Calculul termic de dimensionare al unui aparat de schimb de căldura și stabilirea indicilor de calitate al unui ACS 1-2

INTRODUCERE

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.

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.

Există și schimbătoare de căldură fără perete despărțitor între fluide, ca de exemplu turnurile de răcire, camerele de pulverizare etc., dar calculul este mai complicat deși principiul de lucru este același.

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. Temperaturile la intrarea în schimbătorul de căldură se notează cu indice prim iar cele la ieșire cu indice secund.

După principiul de funcționare, schimbătoarele de căldură pot fi împărțite în trei categorii:

recuperatoare

regeneratoare

prin amestec.

În cele recuperatoare fluidul cald și 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 substanțe, etc. industrie sunt generatoarele de abur, racitoare de apă (radiatoare), condesatoarele pentru diferite substanțe, etc.

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

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

La schimbătoarele de amestec procesul de schimb de căldură se realizează prin contactul direct și amestecarea fluidului cald cu cel rece, rezultând un singur fluid cu proprietăți termice medii între cei doi agenți disponibili inițial. 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 soluții constructive, de la cel mai simplu aparat tip țeavă în țeavă, până la unități complexe, cu suprafețe de schimb extinse la mii de metri pătrați.

SARCINA LUCRĂRII

În schimbător de căldura unui cazan se realizează supraîncălzirea unui debit M_2=50 kg/s de abur saturat uscat cu presiunea p = 100 bar, pîna la temperatura t_2^''=510 (_^o)C. Gazele de ardere cu debitul M_1=120 kg/s, care conține în compoziția lor 13% de dioxid de carbon , 11% de vapori de apa și 76% azot cu temperatura t_1^'=1000(_^o)C. Supraîncălzitorul este realizat din seprentina , montate paralel între 2 colectoare . Gazele de ardere curg peste serpentine cu viteza ω_1=12 m/s, aburul circulă prin țevile serpentinei cu ω_2=16 m/s.

Serpentine sunt realizate din oțel cu conductibilitate termica λp=40 W/(m*K), raportul diametrului exterior cître interior este d_1/d_2 =32/36 . Să se determine suprafața de transfer de căldura , lungimea unei serpentine și numărul de serpentine. Se vor neglija pierderi în mediul exterior , pierderi de presiune în aparat. Să se efectueze de asemenea calcul indicilor de performanța a unui ASC.