Schimbătoare de căldura cu plăci și garnituri

Schimbătorul de căldură este un apărat care are drept scop realizarea unui transfer de căldură de la un fluid mai cald la un alt fluid mai rece, în procesele de: încălzire - însoțită eventual de topire, fierbere, vaporizare, evaporare, uscare etc., sau de răcire - eventual însoțită de condensare - cum sunt cele din cazanele de abur ori apa caldă sau fierbinte, cuptoare, preîncălzitoare, evaporatoare, distilatoare, condensatoare, etc.

Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească schimbătoarele de căldură sunt de natură funcțională, tehnică, economică și constructivă, de aceea alegerea tipului de schimbător trebuie să corespundă scopului urmărit. Principiul funcțional trebuie astfel asigurat încât regimul temperaturilor agenților termici să fie menținut în timpul procesului de exploatare la parametrii necesari. Pentru aceasta este nevoie atât de determinarea corectă a suprafeței de schimb de căldură, cât și de asigurarea reglajului temperaturilor agenților termici.

Cele două fluide între care are loc transferul de căldură sunt denumite purtători de căldură. Fluidul mai cald, care cedează căldură și se răcește se numește agent sau purtător primar, iar fluidul mai rece, care preia căldură de la primul și se încălzește, se numește agent sau purtător secundar.

Din definiția schimbătoarelor de căldură se vede marea diversitate a acestora atât din punct de vedere constructiv cât și al calculului lor.

Factorii care influentiaza performanțele unui schimbător de căldură se pot grupă în trei categorii:

- datele procesului tehnologic;

- variabilele de proiectare;

- proprietatile fizice ale fluidului si peretelui despartitor;

Din datele procesului tehnologic rezultă, de regulă, sarcină termică a schimbătorului de căldură. În majoritatea aplicațiilor se cunosc, de obicei, variația de temperatură a fluidului principal și temperatură de intrare a agentului de încălzire sau răcire.

Capitolul1.Generalitati privind utilajele de transfer termic

Preocupări intense pentru realizarea unor schimbătoare de căldură eficiente și în domenii de utilizare cât mai variate s-au înregistrat încă din secolul XIX. Astfel, în 1879 Oficiul German de Brevete acorda lui Wilhelm Schmidt un brevet pentru un nou tip de răcitor în contracurent

cu suprafață deschisă. Cererile importante din industria alimentară, a condus la dezvoltarea cercetării și proiectării de noi aparate, astfel încât în anul 1932 a fost proiectat primul schimbător cu suprafață închisă, construit cu plăci din alamă placate cu crom, prevăzute cu canale în spirală. Primele schimbătoare de căldură cu plăci au fost realizate de firmele APV -

Danemarca și ALFA LAVAL - Suedia.

Modelele următoare au utilizat plăci din oțel inoxidabil, presate astfel încât să formeze între ele canale ondulate. În 1948 a fost finalizat primul proiect al noii generații de schimbătoare cu plăci, având performanțe înalte și coeficienți de transfer termic superiori față de schimbătoarele de căldură clasice și care stă la baza noilor generații de schimbătoare de căldură cu plăci utilizate astăzi. O întreagă gamă de plăci, cu diferite suprafețe, nervurații, grosimi și materiale, și de garnituri disponibile pentru aceste schimbătoare, le fac apte pentru aproape orice aplicații.

Domenii de utilizare a utilajelor de transfer termic:

- Industria alimentară și a băuturilor: schimbătoarele de căldură cu plăci sunt disponibile pentru răcirea, pasteurizarea și concentrarea laptelui și a produselor lactate, a sucurilor din fructe și legume, a băuturilor răcoritoare, a berii, a cidrului și a vinului, în rafinarea uleiului, în producerea înghețatei, a supelor și alimentelor pentru copii, în industria de prelucrare a zahărului, etc.

- Industria chimică și farmaceutică necesită presiuni de lucru înalte și durată de viață mare a schimbătoarelor în condiții de lucru cu medii deosebit de corozive, pentru recuperarea căldurii, încălzirea, răcirea și evaporarea apei, acizilor, alcalilor,emulsiilor, dispersiilor și altor soluții apoase care necesită procesare termică;

- Instalații industriale utilizate pentru: încălzire / răcire în procesele de lubrifiere și pentru agenți termici speciali (uleiuri, soluții saline sau caustice), răcitoare industriale pentru mașini de sudură, prese hidraulice, lagăre, compresoare, centrale nucleare, aeronautică, recuperare de căldură în instalații de vopsire sau ventilație, evaporarea apelor uzate, sisteme de separare a lichidelor.

Este dovedit faptul că schimbătoarele de căldură cu plăci au un vast domeniu de aplicare atât în domeniul monofazic, cât și bifazic, limitările provenind în special de la :

- presiunea maximă de funcționare,

- diferența de presiune dintre fluide,

- nivelul temperaturii fluidelor,

- tipul fluidului utilizat (mai ales ca agresivitate chimică).

Schimbătoarele de căldură viitoare pot reduce costurile și pot spori performanțele față de stadiul actual al tehnicii cu noile concepte de transfer de căldură sau de noi metode de producție. Fabricarea de aditivi este o posibilitate de a demonstra noi concepte pentru a transfera eficient căldura, care poate fi benefică pentru o geometrie complexă. Similar cu îmbunătățirile convenționale, cum ar fi turblatoarele sau aripioarele, microstructurile ar putea fi fabricate pe o scară dimensională mult mai mică, ceea ce ar fi adecvat pentru trecerile mici în schimbătoarele de căldură sCO2. Structura microstructurii și metoda de fabricație ar trebui să fie eficiente din punct de vedere al costurilor și ar trebui să aibă o performanță mai bună decât îmbunătățirile convenționale de suprafață.

1.1Transferul termic

În majoritatea proceselor chimice, căldura este fie absorbită, fie dată. Transferul de căldură are loc prin conducție, convecție sau radiație. O problemă majoră în transferul de căldură este transferarea acestuia la o rată dorită. Este necesar să se prevină pierderea căldurii în timpul transferului în multe sisteme, cum ar fi depozitarea și conservarea alimentelor, răcirea componentelor electronice, eficiența termică a clădirilor, producția de energie și dispozitivele de stocare a energiei și aplicațiile legate de biomedicale.