Transcript Unitatea-8 - Marinari.info

Unitatea de învăţare nr. 8
SCHIMBĂTOARE DE CĂLDURĂ
Cuprins
1. Noţiuni introductive. Clasificare
2. Vaporizatoare
2.1. Vaporizatoare pentru răcirea aerului
2.2. Vaporizatoare pentru răcirea lichidelor
3. Condensatoare
3.1. Condensatoare răcite cu aer
3.2. Condensatoare răcite cu apă
3.3. Condensatoare răcite cu mixt
4. Dimensionarea condensatorului multitubular orizontal
5. Vaporizatorul multitubular orizontal pentru freonii miscibili cu uleiul (R 134a)
SCHIMBĂTOARE DE CĂLDURĂ
1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE. CLASIFICARE
• Principalele schimbătoare de căldură din instalaţiile frigorifice şi
pompele de căldură sunt vaporizatorul şi condensatorul.
Rolul funcţional şi tipul schimbătorului:
• vaporizatoare
- răcitoare de aer (sau alte gaze);
- răcitoare de apă (sau alte lichide).
• condensatoare
- răcite cu apă (sau alte lichide);
- răcite cu aer (sau alte gaze).
2. VAPORIZATOARE
• În orice maşină frigorifică, vaporizatorul este aparatul care absoarbe
căldura din mediul răcit, realizând efectul util al maşinii.
2.1. Vaporizatoare pentru răcirea aerului
• Aceste vaporizatoare pot să fie utilizate la fel de bine şi pentru răcirea
aerului şi pentru răcirea altor gaze.
• Atunci când aerul conţine umiditate (vapori de apă), la dimensionarea
vaporizatoarelor se va ţine seama de acest lucru.
• Dacă temperatura suprafeţei de transfer termic scade sub 0°C, această
umiditate se va transforma în brumă sau zăpadă.
• În funcţie de modul de circulaţie a aerului, vaporizatoarele pentru răcirea
aerului se împart în două categorii:
- cu circulaţie naturală;
- cu circulaţie forţată.
Vaporizatoarele cu circulaţie naturală ale aerului
• Aceste aparate se pot monta pe tavanul camerelor frigorifice ca în Figura
1, sau pe pereţii acestora.
• În Figura 3 este reprezentată o baterie de răcire cu ţevi având aripioare.
Fig. 1. Răcitor de aer de tavan, cu
circulaţie naturală a aerului.
Fig. 3. Răcitor de aer de perete, cu circulaţie naturală
a aerului şi ţevi având aripioare. 1 – serpentină;
2 – aripioare, 3 – suport, 4 - bridă
• Aceste tipuri de vaporizatoare se utilizează atunci când se
doreşte o circulaţie redusă a aerului şi o uscare pronunţată
a acestuia la temperaturi pozitive, de exemplu în camere
pentru păstrarea brânzeturilor. Se utilizează asemenea
vaporizatoare şi pentru temperaturi negative, de exemplu
în cazul păstrării produselor alimentare semipreparate sub
formă congelată
• La construcţia vaporizatoarelor de acest tip, pentru
temperaturi pozitive (peste 2°C) se utilizează ţevi cu
aripioare.
• La construcţia vaporizatoarelor pentru temperaturi
negative, se utilizează ţevi lise (netede), care permit o
decongelare (degivrare) uşoară.
Vaporizatoarele cu circulaţie forţată a aerului
• Există mai multe tipuri de asemenea
vaporizatoare:
- baterii de răcire;
- vaporizatoare de plafon;
- vaporizatoare de perete;
- vaporizatoare montate pe picioare.
• Schema de curgere a aerului printr-un răcitor de aer cu curgere forţată,
asigurată de ventilatoare, este prezentată în figura 4.
Fig. 4. Schema de curgere printr-un răcitor de aer
• Bateriile de răcire sunt montate în interiorul canalelor pentru circulaţia aerului
• Caracteristicile tehnice indicate de furnizori sunt în general următoarele:
- puterea frigorifică realizată în anumite condiţii de lucru date;
- suprafaţa de schimb de căldură;
- volumul interior al aparatului (necesar pentru calculul încărcăturii de
agent frigorific);
- debitul de aer;
- numărul şi puterea rezistenţelor electrice pentru degivrare.
• Vaporizatoarele de plafon sunt realizate în două tipuri
constructive.
• Vaporizatoarele cu un singur flux de aer sunt prezentate în
Figura 6.
• Aerul este aspirat prin partea din spate a aparatului, este răcit în
vaporizator şi apoi refulat peste produsele din camera frigorifică.
Fig. 6. Modul de dispunere al unui vaporizator de plafon cu un singur flux de aer
• Vaporizatoarele cu dublu flux de aer au în componenţă două baterii de
răcire între care sunt amplasate ventilatoarele care aspiră aerul şi apoi îl
refulează peste baterii, trimiţându-l astfel în camera frigorifică.
• În general, aceste tipuri de ventilatoare se amplasează în mijlocul
camerelor răcite
Fig. 8. Schema de amplasare a răcitoarelor de aer cu dublu flux
• Vaporizatoarele montate pe picioare sunt destinate în special instalaţiilor
industriale.
• În cazul instalaţiilor de tip comercial, de obicei sunt montate lângă perete.
• Sunt construite dintr-o baterie prin care aerul circulă vertical, de jos în sus.
• În partea superioară se montează unul sau mai multe ventilatoare.
• Deasupra acestora se montează un sistem de ghidare a aerului spre produse.
• Pot fi utilizate pentru realizarea oricăror temperaturi, pozitive sau negative.
Fig. 10. Vaporizator
montat pe picioare
2.2. Vaporizatoare pentru răcirea lichidelor
• Alegerea vaporizatoarelor de acest tip se efectuează în
funcţie de regimul temperaturilor de intrare/ieşire, şi de
proprietăţile termofizice ale soluţiei care trebuie răcite.
• În primul rând contează viscozitatea şi conductivitatea
termică.
• În principiu există trei tipuri de vaporizatoare pentru răcirea
lichidelor:
- imersate;
- înnecate;
- cu detentă uscată (sau uscate).
Vaporizatoare imersate
• Asemenea aparate se pot utiliza în:
- bazine pentru răcirea unor agenţi intermediari;
- bazine pentru acumulare de gheaţă în vedere acoperirii unor
vârfuri de sarcină, specifice de exemplu industriei laptelului;
- bazine pentru răcirea peştelui.
Fig. 13. Vaporizator imersat
• Există două variante de asemenea vaporizatoare:
– cu serpentine;
– de tip grătar.
• Vaporizatoarele cu serpentine sunt constituite dintr-un
ansamblu de serpentine realizate din oţel sau cupru în funcţie
de natura agentului răcit.
• Serpentinele sunt racordate la distribuitoare şi colectoare, iar
ansamblul format este amplasat într-un bazin.
• Circulaţia agentului intermediar răcit, în vederea omogenizării
temperaturii, este asigurată prin intermediul unor agitatoare
verticale.
• Vaporizatoarele de tip grătar pot să fie constituite din grătare cu
ţevi verticale sau orizontale. Cele mai utilizate sunt cu ţevi
verticale, singurele folosite în cazul amoniacului.
Vaporizatoare înnecate
• Aceste aparate sunt de tip multitubular, ca în Figura 18.
• Caracteristic este faptul că agentul răcit circulă printre ţevi şi se răceşte până la
temperaturi în general pozitive (ca să nu îngheţe în ţevi).
• Spaţiul dintre ţevi este ocupat de agentul frigorific lichid, care vaporizează.
• Vaporii sunt colectaţi în domul separator din partea superioară a aparatului, de
unde sunt aspiraţi de compresor. Picăturile de lichid care pot să fie antrenate, se
reîntorc din dom înapoi în spaţiul dintre ţevi.
Fig. 18. Vaporizator
multitubular înecat
V – vaporizator, DS – dom
pentru separarea vaporilor
de lichid, C – capac,
P – purjă
3. CONDENSATOARE
• În orice maşină frigorifică, rolul condensatorului este de a
evacua căldura cedată de agentul frigorific prin condensare.
Căldura evacuată de condensator reprezintă practic suma
dintre căldura absorbită de vaporizator din mediul răcit şi
echivalentul caloric al lucrului mecanic din compresor.
• În funcţie de natura agentului de răcire, există trei tipuri de
condensatoare:
– răcite cu aer;
– răcite cu apă;
– răcite mixt (cu apă şi aer).
3.1. Condensatoare răcite cu aer
• Aerul ca agent termic are avantajul că este cel mai abundent şi
mai ieftin, deci este utilizat intens, chiar dacă prezintă
proprietăţi termofizice mediocre din punct de vedere termic.
• Principalul parametru care influenţează comportarea
condensatorului este temperatura termometrului uscat
(temperatura aerului).
• Condensatoarele cu circulaţie naturală a aerului sunt utilizate în
aparatele frigorifice casnice, frigidere şi congelatoare.
• Condensatoarele cu circulaţie forţată a aerului sunt cele mai
răspândite în instalaţii comerciale şi industriale, iar curgerea
aerului este asigurată de ventilatoare.
3.2. Condensatoare răcite cu apă
• Aceste aparate pot să utilizeze diverse surse de apă:
–
–
–
–
apă potabilă (scumpă);
apă de mare (corozivă);
apă de râu sau din puţuri, sau din lacuri;
apă industrială.
• În consecinţă se ridică problema calităţii apei, deoarece se
pot produce depuneri şi problema evacuării apei încălzite,
care poate să genereze poluare.
• Temperatura de condensare este determinată de
temperatura apei la intrarea în condensator şi de debitul
apei de răcire.
Condensatoare multitubulare orizontale
• Aceste condensatoare, având construcţia de tipul celei prezentate în Figura
21, sunt cele mai utilizate în instalaţii industriale de puteri mari, deoarece
prezintă câteva avantaje:
– sunt uşor de montat atât în clădiri cât şi în exterior;
– permit realizarea unor grupuri preasamblate, ceea ce reduce manopera
de montaj pe şantier;
– permit curăţarea uşoară a ţevilor.
Fig. 21. Condensator multitubular orizontal, răcit cu apă
Câteva dintre caracteristicile acestor aparate sunt următoarele:
• ţevile condensatoarelor pentru amoniac sunt lise şi realizate din oţel, iar
cele ale condensatoarelor pentru freoni sunt realizate din cupru şi adesea
sunt nervurate;
• vaporii de agent frigorific sunt introduşi în aparat pe la partea superioară,
în spaţiul dintre ţevi şi manta, condensează pe suprataţa exterioară a
ţevilor, iar lichidul acumulat în partea inferioară este evacuat printr-un
racord amplasat în această zonă;
• apa de răcire circulă prin ţevi, racordul de intrate fiind amplasat în zona
inferioară a capacului, iar cel de evacuare în zona superioară, acest tip de
circulaţie a apei putând să asigure o uşoară subrăcire a condensului;
• apa se încălzeşte în aparat cu 2..3°C în cazul apei de mare, cu 4…6°C în
cazul apei industriale recirculate, cu 5…15°C în cazul apei de râu,
respectiv cu 10…30°C în cazul apei potabile;
• viteza de curgere a apei prin ţevi este de 1,5…3 m/s;
4. DIMENSIONAREA CONDENSATORULUI MULTITUBULAR ORIZONTAL
Datele de calcul
• agentul frigorific;
• puterea termică de condensare, reală: ΦC (W);
• temperaturile agentului frigorific: θ2/θ3 (oC);
• temperaturile apei de răcire: θw1/θw2 (oC), sau θAR1/θAR2
Fig. 24 Variaţia temperaturilor agenţilor în condensator, la circulaţia în
contracurent
Calculul termic
• Suprafaţa de transfer de căldură a condensatorului, Sc:
SC 
C
q
[m 2 ]
unde q este densitatea de flux termic la condensare, [W/m2].
• Determinarea acestei mărimi se face printr-un calcul grafo-analitic.
Fig. 25 Variaţia de temperatură într-un perete circular compus
1 – pelicula de ulei, 2 – material conducta, 3 - depunere de piatră.
• Temperatura caracteristică pentru apă este cea medie.
 wm 
 w1   w2
2
( oC )
• Conservarea densităţii de flux termic, utilizând relaţia
simplificată de la pereţi paraleli compuşi, conduce la:
q
C   x
1

c
 x   wm

1

 
w
[W / m2 ]
• Se determină două funcţii dependente de θx:
q1 
C   x
1
c
(W / m2 )
q2 
 x   wm

1

 
w
(W / m2 )
Determinarea funcţiei q1
• Coeficientul de transfer termic la condensare αC rezultă din relaţia:
NuC  C Ga  Pr  Ku 
m
unde:
NuC 
Ga 
 C  l este criteriul Nusselt la condensarea agentului frigorific

g l3
v
2
este criteriul Galilei;
Pr – criteriul Prandtl;
Ku 
lc
c p   C   x 
este criteriul Kutateladze.
• Constantele C şi m au valorile C = 0,724, şi m = 0,25. Lungimea caracteristică
l=de. Datele termofizice necesare: λ, ν, Pr, cp; căldura latentă de condensare lC,
se determină din tabele, la temperatura de condensare θC
• Introducând aceste date obţinem:
lc
  9 ,81  d e3
q1  0 ,724  
 Pr
2

de  v
cp




0 ,25
  C   x 0 ,75  A   C   x 0 ,75 W / m 2
unde A este o constantă în raport cu θx, dependentă
de parametrii termofizici ai agentului frigorific.
Determinarea funcţiei q2
•
Coeficientul de transfer convectiv la încălzirea apei αw, pentru regimul turbulent de
curgere (Re>104) rezultă din relaţia:
Nuw  C  Rew   Prw 
m
unde:
n
Nuw 
w  l
w
este criteriul Nusselt la încălzirea apei în ţevi;
Rew 
ww  l
vw
este criteriul Reynolds;
Prw – criteriul Prandtl;
•
Constantele C, m, n au valorile C = 0,023, m = 0,8, n=0,4.
•
Parametrii termofizici: λw, νw, Prw, ρw, cpw se determină pentru apa cu temperatura θwm.
Lungimea caracteristică l=di.
•
Viteza apei în ţevi, ww se alege suficient de ridicată (1...2 m/s), pentru a se instala regimul
turbulent de curgere (Re>104).
• Cu aceste date, relaţia devine:
q2 
u  m  p



u m  p

 x   wm
 B  x   wm  W / m 2
l
0 ,023 
w  ww  d i 
 
d i  vw


0 ,8
 Prw0 ,4

Fig. 26 Dimensionarea densităţii de flux termic de condensare.
5. VAPORIZATORUL MULTITUBULAR ORIZONTAL PENTRU
FREONII MISCIBILI CU ULEIUL (R 134a)
Construcţia şi funcţionarea
• Ţevile care alcătuiesc suprafaţa de transfer termic sunt
confecţionate din cupru.
• Sunt netede sau profilate la exterior şi cu rizuri elicoidale
interne, pentru ameliorarea transferului termic.
• Prinderea ţevilor în plăcile tubulare se realizează prin
mandrinare sau sudare.
• Reducerea miscibilităţii ulei-freon la temperaturi scăzute
impune circulaţia vaporilor formaţi cu viteze suficiente
antrenării uleiului în exces, din vaporizator în compresor.
• Vaporizarea freonului se realizează în spaţii mici, deci în
ţevi.
• Vaporizatorul funcţionează în regim uscat, în ultima zonă
parcursă de vapori realizându-se şi o supraîncălzire a lor cu
cca. 5...7oC. Se asigură astfel protecţia compresorului contra
pătrunderii picăturilor de lichid.
Fig. 27. Vaporizator multitubular pentru freoni.
a – cu ţevi drepte, b – cu ţevi în U;
1 – freon lichid, 2 – freon vapori, 3, 4 – agent răcit.
Dimensionarea
Datele de calcul:
• Agentul frigorific;
• Puterea frigorifică reală, Φ0R (W);
• Temperatura de vaporizare, θ0 (oC);
• Agentul răcit;
• Temperaturile agentului răcit, θS1/θS2 (oC).
Calculul termic
• Se determină suprafaţa de transfer termic, k şi (Δθ)m
• Calculul este iterativ, propunându-se o valoare pentru k şi
verificând-o prin calcul, până când eroarea este acceptabilă
(ε<4%).
Calcul preliminar
• Se alege diametrul ţevilor din cupru (dexg)
• Se propune coeficientul global de transfer de căldură:
kP  200...500 W / m2 K
• Se determină diferenţa de temperatură medie logaritmică
dintre fluide
• Se determină suprafaţa de transfer de căldură:
S0 ,P 
 0R

 0R
k P   m
qP
m 
2
• Se propune o lungime a fasciculului de ţevi:
LP=2...6 m
• Se determină numărul de ţevi, considerând o singură
trecere a freonului prin vaporizator:
SP
n
  dm  L
cu dm= diametrul mediu al ţevilor,
dm 
di  de
m 
2
• Se determină diametrul mantalei vaporizatorului
Di  m  t  de  2   m
• Se determină secţiunile de trecere şi viteza agentului răcit, în
drumul transversal pe ţevi, între şicane şi apoi longitudinal
printre ţevi, pe sub şicană
s  0,1...0,3   Di m
• Secţiunea netă la curgerea transversală, printre şicane:
 
S1  s    m  1 m2
cu δ intervalul dintre două ţevi şi [m] partea întreagă a lui m.
• Secţiunea liberă rămasă sub şicană:
SL  0 ,1...0 ,25 
  Di 2
4
m 
2
• Secţiunea netă a sectorului circular pentru curgerea
longitudinală a lichidului răcit (SL fără secţiunea ţevilor din
ea):
S2  SL  0 ,1...0 ,25   n 
  de 2
4

0 ,1...0 ,25     Di 2  n  de 2 

4
m 
2
• Secţiunea efectivă, la curgerea lichidului răcit:
Se  S1  S2
m 
2
• Se recomandă ca secţiunile S1 şi S2 să fie de valori cât mai
apropiate.
• Viteza lichidului răcit:
cu debitul masic
QmS 
wS 
c pS
QmS
pS  Se
m / s 
0R
kg / s 
 S1S 2 
• Dacă viteza este redusă se micşorează secţiunile de trecere.
Calculul definitiv
• Determinarea coeficientului de convecţie al lichidului răcit,
α S.
• Pentru ReS=4...50000, se utilizează relaţia:

0 ,6
0 ,33   S
NuS  c  ReS  PrS  
  S ,P
unde:
NuS 
ReS 
S  l
S
wS  l
S




0 ,14
, criteriul Nusselt;
, criteriul Reynolds;
PrS = criteriul Prandtl.
• Lungimea caracteristică l=de, iar constanta c = 0,22...0,25
• Parametrii termofizici ai lichidului răcit (λS, cPS, νS, ρS,
PrS) se determină din tabele, în funcţie de fluidul ales,
compoziţia acestuia şi temperatura sa medie θSm. νS,P
se alege la temperatura exterioară a peretelui ţevii,
θP.
• Cantitatea de sare sau alcool ce trebuie dizolvată în
apă, când 0  0 o C , trebuie să respecte relaţia:
 
cong  0  2...4  o C
• Determinarea rezistenţei termice conductive:

  P  Cu  U



 P Cu U
m K / W 
2
• Determinarea coeficientului de convecţie la
vaporizarea freonului, α0.
Pentru ţevi orizontale se recomandă relaţiile lui Bo Pierre:
• pentru vaporizarea incompletă: Nu  0,0009  Re k 0,5
S
• pentru vaporizarea completă: Nu  0 ,226  Re 2  k S 
0 ,5
unde:
0  di
Nu 

Re 
kS 
J  h
l
w  di

, criteriul Nusselt;
, criteriul Reynolds;
, cu J=0,102 kg·m/J, echivalentul mecanic al căldurii,
Δh variaţia entalpiei în procesul de vaporizare şi l=lungimea ţevii.
• Viteza fluidului lichid în ţevi, w, rezultă din relaţia:
QV 
QmR

 n
  di 2
4
w
m / s 
3
Verificarea lui k propus:

kP  k
 100
kP
%
• Dacă eroarea ε nu este convenabilă, se reia calculul cu o nouă
valoare pentru kP. Când ε<4% se determină valoarea medie a lui
k.
• Suprafaţa de vaporizare necesară:
0R
S0 
k m   m
m 
2
• Păstrând numărul de ţevi n din ultimul valcul al lui k, se
recalculează lungimea fasciculului de ţevi:
L
S0
n    dm
m 
2