Schimbatoare de caldura multitubulare

Schimbatoare de caldura multitubulare

Acestea sunt cele mai raspandite si cele mai reprezentative si se intrebuinteaza cand este necesara o suprafata de schimb termic mare in scopuri multiple: racitor, incalzitor, recuperator de caldura, condensator de suprafata etc.

Fig.2.7 Fixarea tevilor in placa

Fig.2.6 Schimbator de caldura multitubulareFig.2.8 Dispunerea tevilor in placa schimbatorului

1 - placǎ mutitubularǎ, 2-teavǎ, 3-manta, 4- capac, 5,6- racorduri alimentare-evacuare

Dispunerea tevilor in placa schimbatorului (fig.2.8):a)hexagoane concentrice b)cercuri concentrice. Fixarea tevilor in placa (fig.2.7) : a)mandrinare simpla b)mandrinare cu rasfrangerec) cu nuturi interioare, d)cu sudura e)cu garnituri de etansare;

Schimbator cu doua treceri prin tevi( fig.2.9):

Fig.2.9 Schimbator cu doua treceri prin tevi

Schimbatorul poate fi prevǎzut cu sicane transversale sub forma de segmente de cerc pentru spatiul dintre tevi si doua treceri pentru fluidul din tevi. La schimbatoarele de caldura cu mai multe treceri, racordurile intrare-evacuare sunt pe acelasi capac la numar par sau cate unul pe un capac la numar impar de treceri. Numarul si pozitia placilor despartitoare trebuie corelate.

Fixarea tevilor in placile tubulare se face rigid daca diferenta de temperatura intre manta si fasciculul de tevi este mica ca sa nu provoace dilatatre diferentiata intre tevi si manta. Pentru a evita dilatarea diferentiata se pot aplica mai multe variante constructive(fig2.10):

a)     o placa tubulara sa fie montata liber fata de manta

b)     cu bentita de dilatare pe manta

c)     construirea schimbatorului cu tevi in U

a) b) c)

Fig.2.10 Variante constructive

Calcul schimbatoarelor multitubulare:

Schimbatoarele multitubulare functioneaza numai in regim stationar, iar calculul se poate face prin doua metode: I. Calculul de proiectarea schemei de caldura si II. Calculul de verificare.

I. In calculul de proiectare se pleaca de la conditia de temperatura si debit pentru unul din fluide si se stabileste fluxul termic Q necesar. Se definesc astfel pentrun aceste conditii si conditiile de temperatura care trebuie respectate de cel de-al doilea fluid, apoi se aleg sau se impun elementele constructive sau functionale (diametrul, grosimea si materialul tevilor, viteza de circulatie a celor doua fluide), se calculeaza coeficientii partiali si totali de transfer.

Calculul coeficientilor totali de caldura

in conditii cu pereti cilindrici

cand sunt mai multe treceri (mixt)  unde f este factor de corectie

in contracurent

Factorul de corectie f se determina din diagrama caracteristica fiecarui tip de trecere. Cu aceste elemente se stabileste A din  .

Din A, cunoscand diametrul mediu al tevii d_med=20-50 mm si lungimea tevii l se determina numarul total de tevi n: .

Numarul m de hexagoane sau cercuri concentrice de asezare al tevilor se determina din relatia urmatoare care reprezinta suma unei progresii geometrice cu ratia 6 la care se aduga 1 pentru teava centrala: .

Lungimea tevilor se recomanda sa fie intre 2 si 5 m.

Diametrul schimbatorului de caldura ( a mantalei) D_i: , unde p este distanta dintre centrele a doua tevi si e este distanta dintre centrul tevii de pe ultimul cerc si manta.

Odata cunoscute elementele constructive se poate determina numarul de treceri in functie de viteza impusa fluidului din tevi si numarul de sicane in functie de viteza impusa fluidului care circula prin spatiul dintre tevi.

Pentru proiectare, este necesara si definirea pozitiei de montare: orizontala sau verticala care influenteaza calculul valorilor coeficientilor partiali de transfer de caldura si a numarului de sicane. Pozitia orizontala sau verticala, in cazul transferului fara schimbarea starii de agregare este determinata in principal de spatiul disponibil pentru montare si de anumite considerente tehnologice, pe cand in cazul condensarii are influenta asupra coeficientului partial de transfer de caldura.

Diametrul tevilor se alege constructiv, cele mai uzuale fiind tevile cu diametrul cuprins intre 20 si 50mm. Pentru lichidele vascoase si impure sau pentru gaze se pot lua si diametre mai mari.'

Grosimea placilor tubulare se determina prin calculul de rezistenta ca si grosimea mantalei. Este indicata grosimea minima egala cu diametrul tevilor.

Viteza fluidelor se admite la valori minime 0,1-0,3 m/s, la valori maxime pentru lichide 2 m/s, iar pentru gaze 20 m/s. Ca regula este indicat sa circule prin tevi fluidul mai cald, cu debit mai mic, cu viscozitate mai mica, cu presiune mai mare, lichidul care depune crusta, iar printre tevi fluidul cu viscozitate mai mare, cu debit mai mare si mai rece.

II. La calculul de verificare a posibilitatilor de utilizare a unui schimbator de caldura multitubular se porneste de la un aparat caruia i se cunoaste suprafata de transfer si toate elementele constructive (diametrul, numarul de tevi) si se urmareste stabilirea conditiilor de functionare optima (debite, temperatura, caracteristici termice) si se determina de obicei temperaturile finale ale fluidelor. Calculul trebuie facut prin aproximatii succesive sau pe baza unui program de calculator deoarece necunoscandu-se temperaturile finale, calculul lui k se face prin aproximarea acestor temperaturi.

Rezistenta hidraulica (pierderea de energie prin frecare) se calculeaza separat pentru fluidul din interiorul tevii (pierderile liniare, locale, la intrarea si la iesirea prin racorduri) si pentru fluidul care circula printre tevi. Pentru acesta din urma, coeficientul de rezistenta locala ξ se determina in relatia: .

Coeficientii n si c - pentru fascicul de tevi decalat se calculeaza cu relatiile:

- pentru fascicul dispus numai in randuri

unde m este numarul de randuri din fascicul in directia de curgere a fluidului.