Schimbătoare de Căldură cu Plăci

Capitolul 1

Noţiuni generale.Definiţie.Clasificare

Schimbătoarele de căldură sunt utilaje ce servesc transmiterii căldurii fără schimbarea stării de agregare a agenţilor termici. Ele pot fi răcitoare sau încălzitoare.

Agenţii termici uzuali utilizaţi în industria alimentară sunt:

- apa caldă – utilizată la presiunea atmosferică (până la 80°C), sau sub presiune (temperaturi de 80 - 374°C);

- abur saturant – cel mai utilizat purtător de căldură;

- apa rece – utilizată ca agent de răcire;

- apa răcită – utilizată ca agent de răcire secundar pentru temperaturi mai mari de 40°C;

- agenţi de răcire neconvenţionali: microunde cu frecvenţa de 2450Hz (pentru opărirea fructelor şi legumelor); câmp electric de înaltă tensiune mai mare de 300kW (pentru încalzirea produselor cu aciditate ridicată).

În cadrul proceselor din industria alimentară, transmiterea căldurii este necesară pentru a modifica temperatura materiilor prime sau auxiliare în vederea răcirii sau încălzirii.

În functie de scopul lor schimbătoarele de căldura pot fi:

- schimbator de căldura propriu-zis sau recuperator de căldura – pentru încalzirea unui fluid rece sau răcirea unui fluid cald;

- preîncalzitor – pentru încalzirea fluidului rece;

- răcitor – pentru încălzirea fluidului cald;

- radiator – pentru încalzirea aerului;

- cazan cu abur – pentru obţinerea aerului;

- instalaţia frigorifică – pentru răcirea fluidului;

- uscător – pentru uscarea materialelor;

- turn de răcire – pentru răcirea apei calde;

- condensator de suprafaţa – pentru condensarea vaporilor;

- condensator de amestec – pentru condensarea vaporilor;

- evaporator – pentru concentrarea soluţiei lichide;

- coloana de rectificare – pentru separarea unui amestec pe baza diferenţei de volatilitate.

În functie de sensul de circulaţie al fluidelor prin schimbatoarele de căldura, ele funcţionează:

- echicurent;

- contracurent;

- în curent încrucişat;

- în curent mixt.

În functie de numărul de treceri a fluidelor prin schimbătoarele de căldură, ele sunt cu o singură trecere sau cu mai multe treceri.

Schimbătoarele de căldură propriu-zise se clasifică în două mari grupe:

- recuperatoare – schimbul de căldură se face de la fluidul cald la fluidul rece , printr-un perete despărţitor, în regim staţionar (permanent);

- regeneratoare – schimbul de căldură se face prin intermediul unui solid,care înmagazinează căldura de la fluidul cald şi o cedează fluidului rece, în regim nestaţionar.

Majoritatea schimbatoarelor de căldură au două spaţii delimitate pentru circulaţia separate a celor două substanţe între care se face schimbul de căldură. Peretele care separă cele două spaţii este suprafaţa de transmitere a căldurii sau suprafaţa de încălzire sau răcire. Suprafaţa separatoare poate uneori să nu existe, în cazul în care schimbul de căldură între substanţe se face prin contact direct.

Schimbătoarele de căldură folosite în industria alimentară sunt adesea denumite după operaţia tehnologică ce se realizează cu ele: de exemplu opăritor – în industria conservelor de legume şi fructe, în industria cărnii.

Funcţionarea lor se poate realiza independent, sau în cadrul unor instalaţii complexe.

O importanţă foarte mare o are regimul de funcţionare a unui schimbător de căldură.

Temperatura înaltă şi încălzirea îndelungată a produsului alimentar poate provoca descompunerea unor principii nutritive valoroase ale acestuia sau deteriorarea utilajului.

Schimbătoarele de căldură cu plăci lucrează cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide şi au început să fie utilizate şi în industria petrochimică, ele fiind uşoare şi cu gabarit mic în raport cu aria de transfer. Constau în placă profilate, din metal, suprapuse şi presate pentru etanşare. La extremităţile plăcilor sunt delimitate canalele de legătură pentru fluide, acestea circulând prin spaţiile libere dintre plăci .

1.1 SCHIMBĂTORUL DE CĂLDURĂ ÎN CONTRACURENT

În fig.10 este prezentat un schimbător de căldură “tub în tub” cu ciculaţie a fluidelor în contracurent, circulând de la dreapta spre stânga, se răceşte, iar fluidul rece, circulând de la stânga la dreapta, se încălzeşte. Se utilizează următorii indicatori: c- fluid cald, r- fluid rece, 1- intrare şi 2- ieşire. Sub schimbător este redată în principiu diagrama de variaţie a temperaturilor celor două fluide în lungul schimbătorului (în realitate variaţiile nu sunt liniare) se constată că diferenţele de temperatură dintre cele două fluide este variabilă în lungul schimbătorului, ea fiind maximă ( tM) la un capăt al schimbătorului şi minimă ( tm) la celălalt capăt. tM poate fi întâlnit uneori la capătul rece.

Simplist, s-ar putea considera că diferenţa medie de temperatură este egală cu diferenţa dintre temperatura medie a fluidului cald şi temperatura medie a fluidului rece, care este totuna cu media aritmetică a diferenţelor extreme de temperatură:

t = (tc1+ tc2)/2 –( tr1+ tr2)/2 ={ (tc1- tr2)+ (tc2- tr1)}/2 = ( tM + tm)/2

Aşa cum se va demonstra în continuare, diferenţa medie de temperatură este media logaritmică a diferenţelor extreme de temperatură, acestea fiind întotdeauna mai mică decât media aritmetică.