---

 

Schimbătoarele de căldură sunt dispozitive sau echipamente care mijlocesc transferul de căldură de la un fluid la altul, procedeu extrem de important în procesele de încălzire, răcire, fierbere sau condensare, dar şi în alte procese termice în care sunt prezente două sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.

Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul unui autoturism, unde fluidul cald, adică lichidul folosit pentru răcirea motorului, transferă o parte din căldura evacuată din motor unui fluid rece, în acest caz aerul din mediul înconjurător.

Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă în instalaţiile de termoficare, de la calorifere la centralele termice. De asemenea, se găsesc în aparatele de refrigerare, climatizare sau distilare - aceasta din urmă, în special în industria chimică şi petrochimică, dar acelaşi principiu este utilizat şi în cazul distilării băuturilor spirtoase.

●     Ce rol are un schimbător de căldură

●     Din ce e compus un schimbător de căldură

●     Tipuri de schimbătoare de căldură

În articolul care urmează vom vedea care sunt principalele tipuri de schimbătoare de căldură şi în ce categorii se împart.

Ce rol are un schimbător de căldură

Schimbătorul de căldură este o piesă extrem de importantă în cazul unei centrale termice, de exemplu, pentru că în baza acestui principiu are loc schimbul de căldură de la agentul termic la apa, care poate fi încălzită apoi pentru a fi folosită în casă.

 

În centralele termice, principalul fluid folosit este apa. Este utilizată pentru a degaja căldura, dar şi pentru a o absorbi. Schimbătorul de căldură este esenţial, prin rolul pe care îl are, de a transfera energia termică de la un fluid la altul. De asemenea, este relevant de menţionat faptul că într-o centrală termică sunt două tipuri de schimbătoare de căldură.

●     un schimbător de căldură primar - e utilizat pentru încălzirea apei care e folosită la încălzirea caloriferelor şi, deci, a locuinţei.

●     un schimbător de căldură secundar - e folosit pentru pregătirea apei calde care este utilizată la spălat, în bucătărie sau în baie.

La unele centrale termice moderne a apărut un schimbător de căldură care a preluat rolurile celor două menţionate mai sus. Această piesă reuşeşte să ofere simultan şi apa caldă menajeră, şi agentul termic folosit la încălzirea locuinţei.

Din ce e compus un schimbător de căldură

Un schimbător de căldură în varianta simplificată este format din două compartimente separate de un perete metalic sau din alt material. Prin fiecare din cele două compartimente circulă câte un fluid care face schimb de energie termică prin intermediul peretelui despărţitor.

Un fluid descarcă energie termică, celălalt o preia în timpul circulaţiei prin cele două compartimente. În mai toate cazurile, transferul de energie termică de la un fluid la altul se face fără ca acestea să intre în contact. Cele două fluide pot fi:

●     gazoase;

●     lichide;

●     într-una dintre combinaţiile gaz-lichid, gaz-gaz, lichid-lichid.

Pe de altă parte, există şi schimbătoare de căldură unde fluidele nu sunt separate de un perete despărţitor, iar transferul de căldură se face direct. Printre ele sunt turnurile de răcire sau camerele de pulverizare.

Dacă e să ţinem cont de funcţionalitatea lor, schimbătoarele de căldură pot fi catalogate în:

       ●     preîncălzitoare de apă sau aer,

●     răcitoare de ulei,

●     distilatoare,

●     vaporizatoare,

●     condensatoare,

●     radiatoare.

De asemenea, schimbătoarele termice pot funcţiona ca aparate principale, caz în care sunt părţi componente ale unor procese tehnologice sau ale unor procese exclusiv termice. Sunt la fel de des întâlnite şi ca aparate auxiliare, utilizate în diverse instalaţii pentru a contribui la economisirea căldurii sau a substanţelor folosite. În cadrul schimbătoarelor termice pot avea loc diverse tipuri de procese termice, cum ar fi:

●     modificarea temperaturii fluidelor, prin încălzire şi răcire;

●     modificarea stării de agregare a acestor fluide prin fierbere, evaporare, condensare, topire sau solidificare;

●     modificarea compoziţiei moleculare, prin reacţii chimice;

●     procese termice care le combină pe cele menţionate mai sus.

După materialul din care sunt fabricate, schimbătoarele de căldură pot fi:

●     nemetalice - din material ceramic sau grafit;

●     metalice - din oţel carbon, oţel inoxidabil, cupru sau alamă.

Tipuri de schimbătoare de căldură

Cele mai cunoscute tipuri de schimbătoare de căldură sunt caloriferele sau radiatoarele. Sunt folosite pentru încălzirea locuinţelor şi folosesc apa, uleiul şi, uneori, aburul drept fluide de răcire şi de încălzire.

În funcţie de configuraţia suprafeţei pe care are loc transferul de căldură, schimbătoarele de căldură sunt:

●     cu ţevi sau tubulare;

●     cu plăci sau lamelare - sunt folosite cu precădere în industria alimentară, la încălzirea şi la răcirea laptelui, a berii sau a vinului. Aceste schimbătoare de căldură sunt formate dintr-un set de plăci individuale din oţel inoxidabil, montate într-un cadru metalic de susținere și strânse cu buloane.

●     cu suprafeţe extinse (cu aripioare, nervuri, proeminenţe)

●     cu serpentine sau ţevi spiralate - sunt utilizate pentru debite mici de fluid şi au un transfer de căldură cu flux termic redus. De obicei, fluidul cald circulă prin serpentine, dar nu se utilizează pentru fluidele care formează cruste sau depuneri.

După modul de contactare a fluidelor, ies în evidenţă trei tipuri de schimbătoare de căldură: de suprafaţă, prin contact direct şi cu fluid intermediar staţionar. Iată care sunt principalele lor caracteristici:

●     Schimbătoarele de căldură de suprafaţă sunt definite de faptul că cele două fluide care schimbă căldură între ele sunt separate prin pereţi metalici, de cele mai multe ori tuburi cilindrice. Aceste schimbătoare sunt cel mai frecvent utilizate.

●     Schimbătoarele de căldură prin contact direct sunt caracterizate prin faptul că cele două fluide care participă la schimbul de căldură nu sunt despărţite prin pereţi. Fluidele vin în contact direct, iar transferul de căldură este însoţit şi de un proces de transfer de masă, de la un fluid la altul.

●     Schimbătoarele de căldură cu fluid staţionar intermediar sunt caracterizate prin faptul că transferul de căldură între cele două fluide, rece şi cald, se face cu ajutorul unui fluid intermediar care este staţionat în echipament. Acest tip de schimbătoare de căldură e apărut de curând pe piaţă, e folosit doar în anumite circumstanţe şi oferă o serie de avantaje specifice.

După principiul de funcţionare, schimbătoarele de căldură sunt împărţite în următoarele categorii, fiecare dintre ele cu particularităţile ei.

●     schimbătoare de căldură recuperatoare. În cazul acestor piese, fluidul cald şi cel rece circulă în acelaşi timp prin ele, iar transferul de căldură se realizează prin intermediul unui perete care separă fluidele. Cele mai des întâlnite schimbătoare de căldură recuperatoare sunt generatoarele de abur, răcitoarele de apă sau radiatoarele şi condensatoarele pentru diferite substanţe.

●     schimbătoare de căldură regeneratoare. În această categorie intră acele echipamente în care suprafaţa pe care se face schimbul de căldură e expusă alternativ celor două fluide, rece şi cald. Căldura agentului cald se acumulează în peretele de schimb, de unde este cedată fluidului rece. Printre aparatele care funcţionează după acest principiu sunt aparatele cu umplutură metalică sau ceramică.

●     schimbătoare de căldură prin amestec.  În acest caz, procesul de schimb de căldură se face prin contactul direct şi amestecarea fluidului cald cu cel rece, rezultând un singur fluid cu proprietăţi termice medii între cei doi agenţi disponibili iniţial. Schimbătoare de acest tip sunt turnurile de răcire, degazoarele, unele condensatoare şi alte sisteme de acest fel.

Trebuie menţionat faptul că atât schimbătoarele de căldură recuperatoare, cât şi cele regeneratoare sunt schimbătoare de căldură la care transferul se face indirect, prin intermediul unui perete cu o suprafaţă finită şi, din acest motiv, se mai numesc şi schimbătoare de căldură de suprafaţă.

Trebuie menţionat, însă, că schimbătoarele de căldură sunt piese şi echipamente care se pot coroda uşor, sub acţiunea fluidelor folosite. De aceea, atunci când apar defecţiuni la sistemele care le folosesc, cum e cazul unei centrale termice, e necesară intervenţia personalului autorizat şi pregătit să ofere asemenea servicii de reparaţii.