INTRODUCERE Schimbătoarele de caldură sunt aparate destinate transferului căldurii între două sau mai multe fluide cu nivele de temperatură diferite. Schimbătoarele de caldură sunt elemente esenţiale într-o gamă largă de sisteme, incluzând automobilele, computerele, centralele termoelectrice, echipamentele de răcire/încălzire pentru asigurarea confortului, etc. Studiile au evidenţiat că peste două treimi din energia primară consumată într-o ţară trec, până la forma finală de energie utilă, în medie, printr-un lanţ de 2-4 schimbătoare de căldură. Transmiterea căldurii între agenţii termici se poate realiza in condiţiile schimbării stării de agregare a acestora sau fără schimbarea stării lor de agregare. Evoluţia stării de agregare a agenţilor termici, în timpul transferului termic, influenţează direct asupra construcţiei schimbătoarelor de caldură, fapt ce face ca soluţiile constructive ale acestora să fie foarte diverse. Considerând evoluţia stării de agregare a agenţilor termici, în timpul circulaţiei lor prin schimbătoarele de caldură, acestea se pot clasifica în două mari grupe, şi anume: -
răcitoare şi încălzitoare - care sunt schimbătoare de caldură ce servesc la transmiterea căldurii fără schimbarea stării de agregare a agenţilor termici;
-
evaporatoare şi condensatoare - care servesc la transmiterea căldurii cu schimbarea stării de agregare a unuia sau tuturor agenţilor termici.
Construcţia schimbătoarelor de căldura este influentata de: -
cantitatea de căldură transmisă;
-
parametrii termodinamici - temperatura, presiunea, volumele şi starea de agregare a agenţilor termici;
-
proprietăţile fizico-chimice, densitatea, vâscozitatea etc;
-
agresivitatea agenţilor termici faţă de materialul de construcţie;
-
gradul de impurităţi al agentului termic şi caracterul depunerilor;
-
proprietăţile materialului din care sunt realizate schimbătoarele;
-
destinaţia aparatului şi procesele care au loc în el;
-
tensiunile care apar ca rezultat al acţiunii presiunii agenţilor termici ca şi diferenţa în dilatările termice ale diferitelor elemente componente, ale schimbătoarelor de caldură.
Industria petrochimică utilizează o gamă variată de aparate de schimb de caldură, dar, marea lor majoritate sunt aparate ce au delimitate două spaţii pentru circulaţia separată a celor doi agenţi între care are loc schimbul de căldură. 1
CAPITOLUL I CLASIFICAREA SCHIMBĂTOARELOR DE CĂLDURĂ Tipurile şi construcţiile schimbătoarelor de căldură sunt foarte diferite. De aceea, este necesară o clasificare a schimbătoarelor de căldură, ţinând seama de particularităţile lor funcţionale şi constructive. După modul de transmitere a căldurii, schimbătoarele de căldură pot fi împărţite în două grupe: aparate de suprafaţă şi aparate de amestec. La schimbătoarele de căldură de suprafaţă, agenţii termici (primar şi secundar) sunt despărţiţi printr-un perete (suprafaţa de transmitere a căldurii sau suprafaţa de încălzire) dintrun material bun conducător de căldură, prin care se transmite căldura. La schimbătoarele de căldură de amestec, agenţii termici se amestecă direct unul cu altul, amestecarea fiind însoţită de o transmitere a căldurii de la un agent la altul. Schimbătoarele de căldură de suprafaţă pot fi împărţite în următoarele clase caracteristice: I.1 După destinaţia schimbătoarelor de căldură, deosebim: - preîncălzitoarele, folosite pentru încălzirea diferitelor substanţe lichide sau gazoase necesare industriei ; - răcitoarele, folosite pentru răcirea gazelor sau a lichidelor (produse industriale). În afară de acestea, poate fi menţionată o mare grupă de schimbătoare de căldură denumite condensatoare, folosite
pentru condensarea vaporilor. Pe lângă procesul de
condensare a vaporilor în care, după cum se ştie, temperatura acestora rămâne constantă, în condensatoare mai are loc şi încălzirea agentului termic de răcire (de cele mai multe ori apă). I.2 După direcţia de deplasare a agenţilor termici deosebim : a) aparate cu echicurent (fig.I.2a), în care agenţii termici se deplasează în acelaşi sens;
Fig. I.2a Schimbător de căldură tubular orizontal cu echicurent, cu o singură trecere(construcţie rigidă)
2
b) aparate cu contracurent (fig.I.2b) în care agenţii termici se deplasează, în sensuri contrare;
Fig. I.2b Schimbător de căldură vertical cu contracurent, cu o singură trecere c) aparate cu curent încrucişat (fig.I.2c), în care agenţii termici se deplasează în direcţii perpendiculare una pe alta; d) aparate cu curent mixt (fig.I.2d) în care direcţiile de deplasare ale agenţilor termici pot forma diferite combinaţii, din cele indicate mai sus (o parte - echicurent, o parte contracurent, etc).
Fig. I.2c Schimbător de căldură cu curent încrucişat
Fig. I.2d Schimbător de căldură cu curent mixt, cu pereţi despărţitori longitudinali în spaţiul dintre ţevi
3
I.3 După numărul de treceri deosebim schimbătoare de căldură : a) cu o singură trecere (fig.I.2a şi fig.I.2b), în care agenţii termici se deplaseaza pe o singură cale, fără să-şi schimbe sensul de mişcare; b) cu mai multe treceri (fig.I.3a şi fig.I.3b) în care agenţii termici se deplasează prin câteva căi, schimbîndu-şi succesiv sensul de mişcare.
Fig. I.3a Schimbător de căldură cu mai multe treceri (în spaţiul din interiorul ţevilor)
Fig. I.3b Schimbător de căldură cu mai multe treceri (în spaţiul dintre ţevi) O particularitate constructivă a schimbătoarelor de căldură cu mai multe treceri este prezenţa pereţilor despărţitori, care faţă de axa geometrică a aparatului, pot fi longitudinali sau transversali. În funcţie de dispoziţia pereţilor despărţitori, aparatele pot avea mai multe treceri în spaţiul din interiorul ţevilor (fig.I.3a), în spaţiul dintre ţevi (fig.I.3b) sau simultan în spaţiul din interiorul ţevilor cât şi în cel dintre ţevi (fig. I.3c).
4
Fig. I.3c Schimbător de căldură cu mai multe serpentine (atât în spaţiul din interiorul ţevilor cât şi în spaţiul dintre ţevi) I.4 După starea de agregare a agenţilor termici, deosebim: - schimbătoare de căldură vapori-lichid; - schimbătoare de căldură lichid-lichid; - schimbătoare de căldură gaze-lichid; - schimbătoare de căldură gaze-gaze etc, în funcţie de agenţii termici care acţionează reciproc în procesul de transmitere a căldurii. I.5 După configuraţia suprafeţelor de încălzire deosebim: - aparate tubulare, a căror suprafaţă de încălzire este compusă din ţevi drepte (de exemplu fig.I.2a); - aparate cu serpentine, a căror suprafaţă de încălzire este compusă din serpentine (fig.I.5a şi fig.I.5b);
Fig. I.5a Schimbător de căldură cu serpentină cilindrică
5
Fig. I.5b Schimbător de căldură înecat, cu serpentină plană
- aparate de tipuri speciale (cu plăci, cu nervuri, cu aripioare, cu ace, în fagure, spirale etc.); elementele componente ale acestora sunt reprezentate în fig.I.5c;
Fig. I.5c Elemente constructive ale schimbătoarelor de căldură:a-cu plăci şi curent încrucişat; b-cu nervuri; c-cu aripioare; d-formă aciculară; e-cu fagure; f- cu spirală
6
- aparate combinate, a căror suprafaţă de încălzire este compusă din elemente de configuraţie diferită (de exemplu, din ţevi drepte şi din serpentine, ca în fig. I.5d).
Fig. I.5d Schimbător de căldură combinat (tubular cu serpentină) Din marea grupă a aparatelor tubulare (ca şi a unor alte aparate) putem menţiona : - aparate verticale, în care elementele suprafeţei de încălzire (de exemplu, ţevile) sunt aşezate vertical (fig. I.2a); - aparate orizontale (fig. I.2b); - aparate înclinate. I.6 După materialul din care este construită suprafaţa de încălzire sau de transmitere a căldurii putem deosebi: - aparate metalice, a căror suprafaţă de încălzire este executată din metal; - aparate nemetalice, a căror suprafaţă de încălzire este executată din materiale nemetalice bune conducătoare de căldură (de exemplu, din materiale ceramice, din grafit etc). I.7 După rigiditatea construcţiei schimbătoarelor de căldură tubulare, deosebim : - aparate de construcţie rigidă, care nu permit compensarea dilatării elementelor din care sunt compuse (ţevi şi mantale); - aparate de construcţie elastică, la care se prevede compensarea totală a dilatării elementelor componente (schimbătoare de căldură cu corp alunecător, cu presetupe la plăcile tubulare,cu ţevi în formă de U, cu ţevi duble, etc.) - aparate de construcţie semielastică, cu o compensare parţială a dilatărilor. Schema unui schimbător de căldură tubular de construcţie rigidă este prezenată în fig.I.2a, cea a schimbătorului de căldură construcţie elastică în fig.I.7a...fig I.7d, iar cea a schimbătorului de căldură construcţie semielastică in fig.I.7e. 7
Fig. I.7a Schimbător de căldură tubular, cu corp alunecător
Fig. I.7b Schimbător de căldură tubular, cu ţevi în formă de U
Fig. I.7c Schimbător de căldură tubular, cu ţevi duble
Fig. I.7d Schimbător de căldură tubular, cu compensator cu presătupă
Fig. I.7e Schimbător de căldură tubular, cu compensator în formă de lentilă
8
I.8 După caracterul regimului termic al aparatului deosebim: - aparate cu regim termic staţionar, la care temperaturile agenţilor termici într-un sector dat al suprafeţei de încălzire nu variează in timp; - aparate cu regim termic nestaţionar, la care condiţia menţionată mai sus nu este respectată. Din prima grupă fac parte aparatele cu acţiune continuă (schimbătoarele de căldură propriu-zise), iar din cea de-a doua grupă schimbătoarele de căldură cu acţiune periodică (întâlnite de cele mai multe ori ca aparate de reacţie). I.9 După construcţie schimbătoarele de căldură tubulare şi cu serpentine, se pot împărţi în: - aparate elementare (fig. I.9a) compuse dintr-o ţeava („ţeava în ţeava") sau dintr-un număr mic de ţevi aşezate într-un corp;
Fig. I.9a Schimbător de căldură monotubular elementar (ţeavă în ţeavă) - aparate cu manta (fig. I.2a şi fig. I.2b), compuse dintr-un număr mare de ţevi închise într-o manta comună (corp); - aparate înecate (fig. I.5b), compuse din elemente scufundate într-un corp - aparate cu stropire (fig. I.9b), stropite direct de agentul termic şi care nu au un corp despărţitor.
Fig. I.9b Schimbător de căldură cu stropire 9
În afară de acestea, putem menţiona : - aparate într-un singur corp (fig. I.2a sau fig I.9a), compuse dintr-un singur corp, manta sau element; - aparate cu mai multe corpuri sau secţionale (cu mai multe elemente) compuse din două sau mai multe corpuri, mantale sau elemente legate în serie (fig. I.9c şi fig. I.9d).
Fig. I.9c Schimbător de căldură din mai multe elemente (secţional)
Fig. I.9d Schimbător de căldură tubular, cu manta şi cu două corpuri Tot aici trebuie menţionate aparatele cu cămaşă, la care suprafaţa de încălzire este reprezentată de pereţii aparatului (fig. I.9e).
Fig. I.9d Schimbător de căldură cu cămaşă 10
CAPITOLUL II SCHIMBATOARELE DE CALDURA IN INDUSTRIA DE RAFINARE A PETROLULUI SI INDUSTRIA PETROCHIMICA In industria de rafinare a petrolului si petrochimica aparatele de schimb de caldura joaca un rol extreme de important. Schimbatoarele de caldura sunt intalnite deci sub toate formele in instalatii, fara ele nefiind posibil procesul de rafinare al titeiului si de obtinerea produselor rezultate din petrochimie. Pentru a expemplifica importanta acestor aparate voi prezenta in ceea ce urmeaza schemele catorva instalatii: Schema unei instalatii de distilare atmosferica a titeiului:
Schema unei instalatii de distilare atmosferica a titeiului : 1 — coloana de distilare; 2 — coloana de stripare; 3 — coloana de stabilizare a benzinei; 4 — coloana zero; 5 — cuptor; 6 — vas de reflux al coloanei DA; 7 — vas de reflux al coloanei de
stabilizare; 8 — vas de reflux al coloanei zero; 9 — desalinator ; 10 —
condensator cu aer; 11 — condensator cu apa; 12 — racitor cu apa; 13 — schimbatoare de caldura ; 14 — racitoare cu aer; 15 — pompe.
11
II.1 Distilarea atmosferica Prin distilarea atmosferica se realizeaza separarea titeiului in fractiuni inguste: benzina, petrol, motorina si reziduu ce constitue materii prime pentru o serie de procese de prelucrare ulterioara. Fractia de benzina usoara C5-70oC poate reprezenta materia prima pentru instalatiile de piroliza, benzina grea (fractia 70-170 oC) constituie materia prima pentru alimentarea instalatiilor de hidrofinarea benzinei si de reformare catalitica. Fractiile de petrol si motorina pot constitui de asemenea materii pime pentru instalatia de piroliza. Pacura este trimisa la instalatiile de distilare in vid. Instalatiile DA, fiind prima etapa de procesare a titeiului, este principalul furnizor de materii prime pentru procesele de prelucrare ulterioare. Dupa cum se observa urmarind fluxul tehnologic, intalnim aparate de schimb de caldura: prima data sub forma unui vaporizator, plasat dupa desalinator, intercalate in terenul de preincalzire a titeiului. Calitatea fractiilor obtnute din coloana DA poate fi modificata, actionand asupra temperaturilor pe talerele de curgere, prin modificarea cantitatii de reflux intern coborate cu variatia refluxurilor recirculate. Extragerea caldurii din coloana se realizeaza prin utilizarea refluxurilor recirculate sau refluxurilor subracite. Sistemul cu reflx subracit introdus imediat sub talerul de culegere are avantajul ca toate talerele sunt talere de fractionare, refluxul intern fiind la echilibru cu fluxul de vapori.
12
II.2 Schema unei instalatii de piroliza:
Schema de principiu, redusa, a unei instalatii tipice de piroliza, cu indicarea sectiei calde si reci. N + U = neutralizarea si uscarea gazelor de piroliza: 1 — cuptor; 2 — generator de abur; 3 — coloana de fractionare; 4 — compresor; 5 — sectie de fractionare. Racirea efluentului prin generare de abur (TLE) Pentru a opri brusc procesul de piroliza si a frana violent evolutia reactiilor de polimerizare, se trece efluentul prin legaturi scurte (in 10 ms) ascendent prin tuburile generatorului de abur (TLE). La un singur generator vertical, tip tub in tub sau, mai uzual, fascicul de tuburi cu o singura trecere, in manta, plasat deasupra zonei de radiatie, pot fi conectate 2—6 circuite din cuptor. Recuperarea eficienta a caldurii in TLE poate constitui cca. 50% din caldura cedata de cuptor. Pentru a reduce tendinta de formare a cocsului in TLE este necesar ca temperatura de roua a efluentului sa fie inferioara temperaturii peretilor tuburilor la iesirea din TLE. In figura de mai jos sunt aratate orientativ de-a lungul aparatului variatiile temperaturii produsului, temperaturii tuburilor si tensiunii termice.
13
Variatia unor parametri tehnologici ai generatorului de abur (TLE) cu lungimea tuburilor Din cauza tendintei ridicate de cocsare a efluentului de la piroliza motorinelor grele, pentru racirea brusca si recuperarea caldurii se recurge la injectia directa de ulei de reciclu, urmata de separarea fazelor in doua scrubere successive: faza lichida a acestora este filtrata, iar cea de vapori trece in coloana de fractionare calda. Sistemul de recuperare a caldurii in acest caz este mai complex si aburul produs are parametrii mai scazuti. Caderea de presiune prin tuburile curate ale TLE (dt =32-38 mm) este de 0,2—0,3 bar, iar vitezele de masa orientative de 50—55 kg/m2s la piroliza etanului, 55—60 kg/m2s in cazul pirolizei benzinei si 65—70 kg/m2s la piroliza motorinei. Ratia masica de recirculare apa/abur pentru TLE verticale este de 12—14, iar zestrea cazanului orizontal de apa-abur corespunde unui timp de stationare a apei de 6—8 minute. Depunerea progresiva a cocsului spre zona finala a serpentinei si pe tuburile TLE are ca efect cresterea excesiva a temperaturii metalului tuburilor spre limita superioara a specificatiilor, sau si cresterea presiunii, care reduce selectivitatea la etena. Ambele cazuri impun operatia de decocsare. Mecanismul reactiilor de formare a cocsului pare a fi mai bine explicat cinetic si catalitic, prin cresterea constantei vitezei de reactie la temperaturi ridicate. Procesul de cocsare se accentueaza datorita cresterii raportului suprafata/volum al tubului si datorita 14
actiunii catalitice, a suprafetelor metalice (Fe, Ni) si oxizilor metalici. De fapt la inceput intensa, viteza depunerii cocsului scade. Prezenta combinatiilor cu sulf in materia prima, pana la concentratie de cca 400 ppm S, protejeaza suprafetele metalice prin formarea de sulfuri; la concentratii mai mari de sulf, depunerea de cocs se accentueaza. Intr-o serie de 4 articole a fost studiata formarea cocsului in special pe tuburi cu diametre mici, dt = 25—50 mm, ajungindu-se la concluzia ca formarea cocsului are ca precursori picaturile fine de reziduu si acetilenele sau anumiti radicali liberi. S-a recomandat examinarea prin SEM (Scanning electron microscope) si EDAX (energy dispersive X-ray analyser) a cocsului depus, pentru a obtine informatii utile privind influenta modificarii materiei prime (a impuritatilor in cazul C2, C3) asupra formarii cocsului, a decocsarii si a imbunatatirii conditiilor de exploatare. Decocsarea se efectueaza analog celei de la cracarile termice, introducandu-se, dupa „suflarea" cu abur a serpentinei, abur cu cca 1% aer la 600°-800°C, marindu-se progresiv si controlat temperatura si procentul de aer. Orientativ, o decocsare cu abur la 900—950°C (H 2O + C → CO + H2) dureaza 30 ore, cu abur si 10% aer dureaza 10 ore si cu abur si 20% aer doar 5 ore. Pentru serpentinele de piroliza a distilatelor de DV s-a aplicat decocsarea in „mers" a unor serpentine in timp ce celelalte, in aceeasi icinta de radiatie, functionau normal. Durata de functionare a unui cuptor este determinata de lungimea perioadei intre doua decocsari succesive. Pentru a mentine instalalia de piroliza in exploatare anuala de 8 000 — 8300 ore (91 —95%) este necesara prevederea unor cuptoare suplimentare. Astfel de exemplu pentru o instalatie cu o capacitate de productie de 300 kt/an etena avand cuptoare mari, care produc 40 50 kt/an etena pe cuptor, ar fi necesare 300/45 = 6,7 cuptoare; In realitate vor trebui prevazute 8 cuptoare. Datele orientative asupra functronarii generatorului de abur sunt consemnate in tabelul de mai jos: Date orientative asupra functionarii generatorului de abur (TLE)
15
II.3 Schema unei instalatii de reformare catalitica:
In cazul reformarii catalitice are loc reactia in urma careia hidrocarburile ce prezinta o catena liniara sunt transformate in hidrocarburi cu structura izomerizata si hidrocarburi aromate in principal. Un alt produs deosebit de important il reprezinta hidrogenul, instalatia de reformare fiind, alaturi de fabricile de hidrogen, cele mai importante surse de hidrogen pentru sistemul de rafinare. Reactiile care au loc sunt reactii puternic endoterme, foarte sensibile la variatiile de temperatura. De aceea blocul reactor este impartit in 3 reactoare dspuse in serie, ele functionand ca un totunitar. Pentru mentinerea unei temperaturi optime pentru desfasurrea reactiilor de reformare la conversii cat mai ridicate, intre fiecare treapta de reactie se introduce un aparat de schimb de caldura. Materia prima intra in primul reactor la o temperatura in jur de 530°C dar pe masura ce se desfasoara reactiile chimice, datorita endotermicitatii, la iesirea din reactor temperatura scade sub 500°C. De aceea, pentru ca reactia sa aiba loc in conditii eficiente, se introduce un aparat de transfer termic pentru ridicarea acestei temperaturi inainte de intrarea in cel de-al doilea reactor. Procedeul este similar si in cazul celui de-al treilea reactor. Datorita sarcinii termice ridicate, pentru incalzirea efluentului intre fiecare treapta de reactie se folosesc cuptoare. CAPITOLUL III 16
MENTENANTA SI FIABILITATEA SCHIMBATOARELOR DE CALDURA
CALITATEA – a fost definită prin standardul internaţional ISO 8402 ca fiind: ansamblul de proprietăţi şi caracteristici ale unei entităţi care îi conferă acesteia aptitudinea de a satiface nevoile exprimate şi implicite ale clienţilor. Prin cerinţe exprimate şi implicite conţinute în definiţia termenului calitate trebuie să se înglobeze următoarele aspecte: • satisfacerea unei necesităţi, utilităţi sau a unui scop bine definit; • satisfacerea aşteptărilor clientului; • conformitatea cu standardele şi cu specificaţiile aplicabile; • conformitatea cu cerinţele societăţii (reglementări, legi, reguli, etc.); • disponibilitate la un preţ competitiv; • obţinerea produselor în condiţii de profit. Caracteristici de calitate, după natura lor, pot fi: - caracteristici tehnice (parametri tehnico-funcţionali şi tehnico-economici ai produsului: ex.: randament, factor de putere, raport între cuplul de pornire şi cel nominal, etc.); - caracteristici economice (costul unitar al produsului, preţul de vânzare, rebuturi, cheltuieli de exploatare, întreţinere, montare, etc.); - caracteristici estetice (forma, culoarea, prezentarea, ambalarea, etc.); - caracteristici sociale (influenţa pe care utilizarea produsului o poate avea asupra mediului ambiant şi se referă la poluarea atmosferei, apelor, distrugerea biosferei, zgomot, confort, etc.). Caracteristicile sociale şi estetice sunt cunoscute şi sub numele de caracteristici psihosenzoriale şi sociale. - caracteristici de exploatare (sau de utilizare): (fiabilitatea, mentenabilitatea, disponibilitatea, însuşiri ergonomice - care caracterizează relaţia om-produs şi se referă la securitatea exploatării produsului şi la protecţia mediului). Dacă se face o clasificare a produselor (bunurilor) pe care le cumpără clienţii de la diverşi producători, acestea pot fi împărţite în produse consumabile şi de îndelungată folosinţă. La rândul lor, produsele de folosinţă îndelungată se împart în produse nereparabile şi reperabile. 17
Bunurile de consum sunt utile o perioadă relativ scurtă de timp şi în urma relaţiei cu clientul ajung sa nu mai existe în forma iniţială. De exemplu, bunuri de consum sunt produsele alimentare. Produsele de folosinţă îndelungată se utilizează o perioadă relativ mare de timp. Exemple de astfel de produse sunt: aparatele electrice, maşinile-unelte, utilajele, instalaţiile, agregatele, liniile de fabricaţie, etc. Oricât de mare ar fi nivelul de calitate al unui produs de îndelungată folosinţă, o dată el tot va ajunge să nu mai funcţioneze, deoarece se defectează. În acest moment sunt posibile două alternative: repararea sau înlocuirea. Dacă produsul este de tip reparabil, starea de defectare poate fi remediată prin reparare. Un astfel de produs poate fi de exemplu un schimator de caldura, la defectarea căruia se recurge la repararea lui în vederea repunerii în funcţionare. Dacă produsul este nereparabil, cum ar fi de exemplu un corp de iluminat de tipul unui bec electric cu filament, la defectarea acestuia este necesară înlocuirea produsului cu unul de acelaşi tip, deoarece repararea nu este posibilă prin însăşi construcţia produsului. Pentru toate tipurile de produse, clienţii îşi doresc un nivel cât mai ridicat de calitate. La produsele consumabile este suficient să se evalueze nivelul de calitate la cumpărare, deoarece timpul lor de utilizare este relativ redus. Altfel se pune problema calităţii în cazul produselor de folosinţă îndelungată. Şi în cazul acestora interesează nivelul de calitate la cumpărare, însă apare aspectul utilizării pe o perioadă relativ mare de timp (chiar de ordinul anilor sau zecilor de ani). Este evident că oricine foloseşte un produs de folosinţă îndelungată şi-ar dori ca pe toată această perioada de utilizare nivelul de calitate să se menţină. Menţinerea calităţii în timp reprezintă una din primele definiţii date fiabilităţii. Menţinerea nivelului de calitate în timp atrage după sine o anumită durată a timpului în care produsul se află în stare de bună funcţionare. Cu alte cuvinte, fiabilitatea este un concept care se referă la buna funcţionare a produselor (de îndelungată folosinţă, reparabile sau nereparabile), fiind în fapt o caracteristică de calitate din categoria celor de exploatare. Fiabilitatea descrie capacitatea produsului de a se menţine în stare de bună funcţionare, însă un timp limitat (nu există vreun produs care să poată funcţiona la nesfârşit) şi în anumite condiţii de exploatare (care trebuie respectate la utilizarea produsului). Fiabilitatea este o caracteristică specifică tuturor produselor de folosinţă îndelungată, atât reparabile cât şi nereparabile.
18
În cazul produselor de îndelungată folosinţă din categoria celor reparabile, a apariţia stării de defectare, care scoate produsul din bună funcţionare, orice client îşi doreşte ca produsul defect să fie repus în funcţionare (reparat), într-un timp cât mai scurt şi cu costuri minime. Capacitatea produselor de a fi repuse în funcţionare, într-un timp dat şi în condiţii specificate descrie mentenabilitatea lor. Fiabilitatea şi mentenabilitatea, considerate împreună, definesc conceptul de disponibilitate. Cel mai simplu mod de a defini disponibilitatea este sub forma expresiei: Disponibilitate = Fiabilitate + Mentenabilitate. Prin urmare, la produsele de îndelungată folosinţă nereparabile disponibilitatea se rezumă doar la fiabilitatea acestora. Caracteristicile de utilizare a produselor, care sunt foarte importante pentru client: •
fiabilitatea,
•
mentenabilitatea,
•
disponibilitatea. Se observă că aceste caracteristici se regăsesc doar la produsele de îndelungată
folosinţă. Ele sunt importante nu numai pentru clienţii care utilizează produsele ci şi pentru producători. Aşadar noi putem relaţiona cu produsele de îndelungată folosinţă fie din postura de producător (furnizor), fie din cea de beneficiar (client). Chiar daca cineva este sceptic în privinţa faptului ca va participa vreodată la fabricarea unor produse de îndelungată folosinţă, nu va scăpa cu siguranţă de statutul de utilizator al unor astfel de produse. Indiferent dacă acestea sunt bunuri personale sau mijloace de producţie folosite la locul de muncă, informaţiile privitoare la fiabilitate sau mentenabilitate sunt oportune. Mentenabilitatea nu trebuie confundată cu mentenanţa. Iniţial, mentenanţa reunea doar activităţile de întreţinere şi reparare, însă abordările moderne întregesc conceptul prin adăugarea tuturor activităţilor tehnico-organizatorice orientate spre creşterea eficienţei utilizării oricărui produs de îndelungată folosinţă. În această situaţie, mentenanţa devine un concept mai cuprinzător, care integrează conceptele de fiabilitate, mentenabilitate, respectiv de disponibilitate a produselor.
III.1 Definirea fiabilităţii 19
Fiabilitatea reprezintă o caracteristică a produselor de folosintă îndelungată, care se referă la buna lor funcţionare. Fiabilitatea poate fidefinită calitativ sau cantitativ, după cum urmează: -
calitativ: Fiabilitatea reprezintă capacitatea unui produs de a funcţiona fără defecţiuni, într-un interval de timp dat, în condiţii specificate.
-
cantitativ: Fiabilitatea este probabilitatea ca un produs să-şi îndeplinească funcţiile cu anumite performanţe şi fără defecţiuni, într-un interval de timp şi în condiţii de exploatare date. Din cele două definiţii rezultă că problema bunei funcţionări a unui produs nu se pune
la infinit, ci doar pentru o perioadă finită de timp. De asemenea, rezultă că fiabilitatea este o funcţie care are ca argument timpul (este o funcţie dependentă de timp) şi care se poate exprima matematic printr-o probabilitate. Ca orice probabilitate, fiabilitatea poate avea valori cuprinse în intervalul [0, 1]. Dacă fiabilitatea unui produs este 1, înseamnă că probabilitatea ca acesta să se afle în stare de bună funcţionare este 1, respectiv şansa lui de a funcţiona este e 100%. Acest lucru este adevărat doar la punerea în funcţiune a unui produs, însă nu totdeauna. Sunt cazuri când un produs este declarat conform, la toate operaţiile de control efectuate, dar din cauza unor condiţii improprii de depozitare sau transport se poate ajunga ca la punerea în funcţionare să nu funcţioneze. Acest fapt este excepţia şi nu regula, din acest motiv este considerat un accident. Dacă fiabilitatea unui produs este 0, atunci probabilitatea ca produsul să funcţioneze este o, respectiv şansa de a se afla în funcţionare este 0%. Ambele definiţii adaugă faptul că fiabilitatea descrie buna funcţionare a produsului doar în contextul respectării unor condiţii de exploatare specificate. Sacestea trebuie identificate de producător şi apoi comunicate utilizatorului. Utilizatorul trebuie lămurit că respectarea condiţiilor prescrise pentru exploatare este necesară în interesul său. Numai aşa se poate bucura de o mai lungă perioadă până la apariţia stării de defectare. De altfel, mulţi clienţi cunosc faptul că nerespectarea condiţiilor de exploatare specificate de producător atrage după sine pierderea garanţiei unui produs.
III.2 Defectarea şi defectul 20
Evenimentul caracteristic fundamental în teoria fiabilităţii îl constituie defectul sau căderea. Prin defectare se înţelege procesul de încetare a funcţiei impuse unui produs, iar defectul reprezintă consecinţa procesului. Atâta vreme cât un produs se află în stare de bună funcţionare nu se poate spune nimic despre fiabilitatea lui. Fiabilitatea produselor se aseamănă cu sănătatea oamenilor: este apreciată doar atunci când o pierdem. Astfel spus, trebuie să aşteptăm ca un produs să se defecteze ca să conchidem asupra fiabilităţii lui. Defectarea poate avea cauze diferite care privesc circumstanţele legate de proiectare, fabricare şi de exploatarea produsului. Dacă este cazul, prin fabricare se pot înţelege şi operaţiile de asamblare a componentelor unui produs (montaj). Defectarea, după cauzele care o generează, poate fi: • inerentă - când are drept cauze vicii ascunse de la proiectare, execuţie, montaj, în condiţiile în care solicitările produsului nu depăşesc valorile prescrise; • datorată utilizării necorespunzătoare, ca urmare a solicitărilor mult mai mari, care depăşesc valorile prescrise prin documentaţia tehnică. Se observă că defectarea poate fi cauzată fie de producătorul (cea inerentă), fie de utilizatorul unui produs (cea datorată utilizării necorespunzătoare). O clasificare a defectelor ar putea fi realizată după mai multe criterii, dintre care se prezintă următoarele: a) după modul de apariţie: - primare - dacă nu sunt determinate de alt defect; - secundare - dacă sunt legate determinist sau aleatoriu de alt defect. b) după perioada de apariţie: - precoce (infantile sau de tinereţe); - de maturitate; - de bătrâneţe (uzură); c) după viteza de apariţie: - bruşte; - progresive.
d) după consecinţele defectării: 21
- minore; - majore; - critice; - secundare. e) după nivelul de defectare: - parţiale; - intermitente; - totale. f) după modul în care se afectează produsul: - totale - corespund încetării funcţionării unui produs; - de derivă - când anumite caracteristici ale produsului depăşesc limitele prescrise. Dintre defectele enumerate, cele mai „convenabile” sunt defectele progresive, pentru că în acest caz utilizatorul este averizat de începerea procesului de defectare. De exemplu, rulmenţii se defectează în acest mod, începutul procesului de edfectare fiind însoţit de instalarea unui zgomot specific (zuruitul rulmentului). Cele mai putin dorite defecte sunt cele cu apariţie intermitentă, deoarece acestea sunt mai dificil de identificat din cauză că produsul ba funcţionează, ba nu funcţionează. III.3 Mentenabilitatea produselor Mentenabilitatea, se poate defini astfel: - calitativ: mentenabilitatea reprezintă capacitatea unui produs de a putea fi întreţinut şi reparat într-o perioadă de timp specificată şi în anumite condiţii; - cantitativ: mentenabilitatea reprezintă probabilitatea ca un produs defect să fie repus în stare de funcţionare într-un timp dat, în condiţii de întreţinere specificate. Mentenanţa reprezintă, în abordarea clasică, totalitatea operaţiilor efectuate în scopul menţinerii unui sistem în stare de funcţionare şi cuprinde operaţiile de întreţinere şi reparaţie. Mentenanţa poate avea caracter preventiv sau corectiv.
Reparaţiile cu caracter preventiv se clasifică astfel: 22
- Reparaţiile curente (RC) includ activităţi de curăţire, reglaj, repararea şi înlocuirea unor componente cu uzură fizică accelerată sau supuse la solicitări puternice. Aceste reparaţii sunt denumite uneori revizii tehnice. - Reparaţiile mijlocii (RM) sau intermediare au ca obiectiv înlocuirea componentelor cu uzură normală, într-un volum şi o amploare ce depăşesc reparaţiile curente. În unele situaţii sunt identificate două grade de complexitate în cadrul acestor reparaţii intermediare (RM1 şi RM2). - Reparaţiile capitale (RK) cuprind revizuirea completă a utilajelor, demontarea completă a tuturor părţilor, verificarea tuturor punctelor ce pot genera căderi, înlocuiri masive a pieselor care sau uzat, ori şi-au epuizat ,,resursa“ de funcţionare (deci ca durată au funcţionat un interval care a atins limita apreciată ca rezistenţă maximă). Intervalul dintre două reparaţii capitale consecutive exprimat în ore, poartă numele de ciclu total de funcţionare; după cum cel dintre o reparaţie capitală şi una mijlocie este denumit ciclu mediu (fig. 4.1).
Fig. 4.1 – Ciclul total de funcţionare III.4 Definirea mentenanţei Mentenanţa nu este o descoperire a lumii moderne. Vechimea acestei activităţi se pierde în timp, ea fiind prezentă de-a lungul întregii istorii a omenirii, fie că a fost sau nu conceptualizată. Cert este că dezvoltarea societăţii omeneşti, însoţită de o puternică revoluţie în domeniul tehnicii, a fost sprijinită de dezvoltarea acestui tip de activitate. Fiind în atenţia oamenilor de ştiinţă încă din fazele de început ale tehnicii, termenul „mentenenţă” are multiple definiţii, care încearcă să scoată în evidenţă diferite aspecte. De exemplu, în „Grand dictionnaire universel du XIXe siècle” de Pierre Larousse, Paris, 1873, găsim următoarele explicaţii: MAINTENIR (a menţine) – conservation, défense, protection ... adică conservare, apărare, protecţie ... ; 23
De asemenea, în acelaşi dicţionar mai întâlnim şi următorii termeni: ENTRETIEN (întreţinere) – soin qu’on prend e mentenir une chose en état; dépense qu’on y consacre ... adică ceea ce se întreprinde pentru a menţine un lucru în bună stare; cheltuieli destinate ... ; REPARATION (reparaţie) – action de remise en marche ... adică acţiune de repunere în funcţiune ... . În ceea ce priveşte aceeaşi termeni, în „Encyclopaedia Britannica”, 1998, găsim următoarele explicaţii: MAINTENANCE – to hold in an existing state ... adică a menţine în starea existentă; REPAIR (reparaţie) – to restore to the good condition ... adică a readuce în bune condiţii; ENTERTAIN (întreţinere) – to maintain in a good condition ... adică a menţine în bună condiţie. Se observă că există o diferenţă semnificativă între „mentenanţă”, „reparaţie” şi „întreţinere”, aspect sesizat şi în „Dicţionarul explicativ al limbii române”, 1975: A MENŢINE – a păstra ceva în aceeaşi stare sau formă în care se află la un moment dat, a face să dureze ... ; A REPARA – a face propriu pentru folosire, a reface, a menţine ... ; A ÎNTREŢINE – a păstra în stare bună, în bune condiţii; a face să dureze, a menţine... . În dicţionarul amintit, toţi termenii româneşti îşi au ca origine limba franceză şi, prin urmare, în literatura de specialitate românească se consideră că, în limbajul curent, termenul de „mentenanţă” îşi găseşte justificarea cu unele remarci: -mentenanţa implică activităţi de întreţinere şi reparaţii; -este eronat să se admită că doar efectuarea de activităţi de întreţinere şi reparaţii reprezintă “mentenanţă”. În consecinţă, prin mentenanţă trebuie înţeles un ansamblu de activităţi tehnicoorganizatorice, care au ca scop asigurarea obţinerii unor performanţe maxime pentru bunul considerat (utilaj, clădire, instalaţie, etc.). De altfel, această opinie existentă în literatura românească din domeniu, este susţinută de normele franceze din domeniul mentenanţei, care subliniază următorul aspect: ... o combinaţie de activităţi tehnice, administrative şi de management ... repun în funcţiune sau menţin în condiţii de siguranţă în funcţionare ... 24
Alte completări în ceea ce priveşte acest termen ar fi cele legate de costuri (1990), durata de viaţă a utilajelor (1992) sau de risc şi siguranţă în funcţionare (1994), dar şi de extinderea utilizării terminologiei în domeniul resurselor umane (1987) şi în ceea ce priveşte protecţia mediului (1993). În literatura de specialitate din România, termenul „mentenanţă” a fost utilizat cu precădere după anul 1989, până la această dată fiind substituit în mod frecvent cu “întreţinere şi
reparaţii”
(datorită
conotaţiilor
politice).
Era
consacrată
totuşi,
terminologia
„mentenabilitate” care nu a putut fi înlocuită printr-un echivalent românesc care să poată descrie întreaga complexitate a acestui indicator. În concluzie, în prezent, în literatura de specialitate românească din domeniu se consideră că termenul care caracterizează cel mai cuprinzător fenomenul analizat este „mentenanţă”, iar aceasta are drept componente de bază activităţile de întreţinere şi reparaţii, dar şi cele administrative şi manageriale, în întreaga lor complexitate. Se consideră că mentenanţa reprezintă o treaptă superioară a deservirii mijloacelor fixe, către care trebuie să aspire toate organizaţiile, o nouă cultură şi o optică modernă, care conduce la obţinerea unei eficienţe maxime a activităţii economice. În general, organizaţiile româneşti aplică mai mult “întreţinere şi reparaţii” decât „mentenanţă”, mai ales că în contextul actualei crize economice, multe dintre ele se confruntă cu un proces de involuţie, care se manifestă pregnant şi în acest domeniu. Deoarece, rolul mentenanţei este încă adeseori subestimat, iar funcţia sa productivă nu este pe deplin recunoscută, se poate afirma că se va realiza în mod real „mentenanţă” doar după ce firmele româneşti vor parcurge un proces îndelungat de transformări şi evoluţie tehnico-economică şi socială. Prin urmare, „mentenanţa” trebuie să devină obligatoriu un partener al producţiei şi de aceea, misiunea prezentului curs este de a sensibiliza factorii de răspundere din firmele româneşti în legătură cu rolul şi importanţa managementului activităţilor de mentenanţă asupra progresului vieţii economice şi sociale din România.
CAPITOLUL IV INTRETINEREA SI REPARAREA SCHIMBATOARELOR DE CALDURA
25
Aparatele folosite pentru transmiterea caldurii de la un agent termic la altul se numesc schimbatoare de caldura. Scopul schimbatoarelor de caldura poate fi incalzirea unui fluid rece (preincalzitor) sau racirea unui fluid cald (racitor, condensator). Schimbatoarele de caldura se pot clasifica avind in vedere princiul constructiv 1)
Schimbatoare de caldura cu serpentine
Sunt ieftine. Se folosesc la lichide care nu formeaza crusta sau depuneri greu de curatat.
2) Schimbatoare de caldura cu tevi coaxiale Au o buna rezistenta la presiune si sunt recomandate pentru debite mici de fluide.
3) Schimbatoare de caldura tubulare
Posibilitati multe de adaptare. (Prin tevi va circula fluidul mai cald, cu debit mai mic, cu viscozitate mai mica, cel care face depuneri, crusta sau fluidul coroziv)
4) Schimbatoare de caldura spirale
26
Posibilitatea folosirii unor viteze mari cu o energie de pompare redusa; lipsa depunerilor; Eficienta mai mare decat cele tubulare.
5) Schimbatoare de caldura cu placi Au o mare concentrare a suprafetei de transfer termic; transfer termic intens, posibilitati de adaptare multiple
6) Schimbatoare de caldura cu aripioare
IV.1 Montarea schimbatoarelor de caldura
27
Caldura transmisa este de 20 de ori mai mare in comparatie cu caldura transmisa in teava fara aripioare
Montarea corecta a schimbatoarelor de caldura se executa in conformitate cu indicatiile proiectantului de utilaje. Faptul ca schimbatoarele de caldura se inscriu in gabarite normale permite asamblarea lor si efectuarea probelor la uzina constructoare. Caracteristic pentru montarea schimbatoarelor de caldura este gruparea acestora in baterii, in cadrul bateriilor aflandu-se utilaje de acelasi tip, fapt ce usureaza intretinerea si exploatarea (fig III.1.1):
Fig. IV.1.1 Schimbatoare de caldura montate etajat: 1- suport fix; 2 - suport mobil; 3 - placi de timbru ; 4 - placute de reglaj si alunecare O alta caracteristica este aceea ca in schimbatoarele de caldura se vehiculeaza in general medii cu temperaturi ridicate. De aceea la schimbatoarele asezate in pozitie orizontala montarea se face pe sei si suporti ce permit dilatarile. Pentru a prelua deformarile aparute in urma dilatarilor ce apar in functionarea schimbatoarelor de caldura, se iau la montaj urmatoarele masuri: —
raza seii de sprijin se majoreaza cu 3—5%;
—
suportii seilor metalice de fixare pe fundatie au prevazute gauri ovale cu joc; 28
—
toate legaturile tehnologice cu schimbatorul de caldura se fac la capatul fix al
acestuia. Recomandare Pozitia racordurilor nu trebuie sa ingreuneze accesibilitatea pentru demontarea, intretinerea si repararea schimbatorului de caldura. Astfel, la aparatele tubulare se recomanda ca racordurile de legatura pentru spatiul tubular sa nu fie asezate pe partea bombata, ci pe portiunea cilindrica a capacelor. Aparatele cu fascicul tubular si cap mobil se monteaza intotdeauna cu un spatiu axial liber, de o lungime mai mare decat a schimbatorului, pentru a se putea extrage fascicolul in vederea curatirii sau reparatiilor. In apropierea bateriilor de schimbatoare este indicat sa se afle guri de abur si apa pentru spalare, prize de aer comprimat si de energie electrica. IV.2.Probarea schimbatoarelor de caldura In general, probarea schimbatoarelor de caldura se face in uzinele constructoare, dar de multe ori dupa efectuarea unor reparatii in atelierele uzinelor chimice, aceste probe trebuie repetate. De aceea consideram necesar sa le prezentam succint.
29
Fig. IV.2.1 Montarea inelului de proba: 1 - flansa posterioara
a corpului;
2 - prezoane; 3 - inel de proba; 4 - snur de azbest
sau cauciuc; 5 - flansa. de stringere a garniturii; 6 - suruburi de stringere; 7 - placa tubulara a capului mobil. Inaintea probei hidraulice se executa un control vizual al corespondentei aparatului cu proiectul si al aspectului exterior. Se urmareste: —
depistarea fisurilor in suduri sau in zonele influentate termic;
—
neuniformitati ale cordoanelor de sudura (pe latime si inaltime);
—
descoperirea unor pori pe suprafata cordonului de sudura.
Dupa remedierea eventualelor defecte observate la controlul vizual, se trece la efectuarea probei hidraulice, care se executa in conformitate cu normele ISCIR privind vasele de presiune. Se verifica: imbinarile mandrinate dintre placile tubulare si tevi; imbinarile prin flanse ale capatului mobil; corpul aparatului. In tabelele IV.2.1 si IV.2.2 se prezinta succesiunea operatiilor efectuate la proba hidraulica, la doua tipuri de schimbatoare de caldura.
Tabelul IV.2.1
30
Operatii efectuate la proba hidraulica a unui schimbalor de caldura cu manta si fascicul tubular cu cap mobil Partea de verificat
Operatii efectuate:
Imbinarile prin - Se demonteaza capacul care permite urmarirea mandrinare intre placile tu- placii tubulare si a tevilor; bulare si tevi - se string suruburile flansei de la capatul fix; - se monteaza un inel de constructie speciala care etanseaza cu presetupa pe placa tubulara a capului mobil (fig. De mai ) - se introduce apa in interiorul mantalei; - se lasa deschis robinetul de evacuare a aerului pina ce lichidul care iese nu mai confine bule de aer; - se inchide aerisirea si se ridica presiunea pina la valoarea indicata in normele ISCIR; - se urmaresc imbinarile intre placa si tevi si se inseamna defectele; - daca se constata ca apa se scurge din interiorul tevilor acestea se inlocuiesc sau se obtureaza la ambele capete cu dopuri de otel; - dupa inlaturarea tuturor defectiunilor proba se repeta pina se obtin rezultate bune.
Imbinarile prin flanse -Se monteaza capacul anterior si fundul bombat de la ale capatului mobil capatul mobil; - se introduce apa in fasciculul de tevi; - se mentine deschis ventilul de aerisire pina in momentul cind vina de lichid evacuat nu mai contine bule de aer; - se inchide ventilul de aerisire si se creste treptat presiunea pina la presiunea de proba - se remediaza defectele observate si se repeta proba.
31
Partea de verificat
Operatii efectuate:
Corpul aparatului
- Se monteaza falnsele sau placile ce etanseaza partile de capat ale corpului aparatului; - se introduce apa in corp; - se elimina aerul; - se inchide robinetul de aerisire si se ridica treptat presiunea; - se observa cu atentie imbinarile cu flanse, cordoanele de sudura; - proba se repeta dupa fiecare remediere.
Tabelul IV.2.2 Operatii efectuate la proba hidraulica a unui schimbalor de caldura de constructie rigida Partea de verificat Imbinarile mandrinare
Operatii efectuate: prin
- Se demonteaza capacele schimbatorului; - se introduce apa in interiorul mantalei, utilizandu-se ventilul de aerisire; - se inchide ventilul de aerisire si se ridica treptat presiunea pana la valoarea prescrisa; - se remediaza defectele observate si se repeta proba.
Imbinarile prin flanse la cele doua capace
-Se monteaza ambele capace ale schimbatorului; - se introduce apa in tevi mentinand ventilul de eliminare a aerului deschis pana ce se evacueaza aerul din lichid; - se inchide ventilul de aerisire si se ridica presiunea treptat pana la atingerea presiunii de proba; - nu trebuie sa se observe scapari sau prelingeri, in caz contrar se scade presiunea, se remediaza defectele si se repeta proba.
32
IV.3 Exploatarea schimbatoarelor de caldura Pentru o functionare normala a schimbatoarelor de caldura este necesara o alegere judicioasa a spatiului prin care curg cele doua fluide. Pentru aceasta se considera necesara respectarea citorva indicatii: —
Fluidul care participa la transferul de caldura cu debit volumetric mai mic, sau
ale carui proprietati fizice conduc la un coeficient de transfer termic K mai redus (viscozitate mare, greutate specifica, conductivitate termica si caldura specifica mici), trebuie trecut in spatiul interior, iar fluidele care in timpul trecerii prin aparat isi schimba starea de agregare trebuie dirijate in spatiul exterior; —
Intrucit intensitatea fluxului de caldura depinde de coeficientul de transfer
termic K si de diferenta medie intre temperaturile celor doua fluide Δtm : schema de curgere se stabileste pentru fiecare caz in parte, tinand seama de faptul ca in majoritatea cazurilor, se adopta schema care prevede mai multe treceri in spatiul tubular, iar in cel intertubular (la fluide ce nu isi schimba starea de agregare) se prevede un numar de sicane transversale, necesare pentru realizarea vitezei optime in cazul respectiv, —
La actiuni corosive neidentice, ale celor doua fluide, fluidul care pentru
rezistenta chimica cere un material mai scump, trebuie trecut in spatiul interior, in acest fel realizindu-se economie de material scump. —
Fluidele impure sau care formeaza depuneri ce ingreuiaza transferul termic,
este indicat sa se treaca prin spatiul interior al tevilor, deoarece curatirea este mai usoara in acest caz, iar posibilitatea realizarii in spatiul interior a unor viteze de curgere mai mari conduce la micsorarea depunerilor. —
Presiunile ridicate ale fluidului impun cresterea grosimii peretelui vasului prin
care trece acesta. Din motive economice este indicat ca fluidul cu presiune mai mare sa fie dirijat in spatiul interior al tevilor. —
In cazul condensarii sau racirii pina la temperatura mediului ambiant, cind
pierderile de caldura sint dorite, este avantajoasa trecerea fluidului mai cald prin spatiul exterior, iar in cazul racitoarelor sub temperatura mediului ambiant, deoarece schimbul cu mediul este nedorit, fluidul cu temperatura mai joasa trebuie trecut in spatiul interior.
33
Recomandare Din punct de vedere tehnic si economic, vitezele de curgere si regimurile de temperatura ale fluidelor constituie elemente esentiale pentru functionarea optima a schimbatoarelor de caldura. Recomandam in tabelul IV.3a citeva valori ale acestor marimi pentru unele cazuri particulare (aparate din otel carbon, cu diametrul nominal al tevii 15—50 mm, diametrul mantalei 200—1600 mm, numarul de treceri in spatiul tubular de la 1 la 6, debite pentru lichide 1-1000 m3/h si pentru gaze 16-160000 m3/h), cind s-a considerat lichid reprezentativ apa, iar gaz reprezentativ aerul. Tabelul IV.3a Valori recomandate pentru vitezele optime de curgere ale fluidelor Mediul fluid Apa
Aer
In spatiul tubular Viteza Alte m/s caracteristici
In spatiul intertubular Viteza Alte m/s caracteristici
0,63—0,9 -debite mari, tevi cu 0,25-0,4 -debite mari, dimensiuni diametru mic, numar constructive mici ale mare de treceri mantalei
1-1,25
-debite mici, tevi cu 0,5-0,63 -debite mici, dimensiuni diametru mare, numar constructive mari ale mic de treceri mantalei
6,3-8,5
-debite mari, tevi cu diametru mic, numar mare de treceri
2,4-4
-debite mari, diametre mici ale mantalei
8,5-12,5 -debite mici, tevi cu diametru mare, numar mare de treceri
4-6,3
-diametre mari ale mantalei si tevilor, debite mici
Temperaturile de intrare si iesire a apei de racire sunt date orientativ, pentru a micsora depunerile de piatra in conditiile tarii noastre: ti = 27 - 28°C te = 45 - 50°C Pentru temperaturile de intrare ti se dau valori orientative minime in conditiile tarii noastre, iar pentru temperaturile de iesire te se dau valori maxime.
34
Se pot obtine ape din puturi de mare adincime in anumite zone cu temperaturi de intrare de 10—15°C. IV.4 Intretinerea schimbatoarelor de caldura Operatiile de intretinere curenta se limiteaza la controlul vizual si strangerea imbinarilor cu flanse. La aceste operatii schimbatorul de caldura ramane cuplat in circuit. Operatiile de curatire ale schimbatoarelor de caldura se efectueaza tot in cadrul operatiilor de intretinere, dar necesita oprirea si decuplarea aparatului. Depozitele formate inrautatesc transferul termic si se caracterizeaza prin coeficienti de murdarire a caror valoare se determina experimental. Natura acestor depozite este diferita, iar procedeul de curatire aplicat schimbatoarelor de caldura depinde de felul depozitului si elementele constructive ale aparatului. Tipuri de depozite si metode de curatire Tipul de depozite
Provenienta depunerilor
Tari
Caracteristici
Metode recomandate pentru curatire
-coroziunea metalelor, -rezistenta termica chimica saruri, cocs, rugina variaza proportional cu timpul
Poroase
-coroziuni si incluziuni - rezistenta termica mai procedee combinate de produse petroliere ridicata ca a chimice si mecanice sau de polimerizare ale depozitelor tari acestora
Moi
-fluide ce contin namol, materiale vegetale
slaba aderenta la pereti spalare cu apa sau abur
Procedee de curatire: a)
Curatirea chimica este un procedeu utilizat in special pentru curatirea
exterioara a schimbatoarelor de caldura, unde se pot controla usor efectele de corodare ale metalului. Cand in agentul chimic se introduc inhibitori, curatirea chimica poate fi facuta si in interior, avind avantajul ca nu necesita demontarea. Totodata se tine seama de costul ridicat al curatirii chimice.
35
Recomandare Depozitele ce contin hidrocarburi se curata cu solutii alcaline. Pentru depozitele formate din saruri (piatra) se utilizeaza solutie de metafosfat sau acid clorhidric diluat (15% in greutate) cu inhibitori de coroziune. b) prin
Curatirea
tevi,
urmata
cu
ajutorul
socului
termic
o
stropire
exterioara
cu
de
consta apa
in
rece
trecerea
si
se
aburului
bazeaza
pe
diferenta coeficientilor de dilatatie termica a materialului tevii si crustei. Recomandare Metoda socului termic nu se recomanda la schimbatoarele cu fascicule tubulare la care contractarile rapide si neuniforme pot conduce la slabirea mandrinarii tevilor in placa tubulara. c)
Curatirea prin mijloace mecanice consta in indepartarea depozitelor cu
ajutorul unor scule actionate manual sau mecanic. Deoarece acest procedeu presupune demontarea partiala a aparatului, volumul de lucrari creste fata de celelalte procedee. Se procedeaza in felul urmator: —
se demonteaza capacele schimbatorului de caldura pentru a avea acces la
suprafata interioara a tevilor; —
depozitele mari se curata cu perii din material plastic in forma spirala ce se
introduc in tevi, dupa care sunt impinse cu un jet de lichid sub presiune (1—2 kgf/cm2); —
depozitele tari si poroase se indeparteaza cu scule aschietoare, actionate de
masini de gaurit pneumatice sau electrice; —
se curata tevile la exterior prin raschetare si ciocanire, (curatirea este partiala),
dupa asezarea tevilor in placa tubulara. d)
Curatirea
ultrasonice module
(cu de
cu
frecvente
elasticitate
ultrasunete de
se
bazeaza
30
kHz)
intre
diferita;
ceea
ce
pe
metal conduce
patrunderea
si
crusta, la
vibratiilor
materiale
distrugerea
cu
crustei
respective. e)
Procedeele electromagnetice de curatire constau in trecerea lichidului, ce
contine depuneri, printr-un camp electromagnetic, care pentru anumite substante are proprietatea de a modifica sistemul de cristalizare, astfel ca precipitatul nu mai adera la perete, ramanand in suspensie si putand fi indepartat prin purjari repetate. Aceste procedeu este in curs de experimentare.
36
In multe cazuri, schimbatoarele de caldura sunt montate in instalatii de condensare. Deoarece instalatia de abur este exploatata de catre personalul compartimentului mecanoenergetic, consideram necesar sa prezentam principalele cauze posibile ale unor defectiuni si remedii ale instalatiilor de condensare. Defectiuni Imbacsirea purjorului si filtrului Ventile inchise Contrapresiune in reteaua de retur; apare in special la schimbatoarele de caldura instantanee si la bateriile de incalzire ale aerului cu circulatie fortata. Patrunderea aerului; formarea unui “dop de apa” care poate impiedica aerul sa ajunga in punctele unde sunt legate eliminatoarele de aer Cantitate insuficienta de abur Presiunea prea scazula
Remedii in cadrul operatiei de intretinere: Curatirea purjorului si a filtrului de impuritati Deschiderea ventilelor Micsorarea caderii de presiune in interiorul aparatului (la punerea in functiune); aceasta defectiune este in general remediata in faza de regim Dotarea cu dispozitive de eliminare a aerului in punctele respective Corelarea consumului instalaliei cu cantitatea de apa pe care o poate furniza instalatia de alimentare La proiectarea instalatiei nu s-a tinut seama in suficienta masura de caderile de presiune (conducte, aparate, ventile etc.); se impune reproiectarea instalatiei Crearea unei caderi de presiune prin rezistent,e inlroduse in sistem
Presiune excesiva; apare la inslalatiile ce confin purjoare mecanice (oala de condensare, cu plutitor etc.), iar presiunea de-paseste valoarea maxima admisS in exploa-tare impiedicind deschiderea purjoarelor Obturatii ale liniilor principale sau Curatirea sistemului de corpuri straine ce se gasesc secundare de alimentare cu abur sau in intotdeauna in instalatiile noi relur Retur necorespunzator datorita: -suprainaltarii returului condensatorului si instalarii la priza de abur a unei valve de termoreglare; -depasirii presiunii maxime prevazute (la instalatiile de retur ale condensatorului prin presiune); -diferentei de nivel insuficiente a aparatelor, in raport cu nivelul apei din cazan (la instalatiile de abur de joasa presiune)
Instalarea unei pompe cu regulator de nivel pentru returul condensatorului Verificarea si repararea supapei de siguranta Eroare de calcul; asigurarea posibilitatii controlului presiunii apei in cazan
37
Defectiuni
Remedii in cadrul operatiei de intretinere:
Inclinarea insuficienta a liniei de alimentate cu abur, a liniei de retur si a condensatorului sau a ramificatiilor Instalarea purjoarelor inainte de verificarea prealabila a indepartarii dispozitivelor de siguranta (sirme, protectii aplicate pe capetele filelate, placi de blocare etc.) Capacitate insuficienta a purjoarelor, ce apare in special la presiunea din stare rece sau la varfuri de sarcina Infiltratii de abur care se produc in toate cazurile cand purjoarele nu sunt instalate imediat sub, sau langa, punctul de drenare
Verificarea si revederea inclinarii pentru a evita pierderile mari de sarcina sau chiar obturarile temporare ale tevilor Demontarea si indepartarea dispozitivelor de siguranta
Inlaturarea surplusului de condensat
Verificarea modului de inslalare si reinstalarea corecta a purjoarelor; In cazurile cand teava de aductie a condensatorului la purjor este instalata direct in mediu de abur (cilindru rotativ, oale de condens cu fund dublu); este necesar sa se prevada dispozitive de dezaerare pentru evacuarea aburului infiltrat sau sa se instaleze purjoare cu oala de condensare rasturnata prevazuta cu orificiu de dezaerare Ventile de control blocale in pozitia de Verificarea ventilelor si deblocarea lor prin inchidere datorita unor avarii ale obtu- inlocuirea partilor defecte ratorului, ale tijei, ale presgarniturii sau faptului ca ventilul a inghetat Formarea unui vid excesiv datorita Instalarea unei valve de inlaturare a vidului faptului ca pe conducta de alimentare este instalat un regulator de temperatura, iar in anumite faze supapa inchide complet sau reduce alimentarea Plutitoare (la purjoare cu plutitor sau Verificarea coroziunii condensatorului si inlocuirea temostatice) avariate datorita unor con- plutitoarelor densate corosive Astuparea orificiului de dezaerare al Verificarea si curatirea de impuritati sau de cruste a oalei de condens (la purjoarele cu oala orificiului de dezaerare rasturnata) Radialoarele, convectoarele radiante sau Verificarea rapida a purjoarelor de condensat si a cu placi nu incalzesc ventilelor
38
Operatiile executate la intretinerea purjoarelor cu plutitor ale caror defectiuni in functionare constituie in general cauza unor dese intreruperi in exploatare, sunt date in tabelul: Operatii de intretinere ale purjoarelor cu plutitor Purjor cu plutitor, 1. Curatirea periodica a filtrului protectie instalat inaintea purjorului
Purjor cu plutitor, cu evacuare termostatica a aerului de 1. Curatirea purjorului de namolul ce se acumuleaza pe fund. Operatia se executa demontand dopul inferior
2.Curatirea purjorului de eventualele 2. Scoaterea capacului si inspectarea depuneri de namol scotand dopul la partea periodica a mecanismului purjorului inferioara a purjorului 3. Scoaterea corpului (prin desurubarea 3. Controlul cepului robinetului si a scasuruburilor respective) si controlul organelor unului. Se extrage axul grupului de parghii interioare ale plutitorului si se desurubeaza scaunul 4. Controlul cepului de inchidere a scaunului 4. Inspectarea si curatirea elementului si inlocuirea partilor avariate termostatic pentru eliminarea aerului 5. Daca in stare rece burduful elastic nu este in pozitie contractata si nu poate fi comprimat manual, se va inlocui elementul termostatic care face corp comun cu scaunul 6. Verificarea si inlocuirea garniturilor
IV.5 Repararea schimbatoarelor de caldura Operatiile principale efectuate la repararea schimbatoarelor de caldura constau in: demontarea aparatului; stabilirea degradarilor; repararea placilor tubulare; repararea suprafetei de transfer (tevi, serpentine); repararea corpului aparatului; verificarea si inlocuirea garniturilor si a asamblarilor demontabile; montarea si probarea aparatului. Repararea placilor tubulare. Dupa demontarea aparatului se cerceteaza starea placilor tubulare. O placa tubulara corespunzatoare trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: —
suprafetele de etansare trebuie sa fie perfect netede si plane; nu trebuie sa
existe zgirieturi radiale, pori, lovituri etc.; —
lipsa fisurilor intre doua orificii invecinate ale placii tubulare;
39
—
abaterile admisibile ale capacului fata de placa tubulara sunt de 0,2 mm (in
timpul asezarii pe suprafetele prelucrate ale placii tubulare). Fisurile aparute in placile tubulare ale caror lungime nu depaseste 10% din lungimea puntitei (distanta intre circumferinta tevilor apropiate) si cu o adincime de cel mult 40% din grosimea placii, se sudeaza in conditii normale. Pregatirea fisurii pentru sudura se face prin sanfrenare la 50—60° pina la adancimea maxima a fisurii. Recomandare Pentru fisurile adanci sau patrunse marginile se pregatesc pentru sudura astfel: —
la grosimi de placa sub 15 mm margini in V ;
—
la grosimi de placa peste 15 mm margini in X.
Pentru reducerea efectului termic al sudurii, se recomanda sudarea fisurilor mai lungi de 100 mm — in pas de pelerin, iar a fisurilor adanci — in mai multe straturi. Daca fisura atinge marginea gaurilor sau se apropie de marginea gaurii pina la g mm calculati cu relatia: unde d este diametrul gaurilor, mm; p — pasul gaurilor, mm; atunci
compensarea
slabirii
gaurilor
se
realizeaza
prin:
strunjirea
gaurii;
confectionarea unei bucse de intarire cu inaltimea de trei ori mai mare decat grosimea placii tubulare sudarea bucsei de intarire in gaura. Repararea suprafetei de transfer. Operatia consta in urmatoarele: —
controlul starii suprafetelor de schimb;
—
scoaterea tevilor deteriorate sau obturarea lor;
—
pregatirea tevilor in vederea introducerii in placa tubulara;
—
pregatirea placii tubulare;
—
fixarea tevilor in placa tubulara;
—
proba hidraulica.
Tevile ce prezinta fisuri, degradari ale formei sau subtieri ale peretilor datorita uzurii, trebuie sa fie inlocuite. La reparatiile efectuate in cadrul reviziilor planificate se admite obturarea cu dopuri cu conicitate 3—5%, a 10—15% din numarul total al tevilor, iar daca numarul tevilor defecte depaseste 15% este necesar ca toate tevile sa fie inlocuite. La inlocuirea tevilor se indeparteaza capetele defecte din gaurile placii tubulare. Pentru aceasta operatie se utilizeaza scule (freze, scule speciale, dalti etc.) In functie de modul 40
de prindere (mandrinare, sudura) a tevii in placa tubulara. Daca trebuie inlocuite toate tevile, indepartarea lor se face cu ajutorul flacarii oxiacetilenice. Operatiile de pregatire a tevilor si placii tubulare in vederea fixarii cuprind: —
sortarea tevilor cu acelasi diametru nominal;
—
curatirea capetelor de teava cu masina de slefuit, pila sau alte mijloace;
—
scurtarea tevilor la dimensiunea necesara, cu ajutorul unui fierastrau circular;
—
controlul perpendicularitatii sectiunii taiate pe generatoarea tevii (sunt permise
abateri de la perpendicularitate de 0,02 din diametrul exterior al tevii); —
stergerea, pana la uscare totala, a gaurilor din placa tubulara;
—
verificarea aspectului gaurilor (nu se admit zgirieturi cu o adancime de peste
0,25 mm); controlul dimensiunii gaurilor pentru tevi (jocul dintre gaura si teava trebuie sa fie 1% din diametrul exterior al tevii). Recomandare Daca din anumite cauze unele gauri depdsesc limita maxima admisa a diametrului (0,02 din diametrul exterior al tevii), se introduc in gauri inele din otel moale ce se prelucreaza ulterior la cota necesara. In general este contraindicata utilizarea tevilor inadite prin sudura cap la cap pentru valorificarea capetelor de teava; acestea se sudeazd totusi, tinandu-se seama de urmatoarele: —
cota minima intre doua suduri este 2000 mm;
—
cota minima intre o sudura si placa tubulara este 50 mm.
Pentru a realiza o imbinare buna prin mandrinare, intre placa tubulara si teava trebuie sa fie o diferenta de duritate de ~30 HB; pentru aceasta este necesara recoacerea prealabila a capetelor tevilor de mandrinat. Imbinarea tevilor cu placa tubulara se face prin mandrinare si sudura. Mandrinarea este o operatie de deformare plastica a peretilor tevii, care consta in marirea diametrului tevii in scopul realizarii unei imbinari etanse si rezistente intre teava si placa tubulara. Operatia de mandrinare se executa cu scule si dispozitive speciale care deformeaza teava din interior spre exterior. Diametrul interior dupa mandrinare se stabileste cu formula:
unde: di -este diametrul interior al tevii dupa mandrinare; — diametrul interior al tevii inainte de mandrinare; 41
g
— diametrul gaurii;
j — jocul initial al tevii in gaura; Δ = 1— 2% — grad de mandrinare (raportul intre deformatia obtinuta si diametrul gaurii). Recomandare Nerespectarea valorilor recomandate pentru Δ poate conduce la: —
Δ < 1% submandrinare, imbinare necorespunzdtoare (neetansa); se poate
indrepta prin largirea suplimentara a tevii; —
Δ > 2% supramandrinare, imbinare neetansa, teava sau marginile gaurii crapa
datorita ecruisajului; nu se poate remedia, este necesara indepartarea tevii si taierea stratului necorespunzator al suprafetei gaurii. Imbinarea prin mandrinare impune urmatoarele conditii: -
interiorul capatului de teava mandrinat si bercluit trebuie sa fie perfect neted;
-
trecerea de la portiune mandrinata la cea nemandrinata trebuie sa fie facuta
fara muchii pronuntate; -
trecerea de la suprafata cilindrica mandrinata la portiunea bercluita nu trebuie
sa prezinte fisuri; -
sectiunea tevii va fi concentrica cu gura practica in placa tubulara (lipsa
jocurilor sau umflaturilor dupa mandrinare). Imbinarile prin sudura ale tevilor cu placile tubulare sunt procedee relativ noi si inlocuiesc imbinarile mandrinate. La sudura apar dificultati tehnologice legate de diametrul mic al tevilor cu pereti subtiri si la placile tubulare subtiri care nu indeplinesc si rolul de flansa. Recomandare Se pot suda si tevile utilizate care nu au o uzura mai mare decat 30% din greutatea lor. Regimul de sudura se stabileste pentru fiecare caz in parte in functie de caracteristicile materialului, grosimea peretilor tevii si placii. Serpentinele sunt des utilizate in aparate de schimb de caldura. Principalele lor defectiuni sunt ovalizarea, subtierea sau perforarea peretelui. Cauzele acestora sunt variate: eroziune, coroziune, vibratii ale elemenlelor neeorespunzator fixate, socuri hidraulice (datorita variatiilor de debit).
42
Cand se constata ovalizari, subtieri sau perforari ale tevii serpentinei, portiunea din teava care prezinta defectiuni se inlatura, se confectioneaza o portiune noua (prin indoire), se sudeaza portiunea noua si se probeaza serpentina. Indoirea tevii se executa la cald sau la rece. Indoirea tevii se executa la cald prin umplere cu nisip, iar operatia de indoire la rece se executa cu ajutorul utilajelor specializate, fiind mai scumpa si necesitind din considerente economice serie mare. Sudarea serpentinei se executa cu flacara oxiacetilenica sau prin contact. Aceasta operatie necesita multa atentie pentru a nu perfora peretele tevii sau a obtura partial interiorul conductei. Recomandare Ovalitatea se caracterizeaza prin raportul diferentei dimensiunilor exterioare masurate pe doua diametre perpendiculare fata de diametrul exterior al tevii. Valorile pentru ovalilate sunt limitate sub 10% pentru a se asigura o functionare normala. Repararea corpului. Repararea corpului aparatului se face in urma unui control prealabil al grosimii tablei si formei aparatului, pe mai multe cai: —
determinarea grosimii peretilor utilizand dispozitive cu ultrasunete ce se
bazeaza pe principiul masurarii timpului dintre emiterea si receptia undei; procedeul este avantajos din punct de vedere al nedistructibilitatii corpului schimbatorului, dar necesita masuri speciale de pregatire si curatire a zonei de masurat, care scumpesc costul masurarii; —
determinarea grosimii sau fisurarii prin ciocanire; metoda da indicatii asupra
gradului de uzura al peretelui corpului prin ciocanirea acestuia cu un ciocan de 0,5-1k g ; procedeul necesita personal calificat; poate conduce la ecruisarea tablelor si de aceea se utilizeaza numai in zona stuturilor; —
determinarea grosimii prin gaurire este o metoda foarte precisa, dar are
dezavantajul ca slabeste sectiunea peretelui; dupa masurarea grosimii gaurile se fileteaza si se astupa cu ajutorul unor dopuri conice; —
determinarea abaterilor de la forma cu ajutorul sabloanelor; acestea se executa
din tabla si impun o pastrare adecvata pentru a se evita deteriorarile. Dupa reparatie se executa proba hidraulica a aparatului, conform normelor ISCIR.
43
CAPITOLUL V NORME NTSM ŞI NORME PSI CE TREBUIESC RESPECTATE LA REALIZAREA UNUI SCHIMBĂTOR DE CĂLDURĂ V.1 Norme de tehnica securităţii muncii Siguranţa şi securitatea în exploatare are o importanţă deosebită, făcând parte dintre principiile fucţionale, care primează asupra celor economice. Siguranţa în funcţionare afectează aparatul schimbător de căldură însuşi, pe când securitatea se referă la personalul de deservire. Factorii principali care vin în considerare în aceasta privinţă sunt: a) compensarea dilatării termice ale pieselor aparatului schimbător de căldură; b) realizarea unei rezistenţe corespunzătoare la îmbinările demontabile şi a etanşeităţii eficiente; c) prevenirea corodării pieselor aparatului schimbător de căldură; d) posibilitatea de acces la suprafaţa de încălzire; e) legarea corespunzătoare a aparatului schimbător de căldură; f) uşurinţa controlului şi a reglării parametrilor caracteristici ai aparatului. Condiţiile de exploatare optimă a schimbătoarelor de căldură sunt stabilite de proiectant şi specifică: - alegerea judicioasă a spaţiului prin care curg cele două fluide; - vitezele de curgere; - regimurile de temperatură a fluidelor. Intreţinerea şi repararea schimbătoarelor de căldură este reglementată prin norme tehnice comform cărora se stabilesc ciclurile de reparaţii, exemplificate în tabelul V.1
44
Tabelul V.1. Norme tehnice: Denumirea utilajului
Durata de serviciu ( ani) Mediu neutru
Schimbătoare de căldură răcitoare şi condensatoare
16
Ciclu de reparaţii ( ore) Rt
Rc1
Rc2
Rk
4000
8000
16000
32000
Mediu usor coroziv
14
2000
4000
16000
24000
Mediu puternic coroziv
7
2000
4000
8000
16000
Exploatarea şi întreţinerea aparatului schimbător de căldura are ca scop menţinerea regimului la parametrii optimi de funcţionare. Operaţiile curente constau în verificarea regimului de temperaturi şi presiuni, asigurarea etanşeităţii prin flanşe şi garnituri şi curăţarea suprafeţelor de schimb de căldură. Curăţarea suprafeţelor de schimb de căldură se efectuează periodic, la intervale determinate de natura fluidelor vehiculate. Metodele de curăţare depind de natura depunerii şi starea sa (depunerea pietrei de calcar din apă, depuneri de săruri, nămol, gudroane şi microorganisme). Curăţarea poate fi realizată prin procedee chimice, hidropneumatice, cu ultrasunete, mecanice, hidraulice sau prin sablare. Cauza principală a scoaterii din funcţiune a instalaţiilor din rafinării şi combinate petrochimice o reprezintă defectarea schimbătoarelor de căldură (circa 36% din incidentele funcţionale). Principalele defecte survenite în exploatarea schimbătoarelor de căldură sunt: - corodarea corpului şi fascicolului tubular; - obturarea ţevilor datorită depunerilor. Aceste probleme implică măsuri sistematice privind reducerea efectelor coroziunii (folosirea inhibitorilor de căldură, alegerea corectă a materialelor), exploatarea şi întreţinerea corespunzătoare.
45
Alegerea materialelor este condiţionată de condiţiile de exploatare: - oţel carbon pentru utilizări generale; - oţel inoxidabil în condiţiile utilizării produselor corozive, la temperaturi ridicate; - alama navală pentru aparatele care folosesc ca agent de răcire apa de mare; - aluminiu şi cupru pentru condiţiile exploatării la temperaturi scăzute. Revizia schimbătoarelor de căldură are caracter periodic şi constă în revizia internă şi proba de presiune.Revizia interna se efectuează după demontarea şi curăţarea aparatului, urmărind stabilirea zonelor corodate, a fisurilor, deformărilor, a grosimilor pereţilor, starea îmbinărilor sudate şi mandrinate. Proba de presiune poate fi de etanşare sau de rezistenţă. Proba de etanşare se efectuează la presiunea nominală, ori de câte ori se montează sau demontează schimbătorul de căldura. Proba de rezistenţa se efectuează la presiunea de probă (1,25 sau 1,5 din presiunea nominală) la termenele prevăzute de instrucţiunile I.S.C.I.R. cât şi după executarea unor reparaţii şi modificări. Repararea schimbătoarelor de căldură cuprinde, în general următoarele operaţii: - repararea corpului; - repararea suprafeţelor de transfer; - remandrinarea sau resudarea ţevilor slabite în plăcile tubulare; - obturarea ţevilor sparte; - repunerea plăcilor tubulare; - verificarea şi în locuirea garniturilor şi ansamblurilor demontabile; - înlocuirea parţială sau totală a izolaţiei termice. Repararea mantalei se executa în conformitate cu metodele generale. La reparaţiile efectuate conform
reviziilor planificate se admit defecte în cazul
obturarii a 10-15% din numărul total de ţevi, iar dacă numărul ţevilor depăşeşte15% este necesar ca toate ţevile să fie înlocuite. Placa tubulară se consideră corespunzătoare dacă îndeplineşte condiţia: - suprafeţele de etanşare sunt perfect netede şi nu prezintă abateri de forma(nu au zgârieturi radiale,pori,lovituri). - lipsa orificiilor dintre două orificii învecinate, având drept cauză variaţile periodice de căldură care duc la eforturi termice ciclice (oboseală termică). Fisurile a căror lungime nu depăşeşte 10% din lungime si cu o adăncime de cel mult 40% din grosimea plăcii se pregătesc prin şanfrenare şi se sudează dintr-o singură parte.
46
După reparaţii se execută proba hidraulică a aparatului conform instrucţiunilor ISCIR. Se interzice executarea oricăror lucrări la elementele schimbătorului în timpul când acesta se află sub presiune (reparaţii prin sudură, strîngeri de şuruburi,ştemuirea unor pori). Deschiderea în cazul reviziilor sau cand procesul tehnologic o cere şi în vederea golirii, curăţirii sau verificării, se va face numai după ce personalul de deservire a constatat în mod sigur că nu mai este presiune şi lichid tehnologic. Deschiderea găurilor de acces şi a orificiilor se va face întotdeauna de sus în jos în ordinea succesivă pentru ca aerul să nu poată intra în recipient şi să formeze un amestec exploziv. In cazul în care diferenţa dintre temperatura mantalei, recipientului şi a fluidului introdus este mare, creşterea presiunii în recipient şi respectiv a temperaturii, se va face treptat pentru evitarea unor şocuri periculoase în pereţii recipientului. Intreprinderile de montaj sau recepţie sunt obligate să supună recipientele
sau
elementele acestora, verificări organelor ISCIR. În conformitate cu prevederile prezentelor prescripţii. Aceste verificări pot fi făcute şi de personalul propriu al întreprinderilor constructoare, de montaj sau de reparaţii autorizate în acest scop de ISCIR. La verificarea reparaţiilor se vor verifica, pe lângă prezentele prescripţii şi prevederile prescripţiilor tehnice CR 4-90 (83)- Colecţia ISCIR. Verificarea recipientelor în perioada construirii montajului sau reparării,va cuprinde: - verificarea îndeplinirii condiţiilor cu privire la verificarea şi avizarea proiectului de execuţie; - verificarea calităţii materialelor utilizate,respectiv certificatelor de calitate şi corespondenţa materialelor cu documentaţia de execuţie; - verificarea îmbinărilor sudate; - verificarea recipientelor asamblate sau elementelor acestora. Verificarea îmbinărilor sudate va cuprinde: - examinarea exterioară; - încercări distructive; - încercări nedistructive; - încercarea la presiune hidraulică; - încercarea pneumatică de etanşietate, după caz.
47
In vederea examinării exterioare, îmbinările sudate vor fi curăţate în întregime de zgură, oxizi, etc., pe o lăţime a materialului de bază de circa 20 mm de o parte şi de alta a cusăturii, pe ambele părţi ale recipientului care se verifică (în cazul în care sudura a fost executată pe ambele părţi). Examinarea exterioara a îmbinării sudate se face cu instrumente de măsură uzuale, cu şabloane şi cu ochiul liber sau aparatele de mărit obişnuite (conform STAS 1263-88). In îmbinările sudate nu sunt admise fisuri în cordonul de sudură sau în zona influenţată termic (ZIT), crestături marginale sau în cusătură, create, inclusiv de gaze sau de zgură, abaterile de limită peste cele admise, dacă în documentaţia de execuţie nu se prevăd alte condiţii mai severe. De asemenea nu se acceptă nepătrunderi la rădăcina cusăturii,mai mari de 15% din grosimea materialului de bază sau mai mari de 3 mm la grosimi peste 20 mm. Defectele plasate în îngroşarea cusăturilor nu vor fi luate în considerare.La analiza macroscopică se va verifica respectarea tehnologiei de sudare privind numărul straturilor în cusătura sudată. Examinarea nedistructivă a îmbinărilor sudate se recomandă să se facă după tratament termic final.Imbinările sudate care prezintă defecte exterioare mai mari, vor fi supuse examinării nedistructive, numai după remediere. Porţiuni din îmbinările sudate care vor fi examinate nedistructiv se vor stabili de către organele
de control tehnic de calitate al întreprinderii constructoare, de montaj sau
reparatoare. In urma examinării nedistructive rezultatele obţinute trebuie să corespundă: - condiţiilor de admisibilitate în cazul radiografierii sau examinării cu ultrasunete, conform prescripţiilor tehnice CR4-90-Colecţia ISCIR. - condiţiilor de admisibilitate în cazul examinării cu lichide penetrante sau cu pulberi magnetice, conform prescripţiilor tehnice CR4-90-Colecţia ISCIR. - condiţiilor admisibile, prevăzute în normele elaborate de comun acord între proiectant şi întreprinderea constructoare cu avizul ISCIR.
48
V.2 Norme P. S. I. Pentru funcţionarea normală a schimbătoarelor de căldură, cât şi pentru alte aparate şi pentru evitarea funcţionării acestora trebuiesc luate câteva măsuri. Manipularea hidrocarburilor în instalaţiile tehnologice necesită calificarea şi cunoaşterea proceselor ce au loc în interiorul instalaţiilor, precum şi cunoştinţe adecvate pentru evitarea şi stingerea incendiilor. Ţinând cont de pericolele pe care experienţa le-a pus în evidenţă, la manipularea fracţiilor uşoare trebuie respectate o serie de reguli,unele dintre ele fiind prezentate mai jos: - nu este permisă introducerea aerului în prezenţa fracţiilor uşoare în utilaje şi sisteme de conducte decât în condiţii controlate; - pentru a evita autoaprinderea, în procesul de prelucrare la temperaturi de peste 300°C trebuie evitate dezentaşeizările şi scăpările. Ventilele de scurgere, de luat probe vor fi obligatoriu prevăzute cu capace în filet sau cu blinde; - nu se vor descărca utilajele şi instalaţiile tehnologice care conţin hidrocarburi uşoare, în prezenţa unor surse potenţiale de incendiu; - în caz de incendiu, muncitorii, personalul de întreţinere va fi evacuat fără a crea însă panică în rândul acestora; - evacuarea aerului din instalaţie se va face controlat, fără manevrarea bruscă a dispozitivelor de evacuare a acestuia, pentru a nu crea presiuni locale critice pentru hidrocarburile cu care se află în amestec. Pentru a evita exploziile se va controla riguros conţinutul, compoziţia şi temperatura acestora.Dacă apar scurgeri de fluid in instalaţie, se iau urgent următoarele măsuri: - se îndepărtează sau se sting toate sursele de aprindere din zona de propagare; - se opresc toate autovehiculele ce se îndreaptă spre zona de scăpări, dacă scăpările nu pot fi stăpanite se opresc fluxurile tehnologice ale instalaţilor alăturate cât şi ale instalaţiei afectate; - se evacuează personalul de exploatare şi întreţinere, dacă există pericolul iminent al unor deflagraţii. Pentru evitarea incidentelor ce pot apărea, cât şi pentru exploatarea normală a instalaţiilor se angajează personal corespunzător pentru paza şi întreţinerea utilajelor. 49
V.3 Verificarea recipientului asamblat Recipientele sub presiune vor fi supuse unor verificări şi încercări, după asamblare astfel: -
verificarea cărţii recipientului, partea de construcţie;
-
verificarea calităţii materialelor;
-
verificarea aspectului şi dimensiunilor;
-
verificarea marcării;
-
încercarea la presiune hidraulică;
-
încercarea pneumatică de etanşeitate dacă se prevede în proiect;
-
încercări speciale.
Verificările şi încercările se execută de către organele ISCIR sau de către personalul autorizat ISCIR. Verificarea aspectului şi dimensiunilor va consta din: -
examinarea stării suprafeţelor recipientului la interior şi exterior;
-
verificarea dimensiunilor elementelor în special cele stabilite prin calculul de
dimensionare. Încercarea de presiune hidraulică se consideră reuşită dacă nu se constată deformări plastice vizibile, fisuri sau crăpături ale elementelor recipientului, picături sau scurgeri pe la îmbinările sudate. V.4 Funcţionarea şi exploatarea recipientului În vederea asigurării condiţiilor de funcţionare în condiţii de siguranţă, unităţile deţinătoare au următoarele obligaţii şi răspunderi: -
să înregistreze recipientele la ISCIR.
-
să supună recipientele la verificarea executată de personalul ISCIR.
-
să ia măsurile necesare ca recipientele să fie folosite în condiţii de siguranţă.
V.5 Verificarea periodică Recipientele sub presiune sunt supuse verificărilor oficiale periodice, care constau din revizii interioare, încercări de presiune şi revizii exterioare. În timpul funcţionării, la datele fixate prin instrucţiunile interne şi de câte ori este oprit, organele proprii de supraveghere tehnică sunt obligate să examineze recipientul executând revizii interioare şi exterioare. 50
CONCLUZII
Shimbatoarele de caldura au un larg domeniu de utilizare, studiile evidentiind ca peste două treimi din energia primară consumată într-o ţară trec, până la forma finală de energie utilă, în medie, printr-un lanţ de 2-4 schimbătoare de căldură. In industria de rafinare a petrolului si petrochimica aparatele de schimb de caldura joaca un rol extreme de important. Schimbatoarele de caldura sunt intalnite sub toate formele in instalatii, fara ele nefiind posibil procesul de rafinare al titeiului si de obtinere a produselor rezultate din petrochimie. Cauza principală a scoaterii din funcţiune a schimbătoarelor de căldură din rafinării şi combinate petrochimice o reprezintă defectarea schimbătoarelor de căldură (cca. 36% din incidentele funcţionale). Principalele defectări survenite în exploatarea schimbătoarelor de căldură, sunt corodarea corpului şi fascicolului tubular şi obturarea ţevilor datorită depunerilor. Acestea implică măsuri sistematice privind reducerea efectelor coroziunii (folosirea inhibitorilor de coroziune, alegerea corectă a materialelor), exploatarea şi întreţinerea corespunzătoare. Fiabilitatea schimbătoarelor de căldură descrie capacitatea produsului de a se menţine în stare de bună funcţionare, însă un timp limitat (nu există vreun produs care să poată funcţiona la nesfârşit) şi în anumite condiţii de exploatare (care trebuie respectate la utilizarea produsului).
La apariţia stării de defectare, care scoate produsul din bună funcţionare, se doreşte ca produsul defect să fie repus în funcţionare (reparat), într-un timp cât mai scurt şi cu costuri minime. Capacitatea produselor de a fi repuse în funcţionare, într-un timp dat şi în condiţii specificate descrie mentenabilitatea lor. Mentenabilitatea nu trebuie confundată cu mentenanţa. Iniţial, mentenanţa reunea doar activităţile de întreţinere şi reparare, însă abordările moderne întregesc conceptul prin adăugarea tuturor activităţilor tehnico-organizatorice orientate spre creşterea eficienţei utilizării oricărui produs de îndelungată folosinţă. În această situaţie, mentenanţa devine un concept mai cuprinzător, care integrează conceptele de fiabilitate, mentenabilitate, respectiv de disponibilitate a produselor.
51
BIBLIOGRAFIE
[1] A. Bejan and A. D. Kraus, “Heat Transfer Handbook”, 2003. [2] Badea, A., Necula, H. Schimǎtoare de cǎldurǎ. Editura AGIR, 2000. [3] Badea, A. s.a. Echipamente si Instalatii Termice, Bucuresti, Editura Tehnica, 2003. [4] B.C. nr. 11/2000, Manual de specificaţii privind instalarea exploatarea şi mentenanţa schimbătoarelor de căldură din instalaţii, Elaborator: I.N.C.E.R.C. [5] Georgiadis M.C., Papageorgiu L.G., and Macchietto S., 2000, Optimal cleaning policies in heat exchanger networks under rapid fouling, Ind&Engng Chem Res
52
