Dimensionarea tehnologică a schimbătoarelor de căldură

Tema constă în proiectarea unui utilaj de tip schimbător de caldură.

Scopul utilajului este de a răci un debit de fluid tehnologic -glicerina- folosind ca agent termic apa.

Schematizat, un schimbător de căldură constă din două compartimente separate de un perete, prin fiecare circulând câte un fluid. Prin peretele despărțitor are loc transferul căldurii de la fluidul cald la cel rece. În timpul circulației fluidelor prin cele două compartimente, temperatura lor variază, unul încălzindu-se, celălalt răcindu-se.

În Figura. 1. se poate observa schema schimbătorului de căldură ce se dorește a fi proiectat. Explicitarea notațiilor este următoarea:

G1 - debit agent termic;

G2 - debit fluid tehnologic;

ti, te - temperaturile de intrare, respectiv de ieșire.

Figura. 1. Schema schimbatorului de caldură

Date de proiectare

1. Fluidul ce se doreste racit: glicerina;

2. Agent de răcire: apa;

3. Debit de alimentare glicerina: 300kmol/h;

4. Date de operare ale temperaturilor:

- ti,1=20°C (temperatura de intrare a apei);

- te,1=35°C (temperatura de ieșire a apei);

- ti,2=300°C (temperatura de intrare a glicerinei);

- te,2=150°C (temperatura de ieșire a glicerinei).

2. Schimbătoare de căldură

2.1. Aspecte generale

Schimbătoarele de căldură reprezintă aparate care au drept scop transferul de căldură de la un fluid la altul în procese de încălzire, răcire, fierbere, condensare sau în alte procese termice în care sunt prezente două sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.

Exemple comune de schimbatoare de caldură sunt radiatoarele autovehiculelor, condensatoarele, evaporatoarele și răcitoarele de ulei.

Din punct de vedere funcțional, numărul lor este foarte mare (ex.: preîncălzitoare de apă sau aer, răcitoare de ulei, distilatoare, vaporizatoare, condensatoare, radiatoare, etc.), însă principiul de funcționare este același și anume transferul de căldură de la un fluid la altul prin intermediul unui perete despărțitor. Transmiterea caldurii între agentii termici se poate realiza în condițiile schimbării stării de agregare a acestora sau fară schimbarea stării de agregare.

În cazul acestui de tip de utilaj, soluțiile contructive sunt foarte diverse și este influențată de mai mulți factori:

- cantitatea de caldură transmisă;

- parametrii termodinamici (temperatură, presiunea, volumele și starea de agregare a agenților termici utilizați);

- proprietățile fizico-chimice, densitatea, viscozitatea;

- agresivitatea agenților termici față de materialul de construcție;

- gradul de impurități al agentului termic și caracterul depunerilor;

- proprietățile materialului din care sunt realizate schimbătoarele;

- destinația aparatului și procesele care au loc în el;

- tensiunile care apar ca rezultat al acțiunii presiunii agenților termici ca si diferența în dilatările termice ale diferitelor elemente componente, ale SC.

2.2. Clasificarea schimbătoarelor de căldură

Având în vedere particularitățile multiple din punct de vedere funcțional și constructiv, este necesară existența unei clasificări cât mai clare. În urma acestei clasificări se va vedea varietatea de tipuri de schimbătoare de căldură existente, de unde și problemele ce apar în alegerea potrivită.

După modul de transmitere a căldurii, SC pot fi împărțite în două grupe: aparate de suprafață și aparate de amestec. În primul caz, agenții termici (primar și secundar) sunt despărțiti printr-un perete dintr-un material bun conductor de căldură, prin care se transmite căldura. La schimbătoarele de căldură de amestec, agenții termici se amestecă direct unul cu celălalt, amestecarea fiind însoțită de o transmitere a căldurii de la un agent la altul.

Schimbătoarele de căldură de suprafață pot fi împărțite în următoarele clase