Bazele teoretice ale procesului de schimb de căldură

INTRODUCERE

Operații industriale termice se realizează cu ajutorul energiei termice, degajate de un oricare purtător de energie, care necesită se aibă o capacitate energetică si mobilitate suficient de mari. De obicei astfel proprietăți sunt specifice gazelor (vaporilor) sau lichizilor, încărcați cu energie fie prin încălzirea, fie prin evaporarea. Știința, care studiează condițiile și legile de existență și comportare a purtătorilor de energie este numită termodinamica.

Aparatele termice folosite în industria alimentară și chimică servesc la realizarea unor operații însoțite de trecerea căldurii de la un corp la altul, de la o materie la altă: ele sunt schimbătoare de căldură (cazan electric).

Cazanele de abur sunt instalații folosite pentru producerea de abur, căldura necesară fiind furnizată fie de un combustibil prin ardere, fie de gazele de ardere provenite dintr-o altă instalație. Împreuna cu instalațiile auxiliare necesare funcționarii lui, cazanul de abur formeaza o instalație de cazan.

Vaporizarea apei în cazan este strîns legată de fluxul de căldură, care trece prin peretele țevilor vaporizatoare. Acesta este determinat de diferența de temperatura între peretele țevii și apa care circulă în interiorul ei, precum și de rezistență față de schimbul termic global prin perete.

Cazanele de abur sunt clasificate după mai multe criterii.

Natura circulației agentului termic în cazan este un criteriu principal. Circulația poate fi naturală sau forțată și de aceea se disting și două categorii principale de cazane: cazane cu circulație naturală și cazane cu circulație forțată. La rîndul lor cazanele cu circulație forțată se grupează în cazane cu circulație forțată multiplă și cazane cu circulație forțată unică sau strabatere forțată.

Din punctul de vedere al construcției sistemului fierbător se deosebesc: cazane cu volum mare de apa și cazane cu țevi vaporizatoare, cu volum mic de apă, numite uzual cazane acvatubulare.

Cazane cu volum mare de apă. Sistemul fierbător al cazanelor cu volum mare de apă cuprinde, în principal, un rezervor cilindric de presiune (uneori două sau mai multe rezervoare comunicante, formînd o baterie), închis la capete cu capace, în general bombate, care conține apa de vaporizat și abur saturat, separate prin suprafața liberă a apei. În rezervorul de presiune, masa de apă este strabatută de tuburi de flacără sau țevi de fum prin care trec gazele de ardere; el este echipat, de obicei, cu o conductă sau un dom colector, separator de abur, racordat fie la conductă de debitare, fie la supraîncălzitorul cazanului. Sistemul fierbător este caracterizat prin valoarea mare a raportului dintre volumul de apă și marimea suprafeței de încălzire.

Dezavantajele acestor cazane constau în: suprafața de încălzire limitată, presiunea nominală mică și debitul specific mic.

Cazane cu volum mic de apă. La cazanele acvatubulare, sistemul fierbător cuprinde, în principal, fascicule sau ecrane de țevi fierbătoare (a caror suprafața exterioară, scăldată de gazele fierbinți, constituie suprafața de încălzire), montate împreuna cu elementele de legatură dintre acestea, după anumite scheme. Se obțin asfel unul sau mai multe circuite paralele, prin care apa circulă dirijat, trecînd treptat în stare de vapori. Sistemul fierbător al cazanelor acvatubulare se caracterizează prin valoarea mică a raportului dintre volumul spațiului de apă și suprafața de încălzire.

Avantajele cazanelor acvatubulare sunt urmatoarele: circulație dirijată a apei și a amestecului apa-abur prin sistemul fierbător, posibilitatea de a obține debite oricat se mari (functionează cazane de 3650 t/h); debit specific mare; posibilitatea obținerii aburulului de foarte mare presiune (la nivelul actual al tehnicii, pînă la circa 350 bar) și cu temperatura înaltă de supraîncălzire (pînă la 650°C); micsorarea pericolului de explozie, prin reducerea volumului de apă și a diametrului elementelor cilindrice ale cazanului; greutate și gabarit mic pe unitatea de debit; timp de pornire relativ scurt.

O parte din mărimile caracteristice ale cazanelor de abur sunt definite în STAS 2605—73 în modul următor:

- Debitul nominal este debitul maxim continuu de abur pe care cazanul trebuie să-l asigure la presiunea și temperatura nominală a aburului;

- Debitul minim este debitul continuu de abur pe care cazanul trebuie să-l asigure la presiunea nominală a aburului;

- Persiunea nominală este presiunea maximă continuă a aburului la ieșirea din robinetul principal de abur în condițiile debitului și temperaturii nominale;

- Temperatura nominală este temperatura maximă continua a aburului la ieșirea din robinetul principal de abur în condițiile debitului și temperaturii nominale;

- Presiunea maximă este presiunea de lucru maximă admisă în elementele cazanului; la cazanele cu tambur această presiune se consideră în tambur, iar la cazanele fără tambur la intrarea în cazan;

- Randamentul cazanului.

Debitele de abur produse de cazan, presiunile și temperaturile aburului, ale seriilor de cazane de abur fabticate în tara, sunt standardizate prin STAS 2764—73.