BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă [607632]

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
20
2. Caracteristici constructiv -funcționale
ale schimbătoarelor de căldură

2.1. Caracteristicile constructive ale schimbătoarelor de căldură

Un schimbător de căldură este un echipament de transfer termic, care trasmite
căldura de la un mediu la altul. Transferul căldurii între cele două medii se poate face
printr -un perete solid, care le separă, sau se poate face prin amestecarea mediilor.
Qcedat=Qprimit

2.1.1. Sa realizat clasificarea schimb ătoarelor de căldură in funcție de criteriile
de clasificare conform [1]:

A. Clasificarea în funcție de modul de realizare al transferului de căldură ;

Din această categorie fac parte două tipuri de schimbătoare de căldură , cu
contact indirect al mediilor și contact direct al acestora.
Schimbătoarele de căldură cu contact indirect sunt aparate la care cei doi agenți
termici nu vin în contact direct ei fiind despărțiți de o suprafață de schimb de căldură
cu care vin în conta ct permanent sau periodic.
Dacă cele două fluide vin în contact permanent cu suprafața de schimb de
căldură, fluxul termic prin aceasta fiind unidirecțional, schimbătorul de căldură este
de tip recuperativ. Din această categorie fac parte schimbătoarele d e căldură țeava
în țeavă (figura 2.1.1.).
Din categoria schimbătoarelor de căldură cu contact indirect face parte și
schimbătorul de căldură cu strat fluidizat, la care transferul de căldură are loc între
un fluid și un material solid care se deplasează s ub forma unui strat fluidizat pe
lângă suprafața de schimb de căldură (figura 2.1.2.). Fluidizarea se realizează prin
insuflarea unui gaz (de obicei aer) peste materialul solid granulat.

Figura 2.1. Schimbător de căldură țeavă în țeavă

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
21
Figura 2.2. Schimbător de căldură cu strat fluidizat
Schimbătoarele de căldură cu contact direct sunt aparate la care mediile nu mai
sunt separați de o suprafață, ele amestecându -se unul cu celălalt. Ele pot fi
echipamente fără umplutură la care transferul de că ldură se realizează la suprafața
fluidului pulverizat în picături fine sau care curge în șuvițe (figura 2.1.3.A.) sau
echipamente cu umplutură la care transferul termic apare la suprafața unei pelicule
formate pe umplutura schi mbătorului (figura 2.1.3.B.).

Figura 2.3 . Schimbătoare de căldură cu contact direct
A) fără umplutură; B) cu umplutură

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
22
B. Clasificare în funcție de modul constructiv:
În cadrul acesteia sunt două tipuri de schimbătoare, cele recuperative și cele
regenerative(figura 2.1.4.).

Figura 2.4. Clasificare în funcție de modurile constructive

C. Clasificarea în funcție de starea de aggregate a agenților termici ;
În funcție de acest criteriu se pot distinge 3 astfel de echipamente:
 Echipamente fără schimbarea stării de agregare a agentului termic;
 Echipamente cu schimbarea stării de agregare a unui agent termic;
 Echipamente cu schimbarea stării de agregare a ambilor agenți termici;
D. Clasificarea în funcție de compactitatea aparatului ;
Compactitatea unui schimbător de căldură se definește ca f iind raportul dintre
suprafață sa de schimb de căldură și volumul sau, în funcție de acest criteriu avem
2 tipuri de schimbătoare de căldură:
 Schimbătoare compacte (compactitatea mai mare de 700 m2/m3);
 Schimbătoare necompacte (compactitatea mai mică de 70 0 m2/m3);

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
23
E. Clasificarea în funcție de modul de realizare a curgerii ;
Curgerea a fluidelor în echipamentele de schimb de căldură se poate realiza în
mai multe moduri: echicurent, contracurent, curent încrucișat și current compus.

Figura 2.5. Tipuri principale de curgere
a) Contracurent; b) echivalent; c) current încrucișat ambele fluide amestecate;
d) current încrucișat un fluid amestecat și celălalt neamestecat;;
e) current încrucișat ambele fluide neamestecate;

F. Clasificarea în funcție de destinație ;
Schimbătoarele de căldură sunt utilizate în multiple scopuri, în funcție de
acestea întâlnim: preîncălzitoare; răcitoare; vaporizatoare; generatoare de vapori;
răcitoare frigorifice; condensatoare; boilere etc.
G. Clasificarea în funcție de material ;
Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt metalice, având suprafața de
schimb de căldură realizată din fonta, oțel, cupru, alamă, oțel inoxidabil, titan,
e.t.c.
Se mai pot întâlni însă și schimbătoare de căldură din material nemetalice
cum sunt cele ceramice, din sticlă, din grafit sau din material plastic.

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
24
2.1.2. Elemente constructive ale schimbătorului de căldură cu manta și țevi ;
Cele mai răspândite schimbătoare de căldură sunt cele cu țeavi și manta,
datorită simplității sale constructive, fiabilității ridicate și costului relative scăzut, chiar
dacă în ultimii ani creșterea pieței mondiale de astfel de aparate a scăzut, ea
reprezintă cel puțin 60 -80% din piața schimbătoarelor de căldură.

Figura 2.6. Schema constructiv ă de principiu a unui
schimbător de caldură cu fascicul tubular

Clasificarea constructivă a schimbătoarelor cu țevi și manta, care și -a găsit
cea mai largă răspândire, este cea propusă de Asociația Constructorilor de
Schimbătoare de Căldură Tubulare TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers
Asociation). Ea clasifică cu litere aceste aparate în funcție de trei criterii: construcția
capacului de distribuție fix al aparatului; construcția și modul de circulație al agentului
termic în spațiul dintre țevi și ma nta și tipul capacului de capăt.

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
25
2.1.1. Alegerea principalelor elemente constructive

Alegerea principalelor elemente constructive ale aparatului se face în funcție
de diverse criterii și restricții tehnologice sau constructive în cele ce urmează
prezentându -se câteva recomandări generale.
a) Alegerea tipului de manta
Cel mai eficient și utilizat tip de manta este cel cu o singură trecere (TEMAE),
deoarece diferența de temperatură între agenții termici este foarte ridicată (factorul de
corecție F este maxim). Atunci când avem un număr mare de treceri pe partea de țevi
și factorul de corecție F scade, în loc să se crească la două aparate tip E în serie se
poate utiliza un schimbător cu două treceri prin manta (TEMAF), deși prezența șicane i
longitudinale poate produce scurgeri importante de fluid pe lângă șicană și înrăutățirea
coeficientului de transfer convectiv în această zonă.
Dacă pierderea de presiune pe partea mantalei trebuie redusă se poate utiliza
o mantă cu curgere dirijată (TEMA J), la care pierderile de presiune sunt de circa 8 ori
mai mici decât la o mantă tip TEMAE, reducându -se însă eficiența termică a aparatului.
Pierderile de presiune la mantalele cu două treceri (TEMAF) sunt de circa 8 ori
mai mari ca în cazul unei singure treceri. Dacă se dorește reducerea acestor pierderi
cu păstrarea unei duble treceri se pot adopta schemele cu curgere separată simplă
sau dublă (TEMA G și H), cu reducerea însă a factorului de corecție al diferenței medii
de temperatură F.
În cazul curgeri i încrucișate fără șicane interioare (TEMAX) se pot obține cele
mai mici pierderi de presiune. Acest tip de manta se poate utiliza pentru condensarea
vaporilor. cu presiune coborâtă.
Diametrul mantalei poate varia în limite largi precum sunt prezentate în tabelele
2.1 și 2.2. În aceste tabele sunt date privint diametrele și grosimea peretelui mantalelor
în cazul schimbătoarelor cu plăci tubulare fixe (tabelul 2.1.) sau cu cap mobil (tabelul
2.2).

BANIȚĂ Costică Gabriel Proiect de diplomă
26
Tabelul 2.1. Dimensiuni recomandate pentru manta pentru
schimbătoarele de căldură cu plăci tubulare fixe

Tabelul 2.2 Dimensiuni recomandate pentru manta pentru
schimbătoarele de căldură cu plăci tubulare mobile