Operații Unitare

SCHIMBĂTOARE DE CALDURĂ

Aparatele termice folosite în industria chimică servesc la realizarea unor operaţii însoţite de trecerea căldurii de la un loc la altul, de la o materie la alta: ele sunt schimbătoare de caldură.

Denumirea aparatului Scheme de principiu Scopul

Schimbător de căldură propriu-zis sau recuperator Fluid cald de răcit Fluid rece de încălzit Încălzirea fluidului rece. Răcirea fluidului cald

Preîncălzitor Fluid cald care se răceşte Fluid rece de încălzit Încălzirea fluidului rece

Răcitor Fluid cald de răcit Fluid rece care se încălzeşte Răcirea fluidului cald

Radiator Abur sau apă caldă care se răceşte Aer de încălzit Încălzirea aerului

Cazan de abur Gaze de ardere calde care se răcesc Lichid în fierbere de transformat în vapori Obţinerea vaporilor (aburilor)

Vaporizatorul instalaţiilor frigorifice Fluid de răcit Lichid care se vaporizează Răcirea fluidului

Uscător Aer care se răceşte şi se umezeşte Lichid (apă) de vaporizat Uscarea materialelor

Turn de răcire Apă caldă de răcit Apă care se umezeşte Răcirea apei calde

Condensator de suprafaţă Abur care se condensează Apă rece care se încălzeşte Condensarea vaporilor

Condensator de amestec Abur care se condesează Apă rece care se încalzeşte Condensarea vaporilor

Evaporator Abur care se condensează Lichid (soluţie) vaporizat (concentrat) Concentrarea lichidului (soluţie)

Coloană de rectificare Vapori grei de condensat Lichid volatil de vaporizat Separarea unui amestec lichid prin diferenţa de volatilitate

Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt aparate în care sunt delimitate două spaţii pentru circulaţia celor două substanţe participante la schimbul de căldură. Peretele care desparte cele două spaţii este suprafaţa de transmitere a căldurii sau suprafaţa de încălzire (ori de răcire). Uneori suprafaţa desparţitoare nu există, schimbul de căldură între substanţe făcându-se prin contact direct. Dacă în aceste din urmă cazuri, ambele substanţe sunt fluide şi formează faze distincte, schimbul de caldură este însoţit şi de schimb de materie. Dacă una dintre substanţe este solidă, schimbul de căldură se face, cu excepţia sublimarii şi desublimării, fără schimb de materie.

Un schimbător de căldură trebuie să realizeze un schimb cât mai intens de căldură cu o cât mai mica pierdere de presiune a fluidului care circulă prin aparat. O pierdere mare de presiune nu este un inconvenient când fluidul se gaseşte la presiune ridicată, impusă de alte condiţii tehnologice. De obicei însă presiunea lichidelor corespunde înălţimii limitate a rezervorului sau presiunii de pompare şi se cere să se găsească compromisul cel mai raţional din punct de vedere economic între un bun schimb de căldură (de exemplu ţevi lungi şi subţiri) şi un cât mai mic consum de energie la pompă.

Clasificarea în funcţie 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 şi aparate cu contact direct.

Schimbătoarele cu contact indirect (de suprafaţă) sunt aparate la care cei doi agenţi termici nu vin în contact direct ei fiind desparţiţi de o suprafaţă de schimb de căldură cu care vin în contact permanent sau periodic.

Dacă cele doua fluide vin în contact permanent cu suprafaţa de schimb de caldură, fluxul termic prin aceasta fiind unidirectional, schimbătorul de caldură este de tip recuperativ.

Acest tip de aparat este cel mai raspândit el putând fi realizat în numeroase variante constructive. În figura 1.1.a. este prezentat schematic cel mai simplu astfel de aparat, schimbătorul “ţeavă în ţeavă”, constituit din două ţevi concentrice, unul dintre fluide circulând prin interiorul ţevii centrale, celălalt prin spaţiul dintre cele două ţevi.

Daca agenţii termici vin în contact alternativ cu suprafaţa de transfer de căldură, fluxul termic schimbându-şi periodic direcţia, schimbătorul de căldură este de tip regenerativ. Aparatele regenerative pot fi realizate cu suprafaţă fixă (figura 1.1.b) sau rotativă (figura 1.1.c).

Din categoria schimbătoarelor de căldură cu contact indirect face parte si schimbătorul de căldură cu strat fluidizat, la care transferul de căldură are loc între un fluid şi un material solid care se deplasează sub forma unui strat fluidizat pe lângă suprafaţa de schimb de căldură (figura 1.1.d). Fluidizarea se realizează prin insuflarea unui gaz (de obicei aer) peste materialul solid granulat.