Creeaza.com - informatii profesionale despre


Cunostinta va deschide lumea intelepciunii - Referate profesionale unice
Acasa » tehnologie » constructii » instalatii
INDICI DE CALITATE AI SCHIMBATOARELOR DE CALDURA

INDICI DE CALITATE AI SCHIMBATOARELOR DE CALDURA


INDICI DE CALITATE AI SCHIMBATOARELOR DE CALDURA

Dimensionarea techico-economica a unui aparat schimbator de caldura cuprinde doua etape: prima, o constituie determinarea tipului de aparat cel mai indicat din punct de vedere tehnic, respectiv alegerea solutiei constructive care asigura circulatia optima a fluidelor schimbatoare de caldura; a doua, este reprezentata de stabilirea conditiilor de functionare optime economic.in continuare, prezentam principalii indici de calitate ai schimbatoarelor de caldura; acesti indici au fost selectionati dintre numeroasele propuneri existente in literatura de specialitate.in acest context, se considera oportuna prezentarea modului de calculai izolatiei termice a aparatelor de schimb de caldura, ca si evaluarea comportarii acestora pe baza curbelor caracteristice ale functionarii.

1 Coeficientul de retinere a caldurii:



Coeficientul de retinere al caldurii in aparat ηr reprezinta raportul dintre debitul de caldura preluat de agentul rece Q2 si debitul de caldura cedat de agentul cald Q1, adica:

in care s-au folosit notatiile:

Q1, Q2 -debitul de caldura cedat de agentul cald , respectiv primit de agentul rece, in [W];

Qp -pierderile de caldura ale aparatului in mediul ambiant, in [W] ;  ηr -coeficient de retinere a caldurii;

G1,G2 -debitul masic de agent cald, respectiv rece in

cp1,cp2 -caldura specifica la presiune constanta a agentului cald, respectiv rece,in [J/Kg°C]

, -temperatura agentului cald la intrarea, respectiv iesirea in/din aparat, in °C ;

-temperatura agentului rece la intrarea, respectiv la iesirea in/din aparat, in °C ;

-entalpia agentului cald la intrarea, respectiv iesirea in/din aparat, in

-entalpia agentului rece la intrarea, respectiv iesirea in/din aparat, in

Coeficientul ηr evolueaza pierderile de caldura Qp ale aparatului in mediul ambiant prin peretii sau izolatia termica a acestuia ηr; are astfel semnificatia unui randament al izolatiei termice.Coeficientul ηr este intotdeauna subunitar, iar pentru izolatiile termice corespunzatoare are valori de ordinul ηr = 0.98÷0.99 .Obtinerea unor valori mai mici pentru ηr indica o izolatie termica insuficienta sau o constructie nepotrivita pentru conditiile date de exploatare.

2 Calculul izolatiei termice a schimbatoarelor de caldura:

Majoritatea aparatelor schimbatoare de caldura au un regim de lucru fara vibratii si nu necesita o deservire continua, din care cauza izolatia termica trebuie conceputa pentru o functionare de lunga durata.Conditiile de temperatura, de regula sub 400°C permit utilizarea diverselor placi si saltele termoizolante, intre care produsele din vata minerala .Izolatia termica de baza se acopera cu un strat protector, de obicei cimenturi termoizolante pentru aparatele din cladiri si invelis din tabla pentru aparatele in aer liber.

Armatura si imbinarile cu flanse necesita in timpul exploatarii un control sistematic, din care cauza izolatia termica a acestora se executa din saltele termoizolante detasabile sau din invelisuri metalice demontabile cu umplutura termoizolanta..

a)Schimbator de caldura de forma cilindrica.

Pierderea de caldura in mediul ambiant se stabileste cu relatia:

[W]

q1-flux termic liniar, in

β-coeficient care exprima pierderile suplimentare de caldura prin elemente de sustinere si armaturile aparatului; cand nu se dispune de date mai precise, se poate lua β = 0.2 la asezarea aparatelor in incaperi si β = 0.25 la montarea in exterior;

Le -lungimea echivalenta a aparatului. in [m] determinata cu formula:[m] in care marimile D,H,h se exprima in [m] si au semnificatiile din figura 1.

Tinand seama de transferul caldurii prin peretele izolat termic(fig.2) marimea q1 se calculeaza cu formula: unde:

[m°C/W]

Notatiile din fig.2 sunt: , tf,t0 -temperatura fluidului din manta, respectiv temperatura aerului ambiant in °C;

Rlt, Rli, Rlp,Rlsp,Rliz,Rle -rezistenta termica totala, respectiv interioara, a peretelui mantalei, a izolatiei termice, a stratului protector, exterioara in [m°C/W];

di,dp,diz-diametrul interior, respectiv exterior al mantalei, exterior al izolatiei termice,

exterior al stratului protector in [m]

αie  -coeficientul de convectie interior, respectiv exterior, in [m];

λp λiz λsp-conductivitatea termica a peretelui mantalei, izolatiei termice, stratului

protector, in [W/m2°C]

Fig.1 Dimensiunile caracteristice Fig.2 Transferul de caldura prin peretele

ale unui schimbator de caldura cilindric  cilindric izolat termic

Explicand Riz,, grosimea izolatiei [m] se obtine prin rezolvarea ecuatiei:

La dimensionarea izolatiei termice, pentru marimea q1 se foloseste cea mai mica valoare dintre aceea rezultata din formula pe baza coeficientului ηr si aceea obtinuta din tabelul 1 care da pierderile normale de caldura prin suprafete izolate.

Diametrul exterior al

cilindrului

neizolat,   [mm]

Temperatura agentului termic din instalatie [°C]


Suprafata

plana

 

Tabelul 1

Pierderile normate de caldura pentru suprafetele izolate termic ale

instalatiilor amplasate in cladiri, q1[W/m] pentru suprafetele cilindrice si qs=[w/m2] pentru suprafete plane

 

Trebuie sa facem urmatoarele observatii:

.in mod curent, rezistenta termica a peretelui metalic ai mantalei Rip se poate neglija;

.cand fluidul din manta este abur care condenseaza sau apa, coeficientul ai are valori

ridicate si rezistenta termica Rli se poate neglija;

.cand stratul protector este executat dintr-un invelis metalic, rezistenta termica Risp

.coeficientul de convectie ae se determina cu suficienta prcizie cu datele din tabelul 2; . suma rezistentelor termice Rlsp +Rle este antecalculata in tabelul 3 pentru diverse

materiale ale stratului protector, asezari ale fluidului din manta.

Asezarea suprafetei

In

incaperi inchise

In aer liber, Ia o viteza a vantului w[m/s]

Caracteristici

Suprafete cilindrice cu diametrul mai mic

de 2[m]

Suprafete plane si

cilindrice cu

diametrul peste 2[m]

 

Tabelul 2

Valorile coeficientului de convectie de la suprafata exterioara a izlatiei

izolatiei la aerul ambiant αe[W/m2°C]

 

b)Schimbator de caldura cu suprafete exterioare plane

Pierderea de caldura in mediul exterior se determina cu formula:

Qp=(1-ηr)Q1=qs(1-β)S [W] ,unde

qs -fluxul termic de suprafata, in [W/m2]

S -suprafata izolata termic a aparatului, in [m2 ];

Procedand asemanator cazului precedent, grosimea izolatiei termice se stabileste din ecuatia:

[m]

in care notatiile au aceasi semnificatie ca in problema anterioara, referindu-se insa la peretele plan (fig.3).

Psrete izolatie

Fig. 3 Transferul de caldura prin peretele plan izolat termic

3Randamente termice si termodinamice:

Dintre randamentele termice si termodinamice cu care se poate caracteriza functionarea unui schimbator de caldura, cele mai utilizate sunt urmatoarele:

a)Eficienta procesului de incalzire inc) sau racire (ηrac) reprezinta raportul dintre cresterea (scaderea) de temperatura a fluidului si diferenta totala de temperatura a aparatului.

; 

b)RandamentuI termic ηt este raportul dintre debitul de caldura Ql transmis agentului rece si debitul maxim de caldura Q2max ,care ar putea fi transmis aerului rece.Debitul de caldura Q2max ceea ce ar corespunde atingerii de catre agentul rece a temperaturii agentului cald.Formulele de calcul pentru aparatul cu echicurent (EC) si respectiv pentru aparatul de contracurent (CC), curent incrucisat(CT) sau curent mixt(CM) sunt:

c)Randamentul termodinamic ηtd, exprima raportul dintre debitul de caldura Q2 transmis fluidului rece si debitul de caldura transportat de fluidul cald.Acesta din urma corespunde cantitatii de caldura pe care fluidul cald o poate transmite intr-un proces de schimb de caldura pana la echilibrul cu mediul ambiant, la care fluidul cald are temperatura si entalpia .Cu acestea, relatia de calcul este:

Randamentul termodinamic ηtd al unui schimbator de caldura evalueaza gradul de utilizare al caldurii transformate de fluidul cald.In cazul in care aceasta caldura este transformata intr-un numar de aparate legate in serie, randamentul ηtd trebuie determinat pentru intregul set deschimbatoare de caldura.

d)Eficienta termica s reprezinta raportul dintre sarcina reala Q a aparatului si sarcina termica maxima posibila:

in care Wmin este valoarea dintre Wl = G1cp1 si W2 = G2cp2 .S-a considerat coeficientul de retinere a caldurii ηr = 1.

e)RandamentuI exergetic ηex este raportul dintre variatia energiei fluidului rece ΔE2 si variatia energiei fluxului cald ΔE1:

Randamentul exergetic caracterizeaza in mod complet functionarea unui schimbator de caldura, tinand seama de toate pierderile termo si hidrodinamice ale aparatului(transferul ireversibil de caldura Ia diferenta finita de temperatura, schimbul de caldura cu mediul ambiant, pierderile de presiune ale fluidelor).

4Pierderea specifica de presiune( Δpsp )

Este definita pentru fluidul cald sau rece prin relatia:

Δpsp unde:

Δp-pierderea de presiune a fluidului respectiv la trecerea prinapart.Marime adimensionala  NTC se calculeaza pentru agentul termic cald sau rece in care Ks reprezinta valoarea medie a coeficientului global de schimb de caldura, variabil in jurul suprafetei de incalzire S si W reprezinta capacitatea tennica.In mod obisnuit, in calculul termic al schimbatorului de caldura se adopta pentru Ks o valoare medie, constanta pentru intregul aparat.Unitatile de masura folosite sunt: Ks in [W/m2 ·oC] , S in [m2] si W in [W/°C].

Pentru schimbatoarele de caldura apa-apa, valorile recomandate sunt: Δp = 0.15÷0.50[bar].Pentru alte fluide, valorile optime pentru Δpsp se determina prin calcule speciale sau pe baza informatiilor din literatura de specialitate.

5Criterii tehnico-economice

Aceasta categorie de indici de calitate evalueaza eficienta aparatelor schimbatoare de caldura si a suprafetei de schimb de caldura, considerind atat performantele tehnice, cat si efectele economice ale unei solutii constructive date.In mod special.prezinta interes economic cazul compararii aparatelor si suprafetelor de schimb de caldura pentru aceeasi sarcina termica Q si aceeasi putere de pompare N consumata pentru intregul aparat.

Din diversele criterii propuse, se apreciaza a fi mai complete urmatoarele caracteristici de comparatie tehnico-economica in forma:

in care s-au notat in plus:

G -masa aparatului;

Δtmed -diferenta medie de temperatura dintre cei doi agenti termici din aparat;

V -volumul aparatului (la dimensiunile de gabarit)

Variabila independenta exprima cantitatea de caldura transmisa la o diferenta medie de temperatura de 1°C, corespunzator unitatii de putere consumata pentru pomparea agentului termic si reprezinta indicele energetic de calitate; functiile si dau cantitatea de caldura transmisa la o diferenta medie de temperatura de 1°C, corespunzator unitatii de masa, respectiv de volum al aparatului si reprezinta indicii economici de calitate.

La calculul caracteristicilor se deosebesc 3 cazuri:

l.Cand se compara eficienta aparatelor schimbatoare de caldura, la determinarea indicilor economici de masa si volum, masa si volumul aparatului se admit cu considerarea tuturor elementelor constructive ale aparatului(suprafata de schimb de caldura, manta, capace etc.);marimea N se determina ca suma a puterilor consumate pentru pomparea celor doi agenti termici prin aparat.

Cand se compara eficienta diferitelor suprafete schimbatoare de caldura, marimile complexe se determina cu urmatoarele ecuatii:

Ks -coeficientul global de schimb de caldura raportat Ia suprafata de referinta

Pentru acest caz, masa si volumul se considera pentru suprafata de schimb de caldura, coeficientul de convectie α pentru agentul secundar se admite cu valoarea reala, iar puterea de pompare consumata se determina cu suma pentru ambii agenti termici.

Metoda de stabilire a eficientei aparatelor si suprafetei de schimb de caldura reprezentata de caracteristicile de comparatie are un caracter unitar, este simpla si comoda de aplicat.Cu ajutorul acestei metode, se poate evalua unitatea unor masuri constructive sau functionale luate in scopul imbunatatirii performantelor termice si hidraulice ale aparatelor si suprafetelor de schimb de caldura.

6 Exemplu de calcul:

Pentru un schimbator de caldura apa-apa, de tipul l-2(o trecere prin manta a fluidului cald si doua treceri prin tevi ale fluidului rece), cu suprafata de transfer de caldura S = 46.65 [m2] , sa se intocmeasca bilantul termic real si optim, sa se stabileasca indicii de calitate ai aparatului, precum si eventualele masuri de ameliorare a acestora.

Pentru calculul randamentului termodinamic si exergetic, se va admite 70=273[K] si

pentru temperatura mediului ambiant = 0°C.

Din masuratorile experimentale, au rezultat urmatoarele valori medii ale parametrii functionali:

Fluid cald: Fluid rece:

= 34°C = 24°C

= 29°C t'2 = 27°C

G1= 205 [Kg/s] G2 = 31.82[Kg/s]

p1 = 2[bar] p2 =1[bar]

Δp1 - 0.5 [bar] Δp2 = 0.7 [bar]

Din cartea tehnica a aparatului se extrag urmatoarele date constructive:

Manta:  Tevi:

Diametrul interior Dl =0.387[m];  Diametrul exterior de =0.019[m];

Spatiul intre sicane B= O.3[m];  Grosimea peretelui S= 0.00l[m];

Numar de treceri Pas t=0.0238[m];

Numar   n=160;

Lungimea activa l = 4.87[m];

Aranjare- triunghi;

Numar de treceri

Pentru ambele fluide coeficientul de convectie se poate calcula cu urmatoarea relatie

simplificata, valabila pentru apa in curgere turbulenta in intervalul de temperatura tm=0÷200°C

α=(1430+23.3·tm-0.048[W/m2·°C]

W -viteza medie a apei, in [m/s]

d -diametrul interior la curgerea prin tevi sau diametru echivalent hidraulic la curgerea printre tevi, in [mm];

tm -temperatura medie a apei, in [°C];

Se intocmeste bilantul termic real, care cuprinde urmatoarele etape de calcul:

a) Bilantul de caldura;

Q1=Q2+Qp

Q1=G1cp1()=25×4.18×(34-29)=460.84 [Kj/s]Q2=G2cp2()=31.82×4.18×(27-24)=399.02[Kj/s]

Qp=Q1-Q2=460.84-399.02=61.82  [Kj/s]

b)Diferenta medie de temperatura Δtmed:  Fluid cald Fluid rece Diferenta

34 °C  Temperatura maxima °C  Δtmax=7°C

29 °C Temperatura minima °C  Δtmax=5°C

5°C Diferenta 3°C 2°C

Fig.6 Factorul de corectie F pentru schimbatorul de caldura l-2(o trecere prin manta, doua sau multiplu de doi treceri prin tevi), fara curgeri axiale de debit prin sicane

Diferenta de temperatura medie logaritmica pentru aparatul in contracurent este: Δtmed;CC=6°C .Rezulta:

Din figura 6 rezulta coeficientul de corectie F = 0.92

Δtmed=FΔtmed:cc=0.92×6=5.52°

c)Temperaiura medie a fluidului rece si cald:

= 25.5 + 5.52 = 31.02°C

d)Calculul coeficientului de convectie pentru fluidul cald:

Aria sectiunii de trecere :

c = m reprezinta distanta dintre tevi.

La temperatura medie t1=31.02°C, vascozitatea dinamica a apei este:

=0.00081 .Diametrul echivalent este: dech =0.l395[m], iar numarul Reynolds este: (curgere turbulenta)

Viteza de curgere (

W1==0.955[m/s]

Coeficientul de convectie:

[W/m2·°C]

e)Calculul coeficientului de convectie pentru fluidul rece:

Aria sectiunii de curgere (doua treceri prin tevi):

S2=

La temperatura medie t2=25.5°C,vascozitatea dinamica a apei este:=0.00092 iar numarul Reynolds este: (curgere turbulenta)

Viteza de curgere

W2=

Coeficientul de convectie:

f)Coeficient global de schimb de caldura pentru aparat curat, in care datorita diferentei mici intre temperaturile medii ale celor doua fluide, se poate neglija rezistenta termica a peretelui tevii:

Ks0=

g) Coeficientul global de schimb de caldura al aparatului in functiune:

h)Rezistenta termica a depunerilor

i)Indici de calitate ai schimbatorului de caldura:

Coeficientul de retinere al caldurii:

Randamentul termodinamic

Randamentul exergetic, cu formula e-i-T0S, se calculeaza exergia specifica

Pierderile de presiune

-pentru fluidul cald

-pentru fluidu rece

Analiza bilantului termic real, pe baza rezultatelor obtinute mai sus , pune in evidentauramtoarele

a)Prin comparea valorii coeficentului Ks cu valorile din tabelul 4, rezulta ca acesta este cuprins in limitele admisibile 1000÷3000[W/m2·°C] fiind situat in partea inferioara a intervalului.

Tipul

aparatului

Fluidul cald

Fluidul

rece

Ks0

Ks

Rsd

Rs

W/m2·°C

W/m2·°C

m2·°C/W

m2·°C/W

Racitoare

Apa.metanol.

Amoniac

Ulei de ungere

Gaze

Solutii apoase

Organice

usoare

Organice

medii

Organice

grele

Freon 12

(vapori)

Apa

Apa

Apa

Apa

Apa

Apa

Apa

Apa

Abur

Apa, metan ol,

amoniac

Abur

Solutii

apoase(<2CP)

Abur

Solutii

apoase(>2CP)

incalzitoare

Abur

Organice

usoare

Abur

Organice

medii

Abur

Organice

grele

Abur

Gaze

Schimbatoare

Apa,solutii

apoase

Organice

usoare

Organice

medii

Organice

grele,usoare

Organice

grele

Apa,solutii

apoase

Organice

usoare

Organice

medii

Organice

grele, usoare

Organice

grele

b)Murdarirea aparatului este mai mare decat nivelul recomandat.Astfel rezistenta termica a depunderilor Rsd depaseste cu circa 40% din tabelul 4 (0.002[m2 ·C/W]), fapt ce justifica curatirea schimbatorul de caldura de depuneri.

c)Coeficientul de retinere a caldurii ηr , care caracterizeaza pierderile de caldura in mediul

ambiant, este redus, demonstrand necesitatea imbunatatirii izolatiei termice si eliminarea neetanseitatilor.

d)Analizand pierderea specifica de presiune Δpsp si comparand-o cu valorile recomandate pentru apa(0.15÷0.5bar) se constata ca ea depaseste valorile indicate pe partea fluidului rece, mentinandu-se la o valoare admisibila pe partea fluidului cald.Este astfel necesara reducerea pierderilor de presiune pe partea fluidului rece.

Etapa urmatoare de calcul o constituie stabilirea bilantului termic optim al schimbatorului de caldura.

Prin imbunatatirea izolatiei termice si eliminarea neetanseitatilor se poate ridica coeficientul de retinere a caldurii la valoarea ηr - 0.98.

Din motive constructive si functionale se mentin ca date urmatoarele marimi: S2, Ks,  .Marimile cunoscute sunt sarcina termica a aparatului Q si temperaturile de iesire

Se reduce debitul de agent rece la valoarea =25[Kg/s] astfel incat noile pierderi de presiune sunt:

[bar]

Coeficientul de convectie pe partea fluidului este:

[W/m2·°C]

Coeficientul global de schimb de caldura al aparatului curat este:

[W/m2·°C]

Coeficientul global de schimb de caldura al aparatului cu depunerile reduse la valoarea recomandata = 0.0002[W/m2·°C] se determina cu formula:

[W/m2·°C]

Se calculeaza in continuare marimile

Fig.6.1 Eficienta termica a schimbatorului de caldura l-2(o trecere prin manta, doua sau multiplu de doi treceri prin tevi)

Din figura 6.1 rezulta = 0.45

Pierderea specifica de presiune a fluidului rece:

Randamentul termodinamic este:

Randamentul exergetic este:

In concluzie, prin imbunatatirea izolatiei termice, prin curatarea aparatului si mentinerea depunerilor in limite admisibile si prin reducerea debitului si a pierderilor de presiune pe partea fluidului rece, toti indicii de calitate ai aparatului se amelioreaza; toate efectele cumulate sunt cele mai bine puse In evidenta de cresterea randamentului exergetic.

7Curbele caracteristice de functionare a schimbatoarelor de caldura:

Pentru schimbatoarele de caldura mari. a caror sarcina termica depaseste 106W, cum este cazul condensatoarelor turbinelor de abur din centralele termoelectrice, schimbatoarelor de caldura pentru prepararea apei fierbinti din centralele electrice de termoficare, aparatelor de schimb de caldura de proces din industria chimica, petrolifera etc, este necesara cunoasterea caracteristicilor acestor echipamente pentru orice regim de functionare.Acest lucru se impune in vederea folosirii cat mai rationale, cu maximum de eficienta a capacitatilor de lucru a aparatelor, precum si reducerea la valori minime a pierderilor energetice.

In acest scop, se pot construi diagrame care sa cuprinda curbe caracteristice de functionare a acestor schimbatoare de caldura, cu ajutorul carora sa se determine imediat, pe baza unor date functionale primare, principalii parametrii si indici de calitate ai acestor ap arate. Astfel, in figura 7÷7.2 sunt date ca exemplu, unele curbe caracteristice si indici de functionare pentru un

schimbator de caidura orizontal abur-apa ,destinat prepararii apei fierbinti pentru o retea de termoficare urbana.Aparatul are suprafata de schimb de caldura de 1300[m2] alcatuita din 2200 de tevi, cu diametrele 24/22 [mm] si lungimea activa de 8[mm]; schimbatorul are trecere o aburului prin manta si doua treceri ale apei prin tevi

Fig.7 Monograma pentru determinarea parametrilor termici si hidraulici la un

schimbator de caldura apa-abur

Diagramele au fost construite pentru o rezistenta termica a depunerilor Rsd = 0.0002[m2·°C/W] .Pentru alte valori ale rezistentei Rsd, coeficientul global de schimb de caldura se calculeaza cu relatia , unde Ks reprezinta valoarea determinata din monograma din figura 6, corespunzator rezistentei Rsd =0.0002 [m2 ·°C/W ], iar este un factor de corectie obtinut din tabelul 5 in functie de rezistenta termica reala a depunerilor

Tabelul 5

Factorul β pentru corectia coeficientului global de caldura Ks obtinut din fig.6

Rsd

W/m2·°C

G2 =250 kg/s

G2 =600 kg/s

G2 =900 kg/s

40°C

70°C

40°C

70°C

40°C

70°C

Procedand invers, cand se cunoaste valoarea reala Ks rezulta din masuratori

figura 7.1, se poate determina la orice regim de functionare valoarea rezistentei termice a depunerilor Rsd si evolutia acesteia in timp.

Exemplu: Modul de utilizare a diagramelor din figurile 6-8 poate fi aratat prin urmatorul exemplu: cunoscand debitul de abur G1 =16.9la presiunea absoluta de 1bar , debitul de apa prin tevi G2 = 583 [kg/s] si temperatura apei la intrarea in schimbator 70°C, din diagrame se determina:

Coeficientul de convectie abur-tevi: α1=3730[m2 ·°C/W ]

Coeficient de convectie tevi-apa:   4230[m2 ·°C/W ],

Coeficient global de schimb de caldura: Ks=1370[m2 ·°C/W ],

Temperatura apei la iesirea din aparat: = 85.5°C ;

Sarcina termica a aparatului: Q = 37.7[MW];

Pierderea de presiune: Δp2 = 0.085 [bar];

Numarul de unitati de transfer de caldura: NTC2 = 0.728 ;





Politica de confidentialitate


creeaza logo.com Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate.
Toate documentele au caracter informativ cu scop educational.