Schimbător de căldură de tip țeavă în țeavă pentru pulpă de tomate

1. Bazele teoretice ale procesului

Procesele chimice decurg in majoritatea cazurilor în direcţia necesară doar la o temperatură anumită, care se atinge prin importul şi exportul căldurii, aceste procese sînt numite procese temice.

Schimbul de căldura este procesul ce stă la baza evaporării, destilării, uscării şi a multor altor.

Procesele termice au o importanţă majoră pentru industria alimentară. Ele sunt guvernate de legile termodinamicii. In procesele termice are loc schimbul de energie termică între corpuri fizice, care au diferită temperatură (indice potenţialului de energie termică) şi se numesc respectiv: agentul termic fierbinte degajă energie şi agentul termic rece absorb energie degajată.

Schimbul de căldură între corpuri poate avea loc de la sine sau cu cheltuieli de lucru mecanic. Fără a fi folosit lucru mecanic căldura poate trece doar de la un corp fierbinte la un corp rece. Această teză stă la baza tuturor proceselor de schimb de căldură, deoarece conform legii a doua a termodinamicii transferul de căldură de la un corp mai rece la un corp mai cald fără cheltuieli de lucru mecanic este imposibil.

În procese tehnologice e necesar sau asigurararea unei conductivităţi termice înalte pentru un schimb de căldură mai eficient sau invers, menţinerea corpurilor de la schimbul de căldură. Primului caz e caracteristic pentru instalaţii de încălzire şi refrigerare, iar pentru al doilea diferite tipuri de izolare termică.

Energie termică poate fi transferată de la agent fierbinte la acel rece prin contactul nemijlocit (amestecare ) a agenţilor - metoda, care se întrebuinţează destul de rar, deoarece deseori aplicarea acestei metode este inadmisibilă din considerente tehnologice, sau prin oricare suprafaţă solidă, care separă agenţii şi se numeşte suprafaţă termică - vast întrebuinţată metodă de transfer a energiei termice

Energia termică se transportă prin conducţie (mecanism molecular) convecţie (mecanism convectiv) şi radiaţie (mecanism radiant). În condiţii reale transferul energiei termice se realizează cel puţin prin două mecanisme, deoarece mecanismul molecular, fiind bază a tuturor variaţiilor a materiei, are loc întotdeauna.

Conducţie are loc în consecinţa contactului direct a purtătorilor de căldură de diferit potenţial termic. La conducţie temperatura diferitor puncte ale corpului este diferită, însă de la un punct la altul ea variază în continuu. Totalitatea tuturor valorilor de temperatură a corpului se numeşte cîmpul de temperatură. Temperatura corpului poate se varieze un unul, doi sau trei sensuri ale spaţiuluii şi atunci câmpul de temperatură se numeşte mono-, di- sau tridirecţional.

Câmpul de temperatură, variabil în timp se numeşte nestabilizat ( nestaţionar), iar acel invariabil- stabilizat (staţionar)

Conducţia poate fi descrisă de expresia matematică a legii lui Fourier:

unde λ - coeficientul conductivităţii termice.

Transportul energiei în fluidul, aflat în mişcare, se efectuează predominant prin deplasările a particulelor (convecţia) şi deaceea acest mecanism de schimb de energie este numit schimbul convectiv.

În conformitate cu cauza apariţiei există mişcarea liberă, care apare din cauza diferenţei de densitate a particulelor încălzite şi celor reci, şi mişcarea forţată, condiţionată de către forţe externe (vânt, pompa, ventilator etc.).

Intensitatea schimbului termic depinde de prezenţa şi grosimea stratului limită termic. Prin acest strat energia se transferă prin conducţia, fluxul cărui se evaluează conform lui Fourier:

Schimbul de căldură între agenţi termici se efectuează se realizează în aparate, numite schimbători de căldură. Intensitatea procesului termic este direct proporţională forţei motrice (diferenţei intre temperaturile ale agenţilor termici), valoarea cărei variază în funcţie de lungime(suprafaţă termică) a aparatului şi, deci în toate.

Calculele ale schimbătorilor de căldură necesită de folosit oricare valoarea medie a acestui parametru, care se calculează după diferite formule în dependenţa de sensul reciproc de curgere a agenţilor termici. Mişcarea reciprocă a agenţilor termici poate fi realizată în trei scheme:

- echicurent – când agenţii traversează aparatul în acelaşi sens;

- contracurent – agenţii traversează aparatul în sensuri contrari;

- curent mixt – are loc în aparate cu mai multe treceri, adică o parte de treceri funcţionează în echicurent, dar alta – în contracurent.

Majoritatea shimbătoarelor de căldură sînt aparate în care sînt delimitate două spaţii pentru circulaţia celor două substanţe participante la schimbul de căldură. Peretele care disparte cele două spaţii este suprafaţa de transmitere a căldurii sau suprafaţa de încălzire(ori de răcire). Uneori suprafaţa despărţitoare nu există, schimbul de căldură intre substanţe facîndu-se prin contact direct. Dacă in aceste din urmă cazuri, ambele substanţe formează faze destincte, schimbul de căldură se realizeză în paralel cu schimbul de materie. Dacă una dintre substanţele este solidă, schimbul de căldură se face – cu excepţia sublimării şi desublimării – fără schimb de materie.