Badanie wymiennika ciepła typu płaszczowo-rurowy

Transkrypt

1 Badanie wymiennika ciepła typu płascowo-rurowy opracował Damian Joachimiak

2 . Rodaje wymienników ciepła. Wymiennik ciepła (prenośnik ciepła) jest to urądenie, w którym ciepło prekaywane jest od jednego płynu o temperature wyżsej (gorącego) do drugiego płynu (imnego) o temperature niżsej. Znajduje on astosowanie w różnego rodaju technologiach i w ależności od prenacenia posiada różnicowane nawy np.. podgrewac, grejnik, chłodnica, wytwornica pary, pregrewac, skraplac, parownik, regenerator i wiele innych. Ze wględu na asadę diałania roróżnić możemy następujące grupy wymienników ciepła: a) Wymienniki preponowe, gdie dwa płyny (gorący i imny) oddielone są od siebie ścianką (preponą) wykonaną materiału apewniającego długotrwałe diałanie. b) Wymienniki powierchniowe (regeneratory), gdie powierchnia tych samych elementów (ceramicnych lub metalowych) wypełniających wymiennik jest na premian omywana pre płyn gorący ( np. gorące spaliny) i płyn imny ( np. świeże powietre), które po ograniu wykorystywane jest do celów technologicnych. c) Wymienniki miesalnikowe, w których następuje bepośrednie miesanie się płynu gorącego i imnego. Wymienniki tego typu stosowane są w prypadkach, gdy oba płyny mogą być miesane np. (woda woda, para wodna powietre, powietre powietre) lub jeśli a wymiennikiem można łatwo je rodielić np. (powietre woda) W ostatnim prypadku procesowi prekaywania ciepła towarysy jawisko wymiany masy (parowanie wody). d) Wymienniki wewnętrnymi źródłami ciepła posiadają tylko jeden płyn spełniający rolę nośnika ciepła. Płyn ten omywa powierchnię elementów, elementów których wydiela się ciepło( np. elementy paliwowe reaktorów jądrowych, elementy nagrewane energią elektrycną). Cel i akres badań. W prypadku badań o charaktere podstawowym mającym na celu sprawdenie istniejących teorii i ustalenie ilościowych wiąków opisujących procesy cieplno prepływowe opory cieplne i hydraulicne) pomiary preprowada się wykle w warunkach laboratoryjnych, gdie modeluje się poscególne elementarne procesy cieplne i prepływowe. W oparciu o podstawowe i uogólnione dane doświadcalne i teoretycne powstają metody i procedury obliceń konkretnych konstrukcji wymienników ciepła. Ostatecne sprawdenie

3 tych metod obliceniowych odbywa się najcęściej na recywistych konstrukcjach w warunkach eksploatacyjnych. Jak powyżsego wynika możemy roróżnić dwa rodaje badań wymienników ciepła. Pierwsy bardiej scegółowy i wymagający pomiaru rokładu temperatury, lokalnych gęstości strumienia ciepła, naprężeń stycnych na powierchni ścianki (prepony) ora pomiaru pól temperatur i prędkości płynu w kanałach wymiennika ciepła. Umożliwia to wynacenie współcynnika prenikania ciepła k, współcynnika poprawkowego T ora strat ciśnienia w funkcji masowych natężeń prepływu płynu gorącego m lub imnego m. Ze wględu na koniecność wbudowania w powierchnię ścianki wymiennika cujników takie badania mają charakter modelowy i preprowadone są w warunkach laboratoryjnych. Drugi rodaj badań preprowadane są w warunkach eksploatacyjnych i wymaga jedynie pomiaru strumienia masy płynu gorącego m i : imnego m ora temperatur płynów na wlocie i wylocie wymiennika ciepła. Umożliwia to jedynie wynacenie mocy cieplnej wymiennika Q funkcji masowych natężeń prepływu, ora średniej wartości współcynnika prenikania ciepła. Wyniki badań mogą być predstawione w postaci wykresów. Q = f ( m, m parametr ) ora dla wymienników w układie współprądowym i preciwprądowym w postaci np. k = Q / A T = ( m, m parametr ) a dla wymienników w układach łożonych w postaci np. ( T k ) = Q / A T preciwprąd = f (m, m - parametr ) Badania eksperymentalne wymienników ciepła dostarca arówno wielu informacji podstawowych jak również ma ogromne nacenie praktycne. Ponieważ teoretycne oblicenia mocy cieplnej lub powierchni wymiennika nie są najcęściej dostatecnie dokładne. Bardo cęsto niedokładność obliceń sięga ± 5 %. Wymienić można następujące prycyny niedokładności obliceń: ) niedokładność worów na współcynniki prejmowania ciepła ( rędu ± 3 5 %) ) robieżność pomiędy sytuacją, pry której ustalono wory na współcynniki prejmowania ciepła i recywistym jawiskiem achodącym w wymienniku ciepła ( od kilku do kilkudiesięciu procent ). 3) niedokładność danych fiycnych płynów ( rędu % ) 3

4 4) niedokładność wykonania wymiennika ciepła 5) wpływ aniecysceń powierchni wymiany ciepła 6) mienność współcynnika prenikania ciepła wdłuż powierchni wymiennika, która w teorii wymiennika ciepła jest pomijana 7) niedokładność wynacania współcynnika poprawkowego T. Prygotowanie i wykonanie pomiarów Po ustaleniu akresu badań, określa się mierone wielkości i wymaganą dokładność pomiarów. Następnie po określeniu technik pomiarowych ustala się punkty abudowy cujników i dobiera mierniki. Wykonuje się również schemat badanego układu i ustala dane technicne i wymiary wymiennika ciepła. I Wymiennik ciepła płascowo-rurowy (rys. ) Urądenie wykonano specjalnie do celów dydaktycnych. espół umożliwia realiowanie prepływu współprądowego lub preciwprądowego uyskując w reultacie takie prebiegi temperatur jakie pokaano prykładowo na rys. 4. Powierchnia wymiany ciepła rura miediana niklowana o wymiarach: - średnica d ewn. = 6,35 mm, średnica d wewn. = 5,5 mm - długość pojedyncej rury l = 44 mm Płasc ewnętrny stanowi rura wykonana e skła organicnego Temperatury są mierone termoparami typu K i rejestrowane w funkcji casu. Umożliwia to dokładne ustalenie cy wymiennik po uruchomieniu lub mianie parametrów pracy osiągnął stan równowagi cieplnej. Bepośrednim celem ćwicenia jest wynacenie mocy cieplnej wymiennika w kilku punktach pracy - cyli fragmentu jego charakterystyki. Porównując otrymane reultaty wynikami obliceń sprawdających opartych o dane literaturowe dokonujemy analiy metody obliceniowej pomiarami. Instrukcja wykonania ćwicenia laboratoryjnego. ) Zaponanie się literaturą i katalogami dotycącymi wymienników ciepła. ) Zaponanie się budową i diałaniem stanowisk badawcych. 3) Uruchomienie stanowiska 4

5 a) wymiennik ciepła płascowo-rurowego realiować układ współprądowy i preciwprądowy b) uruchomić prepływ płynów, odpowietryć układ, uruchomić rejestracje pomiaru. 4) Po osiągnięciu równowagi cieplnej dokonać odcytu wskaań. 5) W oparciu o odcyty wykonać oblicenia wyników pomiaru 6) W oparciu o mierone temperatury pocątkowe płynów ( T, T ) i strumienie objętości (V, V ) ora dane literaturowe wykonać oblicenia teoretycne mocy wymiennika ciepła a wyniki obliceń porównać wynikami pomiarów. 7) Wykonać wykres: Q = f ( m, m ) 8) W oparciu o uyskane wyniki opracować wnioski dotycące dokładności pomiarów i teoretycnej metody obliceniowej ora prawidłowości diałania urądenia i położenia punktów pracy wymiennika. 9) Sporądić sprawodanie, które powinno awierać: a) cel badania b) schemat pomiarowy i dane technicne badanego urądenia c) wyka i dane technicne użytej aparatury d) wypełnioną tabele pomiarowo obliceniową e) oblicenia teoretycne mocy cieplnej wymiennika f) ocenę dokładności i wnioski wypływające wyników badań g) wyka literatury ( w tym źródeł własności fiycnych) 5

6 LITERATURA ) S. WIŚNIEWSKI, Wymiana ciepła, WNT ) W. GOGÓŁ, Wymiana ciepła, Tablice i wykresy, Wydawnictwo Politechniki Warsawskiej, 3) T. HOBLER, Ruch ciepła i wymienniki, PWT 4) F. J. BALEY, J, M. OWEN, A. B. TURNER: Heat Transfer. Thomas Nelson and Sons LTD 97. 5) 6) N. AFGAN, E.U. SCHLUNDER Editors: Heat Exchangers: Design and Theo Sourcebook. McGraw Hill Book Company ) K. BRODOWICZ: Wymienniki ciepła i masy. Wydawnictwo Politechniki Warsawskiej, Warsawa ) W. P. ISACZENKO, W. A. OSIPOWA, A. S. SUKOMIEŁ: Tiepłopieredaca, Energia Moskwa ) J. MADEJSKI: Teoria wymiany ciepła. PWN ) Katalogi: Typowe wymienniki ciepła płascowo rurowe i rura w rure. Zakłady Urądeń Chemicnych i Aparatury Premysłowej CHEMAR, Kielce 973. ) Katalog Masyn i Urądeń Premysłu Spożywcego, SPOMASZ,

7 PROCEDURA OBLICZENIOWA MOCY CIEPLNEJ WYMIENNIKA. Geometria wymiennika typu płascowo-rurowy. W W g średnica wewnętrna korpusu wymiennika średnica wewnętrna rurki wymiennika średnica ewnętrna rurki wymiennika średnica obliceniowa D =38 [mm] d w =5,5 [mm] d =6,35 [mm] d d w d o m d o możemy użyć, kiedy spełniony jest warunek d / d w < Długość wymiennika ciepła Powierchnia wymiany ciepła L l n n=7 - licba rur wymiennika l= 44 mm długość pojedyncej rury A o = d o L. Równanie opisujące prejmowanie ciepła po stronie wewnętrnej i ewnętrnej prepony.. Równania dla pływu płynącego w pęcku rur W akresie R f < 000 7

8 Nu f = 0.5 Re 0.33 f Pr 0.43 f Gr 0. f (Pr f /Pr w ) 0.5 W akresie 000 < R f < 0 4 Nu f = K 0 Pr 0.43 f (Pr f /Pr w ) 0.5 Wartość K 0 dla prepływu prejściowego podano w poniżsej tabeli W akresie 0 4 <Re f < Nu f = 0.0 Re f 0.8 Pr f 0.43 ( Pr f / Pr w ) Równania dla płynu opływającego pęcek rur. W akresie 0 < Re f < 000 W akresie 000 < Re f < Nu f = 0.5 K Re f 0.5 Pr f 0.38 (Pr f /Pr w ) 0.5 Nu f = 0.5 K Re 0.6 f Pr 0.35 f (Pr f /Pr w ) 0.5 Gdie:,5 Współcynnik konfiguracji prepływu wody imnej 0,5 K w wdh Licba Reynoldsa Re d Licba Nusselta Nu h 3 g d h ( Tw T f ) Licba Grashofa Gr β współcynnik roseralności T w temperatura prepony wymiennika w prędkość wody indeksy: g woda gorąca woda imna f parametry dla temperatury płynu w parametry dla temperatury prepony wymiennika Indeksy: f - dotycy średniej temperatury płynu gorącego lub imnego w - dotycy średniej temperatury prepony wymiennika 8

9 Średnia temperatura wody: - gorącej - imnej T = g T = Średnia temperatura prepony wymiennika: T = w (T' + T'' ) (T' + T'' ) (T + T ) g lepkość kinematycna prewodność cieplna współcynnik roseralności termicnej A Metoda dokładna 3a Współcynnik prenikania ciepła pre pregrodę cylindrycną odniesionej do jednostkowej długości. k r w w d ln d w r w m K gdie: λ współcynnik prewodenia ciepła dla materiału prepony. W badanym wymienniku na materiał prepony astosowano stal nierdewną. 4a Logarytmicna różnica temperatur T ln Tmax T Tmax ln T min min K 5a Moc cieplna prekaywana pre preponę wymiennika. Q Lk T W ln 9

10 B Metoda prybliżona W prypadku spełnienia warunku d / d w < pregrodę cylindrycną można oblicyć pry wykorystaniu ależności dla pregrody płaskiej pryjmując obliceniową powierchnię prepływu ciepła. A o = d o L gdie: d o = d w jeśli >> w d o = d jeśli w >> d o = ( d w + d ) / jeśli w Współcynnik prenikania ciepła k w w m K Logarytmicna różnica temperatur T ln Tmax T Tmax ln T min min K Moc cieplna prekaywana pre preponę wymiennika Q = k A o T ln 0

11 T T T max T T min T T A Prepływ współprądowy T T T max T T T min T A Prepływ preciwprądowy

12

13 Prebieg ćwicenia Kolejne punkty prebiegu ćwicenia pokaane są na schemacie okna programu sterowania stanowiskiem.. Po podłąceniu stanowiska i komputera uruchom program dla wymiennika preciwprądowego (countercurrent).. Uruchom stanowisko mieniając wartość w polu Power On na l 3. Uruchom pompę w akresie wydajności V = 3 min w konfiguracji pracy automatycnej. l 4. Nastawić prepływ imnej wody w akresie V =,9 3,4 min. 5. Odkręcić awór imnej wody. 6. Nastawić w okienku HEATER temperaturę wody gorącej w akresie T C w konfiguracji pracy automatycnej. 7. Odcekać chwilę, aż wymiennik ciepła uyska równowagę cieplną, cyli temperatury wody T, T, T 3, T 4 będą miały stałą wartość. 8. W trakcie wykonywania pomiarów należy ustalić wartości V,T, a następnie regulować strumień objętości wody imnej V. 9. Podcas dokonywania kolejnego odcytu dla nowej nastawy strumienia objętości wody imnej V należy odcekać chwilę, aż temperatura wody imnej i ciepłej na wlocie i wylocie wymiennika (T, T, T 3, T 4 ) się ustabiliuje. Okno programu sterowania stanowiskiem 3

14 Politechnika Ponańska Katedra Techniki Cieplnej Laboratorium: Temat ćwicenia: Imię i nawisko: Data odrobienia ćwicenia: Badanie wymiennika ciepła typu płascowo-rurowy Semestr: Rok akademicki: Data alicenia: Ocena e sprawdianu: Ocena ćwicenia:. Cel badania. Schemat pomiarowy i dane technicne badanego urądenia 3. Wyka i dane technicne użytej aparatury 4. Ocena dokładności i wnioski wypływające wyników badań 5. Wyka literatury ( w tym źródeł własności fiycnych) 4

15 Tabela pomiarowo-obliceniowa Lp Wielkość mierona i Onac Jednostk. oblicona enia i Pomiar Powierchnia wymiany ciepła: A m a Strumień objętości płynu "gorącego" V l/min m 3 /s b Strumień objętości płynu "imnego" V l/min m 3 /s 3 Temperatura płynu "imnego" na dolocie T 3=T' o C 4 Temperatura płynu "imnego" na wylocie T =T'' o C 4 5 Średnia temperatura płynu "imnego" T T T 3 4 T 6 Ciepło właściwe płynu "imnego" dla Cp kj/kg K temperatury T (tabela) 7 Gęstość płynu "imnego" dla ρ kg/m 3 temperatury T (tabela) 8 Strumień masy płynu "'imnego" m m kg/s V 9 Temperatura płynu "gorącego" na dolocie T =T' 0 Temperatura płynu "gorącego" na T =T'' C wylocie Średnia temperatura płynu "gorącego" T T T g C T g Ciepło właściwe płynu "gorącego" dla Cp kj/kg K temperatury T g 3 Gęstość płynu "gorącego" dla ρ kg/m 3 temperatury T g 4 Strumień masy płynu "gorącego" m m kg/s 5 Maksymalna różnica temperatur międy płynem "gorącym" a "imnym" 6 Minimalna różnica temperatur międy płynem "gorącym" a "imnym" V ΔT max ΔT min o C o C K K 5

16 7 Logarytmicna różnica temperatur międy płynem "gorącym" a "imnym" T ln Tmax T Tmax ln T min min ΔT ln K 8 Moc wymiennika ciepła jako chłodnicy Q m Cp T Q kw ln 9 Sprawność temperaturowa wody ciepłej η h a) wymiennik współprądowy η h= (T-T)/(T- T3) b) wymiennik preciwprądowy η h= (T-T)/(T- T3) 0 Sprawność temperaturowa wody imnej η h a) wymiennik współprądowy η h= (T4-T3)/(T- T3) b) wymiennik preciwprądowy η h= (T4-T3)/(T- T3) Prędkość prepływu płynu "gorącego" w = V /A ; D =, D w = Prędkość prepływu płynu "imnego" w = V /A ; D =, D k = 3 Obciążenie jednostkowe powierchni wymiany ciepła η h % η h % η h % η h % w w m/s m/s Q q q kw/m A Wyniki obliceń teoretycnych oblicenia po stronie wody gorącej dla temperatury obliceniowej T g 4 Wsp. Lekkości kinematycnej v m /s 5 Licba Reynoldsa Re a) Licba Prandtla Pr b) Współcynnik roseżalności 6 Licba Granshofa Gr 7 Licba Nusselta Nu 6

17 8 Wsp. prewodenia ciepła λ W/m K 9 Wsp. prejmowania ciepła α W/mK oblicenia dla wody imnej o temperature obliceniowej T 30 Wsp. Lekkości kinematycnej v m /s 3 Licba Reynoldsa Re 3 Licba Prandtla Pr 33 Współcynnik roseżalności β 34 Licba Granshofa Gr 35 Wsp. konfiguracji prepływu K 36 Licba Nusselta Nu 37 Wsp. prewodenia ciepła λ W/m K 38 Wsp. prejmowania ciepła α W/mK Teoretycna moc cieplna wymiennika 39 Wsp. prewodenia ciepła dla materiału λ p W/mK prepony wymiennika 40 Wsp. Prenikania ciepła pre preponę k W/m K 4 Teoretycna moc cieplna wymiennika Q T W 7