Dimensionarea unui schimbător de căldură a sucului de struguri cu solă

Schimbătorul de căldură este un aparat care realizează transferul de căldură dintre două medii și în diferite procese.

Transmiterea căldurii între cele două medii se poate face printr-un perete solid, care le separă, sau se poate face prin amestecarea mediilor. Dacă mediile sunt în contact cu peretele despărțitor pe fețe diferite, căldura trecând prin perete, schimbătorul este de tip recuperativ, iar dacă mediile sunt în contact succesiv cu aceeași față a peretelui, căldura acumulându-se în perete și fiind cedată celuilalt mediu ulterior, schimbătorul este de tip regenerativ. Transferul de căldură are loc întotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.

Schimbătoarele de căldură se folosesc în procese de încălzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, răcire și solidificare. Ele își găsesc o largă aplicabilitate în instalațiile de încălzire, refrigerare, climatizare, distilare (în industria chimică și petrochimică), în centralele termice, termoficare și ca anexe ale mașinilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de răcire a motorului) transferă o parte din căldura evacuată din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant).

După modul de transfer termic schimbătoarele se împart în schimbătoare de suprafață, la care transmiterea căldurii se face printr-un perete despărțitor, considerată suprafață de separație, cu o conductivitate termică cât mai mare și schimbătoare prin amestec, la care transmiterea căldurii se face prin amestecul mediilor. Deoarece sunt mai simple și mai eficiente, schimbătoarele prin amestec sunt preferate în toate cazurile în care fluidele se pot amesteca.

Transferul termic poate fi staționar în timp (continuu) sau nestaționar (periodic). Cele cu transfer continuu sunt realizate de obicei cu suprafață de separație și sunt numite recuperatoare, iar cele cu transfer nestaționar acumulează căldura într-o perioadă de timp și o restituie în alta, fiind numite regeneratoare. Un alt tip de schimbătoare de căldură nestaționare sunt acumulatoarele, în care căldura este acumulată și livrată apoi la cerere.

Suprafața de schimb de căldură poate fi realizată din țevi în fascicul tubular, de tip „țeavă în țeavă”, din țevi în formă de serpentină sau din plăci profilate. Suprafața poate să fie netedă sau cu nervuri, aripioare (suprafețe extinse). De-a lungul suprafeței, fluidele pot curge în același sens, caz în care se spune că curg în echicurent, sau în sensuri contrare, caz în care se spune că curg în contracurent. Există și scheme de curgere complexe, cum sunt curgerile în curent încrucișat, în care cele două fluide curg perpendicular unul pe altul, cu amestecarea șuvițelor de fluid pe partea respectivă a suprafeței (curgere amestecată) sau fără amestecarea lor (curgere neamestecată), și scheme mixte, cu una sau mai multe treceri.

Simbolurile folosite în schemele termice care conțin schimbătoare de căldură erau standardizate conform STAS 2644-73, însă în 2009 acest standard a fost anulat, fără a fi înlocuit de un altul.

Pentru schimbătoarele de căldură, mai puțin cele de amestec, se pot efectua următoarele calcule termice: calculul de proiectare, calculul de verificare (alegere) și calculul regimului de funcționare.

- Calculul de proiectare se efectuează la proiectarea schimbătorului de căldură și urmărește determinarea suprafeței de transfer de căldură.

- Calculul de verificare (alegere) se aplică în cazul în care suprafața de schimb termic este dată, mărimile necunoscute fiind debitele sau două temperaturi ale agenților termici. Acest tip de calcul se aplică cu ocazia alegerii unui schimbător de căldură disponibil în vederea unei anumite utilizări.

- Calculul regimului de funcționare urmărește stabilirea concordanței dintre regimurile de funcționare de proiect și cele de exploatare și caracteristicile reglajului aparatului. Mărimile necunoscute sunt unul dintre cele două debite și una dintre cele patru temperaturi ale agenților termici.

Tema de proiectare

Sa se dimensioneze un schimbator de caldura multitubular pentru racirea sucului de struguri de la temperatura de 15°C la -3°C folosind ca agent de racire sola cu temperatura de intrare -15°C ce se incalzeste pana la -5°. Debitul de suc supus racirii este 0.1 kg/s.