Schimbătoare de Căldură

4.1. Tipuri constructive de schimbătoare de căldură

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.

Clasificarea schimbătoarelor de căldură

1. După principiul de funcţionare, schimbătoarele de căldură pot fi împărţite în trei categorii: recuperatoare, regeneratoare sau prin amestec.

Fig. 4.1

În cele recuperatoare fluidul cald şi cel rece circulă simultan prin aparat, iar căldura este transferată printr-un perete care separă fluidele. Cele mai întălnite schimbătoare de acest tip în industrie sunt generatoarele de abur, racitoare de apă (radiatoare), condesatoarele pentru diferite substanţe, etc.

În cele regeneratoare, aceeaşi suprafaţă de schimb de căldură este expusă alternativ fluidului cald şi rece, căldura preluată de la agentul cald fiind acumulată în pereţii aparatului şi cedată apoi agentului rece, cum sunt aparatele cu umplutură metalică sau ceramică.

Atât recuperatoarele, cât şi regeneratoarele sunt schimbătoare de căldură la care transferul se face indirect, prin intermediul unui perete (care are o anumită suprafaţă finită) şi de aceea se mai numesc şi schimbătoare de căldură de suprafaţă.

La schimbătoarele de amestec procesul de schimb de căldură se realizează prin contactul direct şi amestecarea fluidului cald cu cel rece, rezultând un singur fluid cu proprietăţi termice medii între cei doi agenţi disponibili iniţial. Schimbătoare de acest tip sunt turnurile de răcire, degazoarele, unele condensatoare, etc.

Dintre aceste trei tipuri de schimbătoare, cele de primul tip, adică recuperatoarele sunt cele mai răspândite. Ele se realizează într-o gamă largă de soluţii constructive, de la cel mai simplu aparat tip ţeavă în ţeavă (fig.4.1), până la unităţi complexe, cu suprafeţe de schimb extinse la mii de metri pătraţi. Dintre soluţiile constructive cea mai des întâlnită în practică este cea cu ţevi în manta (fig. 4.2), care asigură o bună compactitate, poate rezova probleme de schimb de orice tip (încălziri / răciri, vaporizări, condensări), iar tehnologia de execuţie pe care o reclamă este destul de accesibilă şi relativ ieftină.

Fig. 4.2

O soluţie constructivă deosebită este prezentată în fig. 4.3, unde prin montarea ţevilor de aducţiune în interiorul altor ţevi închise la capăt se dublează suprafaţa de schimb de căldură, fără ca gabaritul aparatului să crească prea mult.

Fig. 4.3

Pe lângă această soluţie constructivă, pentru problema răcirii apei sau a uleiului (care la rândul lor se utilizează ca agenţi de răcire pentru diverse aparate şi agregate, cum ar fi motoarele cu ardere internă, turbinele, transformatoarele electrice) a fost dezvoltat un tip constructiv de schimbător în care agentul cald este răcit cu aerul provenit de la un ventilator sau de la o suflantă. Deoarece pe partea aerului, coeficienţii de schimb de căldură care se pot realiza sunt mult mai mici decât cei care se realizează pe partea apei, suprafaţa de schimb de căldură de pe partea aerului trebuie mărită, adică extinsă cu ajutorul unor nervuri sau aripioare. Acest tip constructiv de schimbător de căldură se numeşte, oarecum impropriu, radiator (fig. 4.4). Spunem “impropriu”, deoarece schimbul de căldură care are loc între cei doi agenţi nu se face preponderent prin radiaţie, aşa cum ar putea sugera numele aparatului, ci se face preponderent prin convecţie, iar aparatul ar trebui să se numească mai degrabă convector.

Fig. 4.4

2. După felul în care se desfăşoară procesul în timp, pot exista schimbătoare cu acţiune continuă (fig. 4.5 b, c) , la care schimbul de căldură se realizează la un regim termic permanent (sau stabilizat), şi aparate cu acţiune discontinuă (fig. 4.5 a) la care transferul de căldură are loc intermitent (aparate acumulatoare, în care căldura este înmagazinată când este disponibilă şi livrată apoi la cerere) sau periodic (la aparatele regeneratoare care presupun trecerea succesivă a agenţilor prin aparat).