochistului.

Temperatura apei calde menajere este menținută permanent la valoarea reglată. Tot ansamblul ce include sistemul hidraulic, sistemul de măsură și sistemul de automatizare este montat pe postament metalic, cu excepția vasului de acumulare.

Pe intrările și ieșirile circuitelor primar și secundar sunt montate vane care permit izolarea completă a circuitelor modulului fata de instalația din punctul termic.

De asemenea este asigurată circulația apei calde menajere intre schimbător și vasul de acumulare.

Sistemul hidraulic.Transferul de căldură intre agentul primar și cel secundar (abur/apa caldă menajera) se realizează în schimbătoarele de căldură cu plăci.

Evacuarea condensului este asigurată prin intermediul unui separator termodinamic de condens.

Pe circuitul secundar de apă caldă menajera (la intrarea în schimbătorul de căldură) sunt instalate filtre de impurități.

Pe circuitul de apă caldă menajera este montată o supapă de siguranța pentru protecția la suprapresiune a circuitului.

Modul de măsurare și control. Modulul este prevăzut cu manometre și termometre pe turul și returul circuitului secundar, necesare pentru urmărirea parametrilor de funcționare și pentru urmărirea căderilor de presiune (parametru ce indica starea de colmatare a schimbătorului de căldură cu plăci).

Sistemul de comandă și automatizare. Sonda de temperatură montată pe turul circuitului secundar de apă caldă menajera măsoară temperatura instantanee a apei și transmite informația regulatorului.

În funcție de temperatură măsurată, regulatorul comanda poziția vanei de reglaj cu 2 cai cu motor electric, montată pe turul circuitului primar, limitând sau mărind astfel debitul agentului primar în schimbătorul de căldură în vederea realizării temperaturii programate a apei calde menajere.

Pe vasul de acumulare este montat un termostat care comanda pornirea și oprirea pompei de circulație asigurând furnizarea apei la temperatura dorită.

Pentru descrierea și funcționarea regulatorului (programare, afișaj, regimuri de lucru, etc.) consultați manualul de întreținere și exploatare al regulatorului.

Pe circuitul secundar este montat un termostat de siguranța.

Motorul de acționare al vanei de reglare are funcție de siguranța, astfel încât la lipsa tensiunii de alimentare sau la depășirea temperaturii fixate la termostatul de siguranța motorul se închide.

Pe tabloul de comandă, sunt semnalizate funcționarea și avaria pompei.

4.3 Schimbătorul de căldură cu plăci din instalația de producere a apei calde menajere din punctul termic

Fig. 4.18. Schimbator de caldura

Schimbătorul de căldură cu plăci figura 4.18 este amplasat în cadrul instalației de producere a apei calde menajere în vecinătatea secțiilor cu utilajele de procesare a cărnii de pasăre.

Apa de alimentare a abatorului este acumulată în două bazine de 3500 m3 și provine din rețeaua de apă potabilă a orașului, apa este trimisă în spațiul punctului termic prin intermediul a două pompe la o presiune de 5 bar (figura 4.19), unde ajunge în instalația de tratare a apei apoi în schimbătorul cu plăci. Aici apa este încălzită de aburul tehnologic trimis din centrală termică a abatorului unde intră în schimbător contra apei reci.

Fig. 4.19. Pompa centrifuga

Aburul ajunge în schimbător în partea superioară prin ventilul de reglare filtrul y de impurități, regulator de presiune, ventil electromecanic, ventil de izolare, schimbător, și iese prin ventil de izolare, oală de condens și ajunge în rezervorul de condens de unde este trimis în centrală termică.

Apa este pompată din stația de pompe, trece prin filtrele de dedurizare intra prin partea de jos a schimbătorului, unde șocurile de presiune a apei sunt amortizate de vasul de expansiune, iese prin partea superioară, unde ajunge într-un colector și este transmisă cu cele două pompe în cele două boilere de apă caldă unde cu ajutorul pompelor de ridicare a presiunii este trimisă în secție.

Parametrii de funcționare a schimbătorului de căldură cu plăci din instalatia studiata in tabelul 4.1.

Tabel. 4.1. Parametrii de funcționare ai schimbătorului de căldură cu plăci

4.4. Activități de mentenanța preventiva pentru schimbătorul de căldură cu plăci din punctul termic al S.C. Agricola S.A.

Curățarea poate fi realizată prin procedee chimice sau manual.

Cauza principală a scoaterii din funcțiune a instalațiilor o reprezintă defectarea schimbătoarelor de căldură (circa 36% din incidentele funcționale).

Revizia schimbătoarelor de căldură are caracter periodic și constă în revizia internă și proba de presiune. Revizia interna se efectuează după demontarea și curățarea aparatului.

4.4.1. Operații de mentenanța preventivă a schimbătorului de căldură cu plăci din punctul termic al societății S.C. Agricola S.A.

Fluidele care prezintă un pericol pentru oameni sau pentru mediu trebuie depozitate în containere adecvate.

Fig.4.20. Slăbirea tiranților

Racordurile de pe placa mobilă a batiului ca și cele de pe plăcile intermediare trebuiesc demontate.

De asemenea trebuie măsurată și notată cota de strângere actuală.

Slăbirea tiraniilor se va face în ordinea indicată în figura 4.20, treptat, astfel încât placa mobilă să nu aibă o înclinație mai mare de 10 mm

Verificarea plăcilor

Uzura plăcilor poate fi verificată vizual, ca și eventualele defecte cum ar fi zgârieturi, deformări sau coroziune.

Pentru a verifica dacă au apărut fisuri în plăci se poate proceda în 2 moduri.

Cu schimbătorul montat în instalație, un circuit se umple cu fluid, iar celălalt se golește.

Dacă pe circuitul plin apar scăderi de presiune și nu se observă scurgeri spre exterior, rezultă că cel puțin o placă este fisurată.

De asemenea se poate utiliza o metodă cu lichide sau pulberi penetrante pentru a găsi eventualele fisuri de pe plăci.

Verificarea garniturilor

Garniturile pot fi verificate vizual pentru a determina dacă sunt deformate sau nu sunt fixate/lipite corect în canalul de pe placă.

Durata de viață a garniturilor depinde de numeroși factori. Dintre aceștia menționăm mai jos:

funcționarea continuă sau discontinuă a schimbătorului

presiunea maximă de funcționare

temperatura maximă sau minimă de funcționare

schimbări în regimul de presiuni și temperaturi

compoziția fluidelor vehiculate ca și soluțiile de spălare

stres mecanic datorat strângerii incorecte a schimbătorului

Înlocuirea garniturilor

Garniturile fixate mecanic se pot înlocui foarte ușor după demontarea schimbătorului de căldură.

Înainte de reasamblarea schimbătorului, este important să se verifice ca, pe sau sub garnitură și în canalul de pe placă să nu fie impurități care pot deteriora garnitura sau care conduc la neetanșeitate.

Pentru înlocuirea garniturilor fixate prin lipire se vor respecta instrucțiunile respective care se livrează odată cu garniturile sau separat, la cerere.

Asamblarea schimbătorului de căldură cu plăci

Plăcile se vor remonta în schimbător în ordinea inițială și se vor respecta nervurațiile, orientarea racordurilor și a plăcilor (toate plăcile sunt montate cu garnitură spre placa fixă a batiului și fiecare a doua placă este întoarsă cu 180°).

Tiranții schimbătorului se vor strânge în ordine inversă ca la desfacere, urmărind figura 4.21 de mai jos.

Fig.4.21. Strângerea tiranților

Cele două plăci ale batiului se vor apropia prin strângere păstrându-le paralele (înclinația maximă admisă este 10 mm).

Schimbătorul nu se va strânge mai mult decât este necesar pentru a nu scurta durată de viață a garniturilor.

4.4.2. Identificarea defectelor

Schimbătorul de căldură cu plăci de la punctul termic al societății S.C. Agricola S.A. a fost monitorizat pe o perioadă de un an de zile. Pe durata studiului s-au identificat diferite defecte care au apărut din cauza factorilor interni și/sau externi și care au fost centralizate în tabele 4.2, 4.3, 4.4.

Tabelul 4.2. Scurgeri spre exterior

Tabelul 4.3. Amestecare fluide/scurgeri interne

Tabelul 4.4. Probleme cu performanțele termice

4.4.3. Corectarea defectelor

Datorită randamentului scăzut al schimbătorului la un interval de 3 luni schimbătorul, necesita o curățare. În urma demontării schimbătorului s-a observat depuneri de calcar aproximativ 40% din suprafața plăcii de trecere a apei în schimbătorul cu plăci. Cauzele și efectele depunerilor se datorează durității apei de alimentare a schimbătorului.

Pe partea suprafeței de circulație a aburului s-a constatat că placa este fără depuneri deci aburul are lipsuri de suspensii de calciu și magneziu.

Datorită depunerilor din schimbător ne fiind circulație de apă temperatura în schimbător crește la o valoare ridicată ceea ce uzura garniturilor duce la o îmbătrânire rapidă. Îmbătrânirea garniturilor manifestându-se prin pierderea elasticității devenind dure, pierde forma originală, deci etanșeitatea nu mai are loc și rezultă scurgeri de apă sau abur.

Fig 4.22. Depuneri dure datorită temperaturilor mari

În figura 4.22 observăm că depunerile încep să se depună lângă orificiul intrare-abur în schimbător ceea ce duce la reducerea zonei de distribuție pe placa a apei.

Un alta defect s-a constatat că oală de condens de pe circuitul abur-schimbător rezervor condens, a rămas blocată, deci condensul nu mai era eliminat din schimbător.

O altă defecțiune s-a constatat strângerea tiranților peste cota minimă de strângere a schimbătorului cu plăci ceea ce a dus la un debit scăzut de apă și nerealizarea suficientă a alimentarii acumulatorului pentru consumul de igienizare.

4.4.4. Evidenta reparațiilor

Datorită faptului că procesul tehnologic impune o funcționare continua a instalației este destul de dificil de realizat o programare a intervențiilor pentru schimbătorul de căldură cu plăci.

În funcție de situație, următoarele operații trebuiesc efectuate:

în caz de scurgeri, aparatul trebuie strâns suplimentar;

dacă scurgerea persistă după strângerea suplimentară a schimbătorului trebuiesc cercetate alte căușe;

dacă schimbătorul a fost strâns până la cota finală și scurgerile persistă, atunci trebuie înlocuite garniturile;

pentru schimbătoarele de căldură care sunt în funcțiune de mult timp se recomandă înlocuirea întregului set de garnituri, nu numai garnitura defect;

tiranții ca și suprafața de contact între piulițe și șaibe trebuie gresată înainte de restrângerea schimbătorului de căldură;

dacă se constată reducerea performanțelor termice sau creșterea pierderii de presiune atunci schimbătorul de căldură trebuie curățat.

5. Concluzii

Din monitorizarea schimbătorului de căldură din instalația punctului termic al societății S.C. Agricola S.A. de producere a apei calde menajere pe parcursul unui an s-a constatat că principalele cauze care au condus la defectarea schimbătorului de căldură sunt:

depuneri dure datorită temperaturilor mari;

modificarea debitului de apă;

șocuri de presiune;

variații de presiune;

îmbătrânirea garniturilor prin sfârșitul duratei de viață;

defecte de măsurare a temperaturii din cauza montării defectuoase a termometrelor;

personalul de întreținere are cunoștință de apariție a defectelor fără a lua măsuri pentru înlăturarea lor;

consumul de apă caldă este mai mare decât cel pentru care a fost dimensionat boilerul;

scurgeri intre placi datorită garniturilor;

strângerea peste cota finală a plăcilor.

6. Bibliografie

[1] Badea, A., Necula, H. Schimǎtoare de cǎldurǎ. Editura AGIR, 2000.

[2] Badea, A. ș.a. Echipamente si Instalatii Termice, Editura Tehnica, Bucuresti, 2003.

[3] B.C. nr. 11/2000, Manual de specificații privind instalarea exploatarea și mentenanța schimbătoarelor de căldură din instalații, Elaborator: I.N.C.E.R.C.

[4] Georgiadis M.C., Papageorgiu L.G., and Macchietto S., 2000, Optimal cleaning policies in heat exchanger networks under rapid fouling, Ind&Engng Chem Res

[5] Avram V., Caliman R., Olaru I., Schimbătoare de căldură, Editura Alma-Mater.

[6] Jinescu V., Utilaj tehnologic pentru industrii de proces (Vol III) – Aparate si masini pentru industrii de proces, Editura Tehnica , Bucuresti, 1988.

[7] Hâzi A., Instalații termoenergetice, Editura Alma Mater, Bacău, 2002.

[8] Popa B., Vintila C., Termotehnica și mașini termice, Editura Didactică și pedagogică, București.

[9] Popa B., ș.a –Schimbatoare de caldura industriale, Editura Tehnica,Bucuresti, 1977.

[10]*** https://www.google.ro/maps/