Wymiana ciepła w wymiennikach. wykład wymienniki ciepła

Transkrypt

1 Wymiana ciepła

2 Wymiana ciepła w wymiennikach wykład wymienniki ciepła

3 Aparaty do wymiany ciepła miedzy płynami, tzn. wymienniki ciepła, znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, spożywczym i innych. Wymienniki ciepła klasyfikuje się pracy, jako: rekuperatory, regeneratory aparaty bezprzeponowe (mokre), w zależności od zasady ich w których występuje bezpośredni kontakt miedzy czynnikami wymieniającymi ciepło. Stosowane są również wymienniki z ogrzewanym lub chłodzonym nośnikiem ciepła za pomocą wewnętrznych źródeł lub upustów ciepła (Są to np. reaktory jądrowe, aparaty ogrzewane metodami elektrycznymi itp.).

4 Rekuperatory (przeponowe wymienniki ciepła) to wymienniki ciepła, w których dwa czynniki o rożnych temperaturach przepływają w przestrzeniach oddzielonych przegroda stałą. Ciepło jest przekazywane przez przenikanie (konwekcję w płynach i przewodzenie przez ściankę rozdzielającą, a także przez promieniowanie cieplne). Jako przykłady rekuperatorów można wymienić generatory pary, grzejniki, kondensatory, wyparki itp. Wymiana ciepła ma charakter ustalony

5 Regeneratory W regeneratorach powierzchnia grzejna w pewnych odcinkach czasu najpierw kontaktuje się z gorącym czynnikiem, a następnie z zimnym. Tak wiec powierzchnia regeneratora najpierw pobiera ciepło od gorącego płynu, jednocześnie podwyższając swoją temperaturę a następnie oddaje swoje ciepło płynowi o niskiej temperaturze. W rezultacie proces ruchu ciepła w regeneratorze ma zawsze charakter nieustalony, tak jak warunki ustalone są charakterystyczne dla wszystkich rekuperatorów. Do regeneratorów zaliczamy np. grzejniki powietrza, piece martenowskie itp. Wymiana ciepła ma charakter nieustalony

6 Aparaty bezprzeponowe (mokre), W aparatach typu bezprzeponowego ciepło jest przenoszone przez bezpośredni kontakt między gorącym i zimnym płynem. Typowym przykładem takich wymienników ciepła są wieże chłodnicze w elektrociepłowniach, gdzie woda jest chłodzona powietrzem atmosferycznym. Powietrze bowiem miesza się z tworzącą się w wieży parą powstałą na skutek częściowego odparowywania wody. Jest to typowy proces jednoczesnego ruchu ciepła i masy. Wymiana ciepła ma najczęściej charakter ustalony

7 REKUPERATORY - aparaty najczęściej spotykane w zastosowaniach praktycznych obliczenia projektowe i sprawdzające. Obliczenia projektowe wykonywane są w przypadku nowego aparatu. Ce1em tych obliczeń jest głównie wyznaczenie powierzchni wymiany ciepła. Obliczenia sprawdzające są wykorzystywane w celu wyznaczenia ilości przenoszonego ciepła i temperatur końcowych czynników dla wymiennika o znanej powierzchni wymiany ciepła. Obliczenia te polegają na jednoczesnym rozwiązaniu równań ruchu ciepła i równań bilansu cieplnego.

8 ruch ciepła Przy obliczeniach wymienników ciepła do obliczeń ruchu ciepła wykorzystywane jest równanie Pecleta:. Q = Q h = k SR A SR DT SR Spadek temperatury DT SR jest siłą napędową wymiany ciepła siła ta zmienia się wzdłuż powierzchni wymiany ciepła

9 W przypadku gdy ciepło czynnika gorącego (oznaczonego indeksem 1) jest odbierane przez czynnik o niższej temperaturze (indeks 2) bez żadnych strat cieplnych, to równanie bilansu cieplnego możemy zapisać w postaci dq h = -Q ml dii 1 = Q m2 dii 2 (bo: Q ml dii 1 + Q m2 dii 2 = 0) po scałkowaniu bilans cieplny Q h = Q ml (I 1p - I 1k ) = Q m2 (I 2k - I 2p ) Przyjmując ciepło właściwe c p = const i di = c p dt równanie ostatnie daje się zapisać w postaci: Q h = Q ml c p2 (T 1p - T 1k ) = Q m2 c p2 (T 2k - T 2p )

10 Oczywiście musi być tak!!!!! Q h = Q ml c p2 (T 1p - T 1k ) = Q m2 c p2 (T 2k - T 2p ) =k A DT SR

11 Q h = Q ml c p2 (T 1p - T 1k ) = Q m2 c p2 (T 2k - T 2p ) W obliczeniach cieplnych wprowadza się pojęcie tzw. pojemności cieplnej przepływającego płynu C = Q m c p, W/K czyli bilans cieplny cd A dla powierzchni elementarnej da

12 Współprąd

13 Przeciwprąd

14 Średnia różnica temperatur

15 Wykres zależności T = f (A) dla przeciwprądowego wymiennika ciepła

16 Wyprowadzenie wzoru na średnią różnicę temperatur

17

18 Średnia logarytmiczna: Średnia logarytmiczna i średnia arytmetyczna LUB Średnia arytmetyczna: Porównanie wykreślne średniej arytmetycznej ze średnią logarytmiczną Przykład:

19 Średnia różnica temperatur w przypadku, gdy k const

20 Obliczenie średniej różnicy temperatur w przypadku przepływu mieszanego Krzyżowy ruch płynów Wymiennik ciepła pracujący na zasadzie prądu krzyżowego

21 Krzyżowy ruch płynów Wartości poprawki ε od obliczeń wymiany ciepła w prądzie krzyżowym

22 Krzyżowy ruch płynów Wykresy zależności poprawki ε od parametrów X i Z

23 Wykresy zależności poprawki ε od parametrów X i Z dla różnych przypadków prądu mieszanego Prąd mieszany

24 Prąd mieszany W wymiennikach płaszczowo-rurkowych zaopatrzonych w przegrody oblicza się poprawkę ze Wzoru Hausen a Indeks A oznacza czynnik płynący osiowo, indeks B oznacza czynnik płynący w sposób wielokrotnie skrzyżowany W A pojemność cieplna czynnika A W B pojemność cieplna czynnika B n ilość ciągów prostopadłych

25 Przykład 1 Obliczamy różnicę temperatur na końcach wymiennika (1) A B (2)

26 Przykład 1 Obliczamy średnią temperaturę czynnika B i czynnika A Obliczamy średnią logarytmiczną: Obliczamy średnią arytmetyczną:

27 Przykład 2 ε

28 ε Przykład 2

29 KONIEC

30 Dziękuję za uwagę

31 I do roboty!