Schimbător de căldură

I.Enunț:

Să se dimensioneze din punct de vedere tehnologic un schimbător de căldură pentru încălzirea laptelui .

II.Date:

N=6

• Debitul de lapte: (3000+100·N)/3600 kg/s

• Temperatura de intrare a laptelui în schimbătorul de căldură: 20°C

• Temperatura de ieșire a laptelui din schimbătorul de căldură: (85+0.5N)°C

• Debitul de solutie: 1 Kg/s

• Temperatura de intrare a laptelui în schimbătorul de căldură: 20 °C

• Temperatura de ieșire a laptelui din schimbătorul de căldură: 88 °C

• Agentul termic utilizat: abur saturat cu: - temperatura 120 °C

• Proprietătile apei la temperatura medie:

• Proprietățile laptelui la temperatură medie:

• Proprietăți abur (pentru 120oC):

III.Generalități:

Schimbătoarele de căldura sunt aparate în care are loc transferul căldurii de la un

fluid cu o temperatură mai ridicată (agentul termic primar), către un fluid cu o temperatură

mai coborată (agentul termic secundar), în procese de încălzire, răcire, condensare,

vaporizare sau procese termice complexe.

Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt aparate în care sunt delimitate două spații pentru circulația celor două substanțe participante la schimbul de căldură. Peretele care desparte cele două spații este suprafața de transmitere a căldurii.

Un schimbător de căldură trebuie să realizeze un schimb cât mai intens de căldură. Schimbătoarele de căldură propriu-zise se clasifică în două grupe:

- recuperatoare, în care schimbul de căldură se face de la fluidul cald la fluidul rece, printr-un perete despărtitor, în regim staționar.

- regeneratoare, în care schimbul de căldură se face prin intermediul unui solid care inmaganizează căldura de la fluidul cald și o cedează apoi fluidului rece, în regim nestaționar.

Clasificarea schimbătoarelor de căldură

Pentru clasificarea schimbătoarelor de căldură se pot avea în vedere mai multe criterii:

a) Clasificarea în funcție de modul de realizare al transferului de căldură

Din acest punct de vedere schimbătoarele de căldură se împart în două mari grupe: aparate cu contact indirect și aparate cu contact direct.

Schimbătoarele cu contact indirect (de suprafață) 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 contact 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.

Acest tip de aparat este cel mai răspândit el putând fi realizat în numeroase variante constructive. Dacă agenții termici vin în contact alternativ cu suprafața de transfer de căldură, fluxul termic schimbându-și periodic direcția, schimbătorul de căldură este de tip regenerativ. Aparatele regenerative pot fi realizate cu suprafață fixă sau rotativă.

Din categoria schimbătoarelor de căldură cu contact indirect face parte ți schimbătorul de căldură cu strat fluidizat, la care transferul de căldură are loc între un fluid și un material solid care se deplasează sub forma unui strat fluidizat pe lângă suprafața de schimb de căldură. Fluidizarea se realizează prin insuflarea unui gaz (de obicei aer) peste materialul solid granulat.

Schimbătoarele de căldură cu contact direct sunt aparate la care agenții termici nu mai sunt separați de o suprafață, ei amestecându-se unul cu celalalt. Ele pot fi aparate fără umplutură la care transferul de căldură se realizează la suprafața fluidului pulverizat in picături fine sau care curge în suvițe sau aparate cu umplutură la care transferul termic apare la suprafața unei pelicule formate pe umplutura schimbatorului.

b) Clasificarea în funcție de starea de agregare a agentului termic

Se pot distinge în funcție de acest criteriu:

-aparate fără schimbarea stării de agregare a agentului termic

-aparate cu schimbarea stării de agregare a agentului termic

c) Clasificarea in functie de compactitatea aparatului

Compactitatea unui schimbător de căldură este caracterizată de raportul între suprafața sa de schimb de căldură și volumul său. În funcție de acest criteriu distingem:

-schimbătoare compacte (compactitatea mai mare de 700 m2/m3)

-schimbătoare necompacte (compactitatea mai mica de 700 m2/m3)

d) Clasificarea în funcție de modul de realizare a curgerii

Curgerea fluidelor în aparatele de schimb de căldură se poate realiza în patru moduri distincte:

- echicurent

- contracurent

- curent incrucisat

- curent compus

Curgerea în contracurent presupune că cele două fluide circulă pe lângă suprafața de schimb de căldură paralel și în sensuri contrarii. Curgerea în contracurent asigură cea mai mare diferență medie de temperatură între fluide, însă temperatura peretelui la intrarea fluidului cald este maximă.

Curgerea în echicurent apare în cazul circulației fluidelor, paralel și în același sens, pe lângă suprafața de transfer de căldură. Acest tip de curgere realizează cea mai mică diferență medie de temperatură.

Circulația în curent încrucițat presupune curgerea perpendiculară a celor două fluide. În acest caz se pot distinge trei situații: ambele fluide amestecate, un fluid amestecat și celălalt neamestecat, ambele fluide neamestecate.

Un fluid se numește 'amestecat' atunci cand în orice plan normal pe direcția sa de curgere are aceeași temperatura, deci temperatura sa variaza numai în lungul curgerii. În cazul fluidului 'neamestecat' există o diferență de temperatură și în direcția normală la curgere.