INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 6-WC WYMIENNIK CIEPŁA

Transkrypt

1 LABORATORIUM ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 6-WC WYMIENNIK CIEPŁA Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasada działania wymiennika ciepła i sposobem obliczania wymienników.

2 WPROWADZENIE: Przenoszenie ciepła towarzyszy przebiegowi różnych zjawisk. Jest także niezwykle ważnym elementem w procesach technologicznych. W zastosowaniach technicznych procesy wymiany ciepła realizowane są celowo w urządzeniach, zwanych wymiennikami ciepła. Wymiennikiem ciepła nazywamy aparat, służący do wymiany ciepła pomiędzy dwoma czynnikami bez konieczności mieszania ich. Teoria rekuperatora przeciwprądowego: Dla uproszczenia przyjmiemy, że w procesie wymiany ciepła uczestniczą dwa czynniki, a współczynnik przenikania ciepła k jest stały w czasie. W rekuperatorach możliwy jest przepływ czynników w tym samym kierunku współprąd lub w kierunkach przeciwnych przeciwprąd. Wprowadzamy oznaczenia: t, t2 miejscowe temperatury czynników (indeks na wlocie, indeks na wylocie), cp, cp2 wartości ciepła właściwego czynników, f powierzchnia omywana przez czynnik, liczona od wlotu. a) ścianki izolowane b) ścianki izolowane w, t w, t w 2, t 2 w 2, t 2 t, t 2 t t, t 2 t t 2 t t 2 t 2 t t 2 df f df f Rys.. Rozkład temperatury w rekuperatorze: a) współprądowym, b) przeciwprądowym Analizując rysunek można stwierdzić, że w przypadku wymiennika współprądowego czynnik przejmujący ciepło może się ogrzać co najwyżej do najniższej temperatury czynnika grzejącego, a w przypadku przeciwprądu do jego najwyższej temperatury. Wniosek: Wymiennik przeciwprądowy jest wydajniejszy (z punktu widzenia użytej powierzchni) niż wymiennik współprądowy. 2

3 Założenie: Wymiana ciepła odbywa się tylko przez ściankę nieizolowaną, oddzielającą czynniki. Strumień ciepła wymienianego przez ściankę płaską: dq = qdf = k( t )df Q = qdf = k t df = k t 0 0 (), (2) więc: ( ) ( ) 0 gdzie: Δ t = ( t ) = ( t ) df jest średnim spadkiem temperatury. Strumień ciepła, wymieniany izobarycznie na powierzchni f, obliczamy na podstawie bilansu, zgodnie z rysunkiem : ( t t ') = m c ( t 2 ' ) Q = m. (3) cp 2 p2 2 t Wprowadzając pojęcie pojemności cieplnej (właściwie: strumienia pojemności cieplnej) obu czynników: i różniczkując równanie () otrzymujemy: W = m cp i W2 m2 cp2 d Q = Wdt = W2dt2 = (4), (5) z czego: dq dt = i W dt2 dq W2 = oraz: d ( t ) = dt dt2 = dq. (6) W W2 Oznaczając M W W2 = i biorąc pod uwagę wzór (), otrzymujemy ze wzoru (6): ( t t ) = km( t t )df. (7) d 2 2 Rozwiązaniem równania (7), zapisanego w postaci: ( ) d = kmdf (8) z uwzględnieniem warunku brzegowego: f=0, wówczas =, jest: więc: ln ( ) + C = kmf i ln ( ') + C = 0, czyli C ln( ) czyli: ( ) = (9) ln = kmf, (0) Δ t = exp kmf ( t t ) exp( kmf ) t = ' 2 '. () 3

4 Następnie obliczamy wartość średnią różnicy temperatury (t-t2): = 2 kmf 0 0 km ( t t ) = ( ) df = exp( kmf ) df = [ exp( ) ] (2) Uwzględniając równanie (0) oraz () otrzymujemy z równania (2): = exp ln = t' t' ln Δ = ln Δ (3) ln W szczególności: ' = ' i ostatecznie, ponieważ: = t ' '' t2 i ' = t '' t2' (rys.2), to: ln ' ( t t ) ( t ' t '') ( t '' t ') = =. (4) t ' '' ln t2 t' ' t2' t, t 2 t t t 2 t t Rys.2. Ilustracja definicji różnicy temperatury czynników w rekuperatorze przeciwprądowym Obliczanie rekuperatorów sprowadza się do ustalenia średniego spadku temperatury, przy założeniu: k=const, W= const, W2= const (4). Efektywność rekuperatorów przeciwprądowych t 2 df f t, t 2 t Podstawową wielkością, charakteryzującą rekuperator, jest efektywność (sprawność) rekuperatora: t 2 t =t 2 Φ t ' t ' t '' ' =. (5) t 2 f Rys.3. Ilustracja hipotetycznego przypadku rekuperatora o jednostkowej efektywności 4

5 Współczynnik efektywności wynosiłby, gdyby czynnik cieplejszy został ochłodzony do początkowej temperatury czynnika zimniejszego (t =t2 ) (Rys.3), co wymaga nieskończonej powierzchni wymiany ciepła, a zatem zawsze: Φ<. Efektywność rekuperatora można wyrazić jako funkcję parametrów R i S, zdefiniowanych następująco: postaci: W R = 2, W k S =, (6) W S e R Φ =. (7) S e R R Zależność efektywności rekuperatora przeciwprądowego Φ(S) dla różnych wartości R przedstawia Rysunek 4.,0 efektywność Φ 0,5 R= R=2 R= R=0,5 R=0, S Rys. 4. Efektywność rekuperatora przeciwprądowego Φ(R,S) Stanowisko eksperymentalne: Stanowisko składa się z rekuperatora JAD XK produkcji SeCeS-Pol sp. z o.o., o powierzchni wymiany ciepła 0,6 m 2, wyposażonego w czujniki temperatury czynników na wlocie i wylocie oraz dwa przepływomierze. Wymiennik podłączony jest do węzła cieplnego, zasilanego przez kocioł gazowy. Zadaniem wymiennika jest schłodzenie wody podgrzanej przez kocioł. Czynnikiem chłodzącym jest woda wodociągowa. Przebieg ćwiczenia: Ćwiczenie wykonuje się po uruchomieniu i ustabilizowaniu pracy kotła.. Włączenie obiegów: czynnika gorącego i chłodzącego. 2. Pomiar temperatur obu czynników na wlocie i wylocie co 5 min. 3. Pomiar natężenia przepływu obu czynników co 5 min. 5

6 Pomiary notujemy w tabeli: τ [min] t[ o C] t2[ o C] t3[ o C] t4[ o C] kg m s kg m 2 s 4. Obliczenie średniej wartości różnicy temperatury i efektywności rekuperatora na podstawie wzorów (4) i (5). 5. Obliczenie współczynnika R i sprawdzenie zgodności obliczeń z nomogramem (Rys.4). 6. Wyznaczenie współczynnika przenikania ciepła k i współczynnika S na podstawie wzorów (7) i (6). Opis wymiennika: PARAMETRY PRACY JAD XK MAX. CIŚNIENIE:,6; 2,5 MPa MAX. TEMPERATURA: 203; 250 deg. C PARAMETRY KONSTRUKCYJNE POWIERZCHNIA WYMIANY CIEPŁA: 0,6 m², rura karbowana 8mm OBJĘTOŚĆ STR. RUREK:,2 l OBJĘTOŚĆ STR. PŁASZCZA:,2 l WAGA Z PRZYŁĄCZAMI GWINTOWANYMI: 8,0 kg WAGA Z PRZYŁĄCZAMI KOŁNIERZOWYMI: 6,0 kg STANDARDOWA LOKALIZACJA PRZYŁĄCZY K - wlot czynnika grzewczego K2 - wylot czynnika ogrzewanego K3 - wlot czynnika ogrzewanego K4 - wylot czynnika grzewczego TYPY PRZYŁĄCZY K, K2, K3, K4: G ½ " gwint zewnętrzny; DN40 kołnierz płaski 6