BADANIE PRZEPŁYWU CIEPŁA PRZEZ ŚCIANĘ RURY OŻEBROWANEJ

Transkrypt

1 Ćwiczenie 3: BADANIE PRZEPŁYWU CIEPŁA PRZEZ ŚCIANĘ RURY OŻEBROWANEJ 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest porównanie ilości ciepła oawanego o otoczenia przez poprzecznie ożebrowaną rurę poziomą z ilością ciepła oawaną w tyc samyc warunkac przez rurę głaką. 2. WIADOMOŚCI WPROWADZAJĄCE Jenym ze sposobów intensyfikacji procesu przenikania ciepła jest rozwinięcie powierzcni przegroy (ściany) rozzielającej płyny wymieniające ciepło. Rozwinięcie powierzcni realizowane jest poprzez instalowanie tzw. żeber, przy czym mogą być one wykonywane po jenej lub po obu stronac przegroy. Żebra carakteryzują się zróżnicowaną geometrią i tecnologią wykonania. Wyposaża się w nie zarówno powierzcnie płaskie jak i cylinryczne, przy czym ukierunkowanie żeber powinno być zgone z kierunkiem rucu omywającego je czynnika. Z tego wzglęu ożebrowanie wzłużne wykonuje się na powierzcniac płaskic, we wnętrzu rur oraz na zewnątrz rur pionowyc. Użebrowanie poprzeczne stosowane powinno być natomiast w oniesieniu o zewnętrznej powierzcni rur poziomyc. Dla zapewnienia poprawności ziałania żebra ważnym jest zapewnienie obrego przylegania jego postawy o powierzcni na której je wykonano. Z tego wzglęu połączenie żebra z przegroą, której powierzcnia ma być rozwinięta, realizowane jest zwykle na roze spawania, obróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem. Obecnie najbarziej rozpowszecnionym sposobem wytwarzania wysokosprawnyc żeber poprzecznyc na rurac jest obróbka plastyczna. Polega ona na walcowaniu ic powierzcni zewnętrznej na specjalnie ukształtowanyc walcac. W zależności o stosowanej tecnologii otrzymuje się żebra obwoowe rozmieszczone z aną poziałką lub pojeyncze żebro spiralnie o określonym skoku. Materiał z którego wykonywane są żebra powinien carakteryzować się 29

2 30 obrą przewonością cieplną, a także (przy stosowaniu walcowania) być plastyczny. Wymagania te spełniają metale kolorowe (np. mieź lub aluminium) lub ic stopy. Jeżeli rurom ożebrowanym nie są stawiane wysokie wymagania co o oporności korozyjnej i wytrzymałości mecanicznej, to mogą być one wykonane w całości z jenego kawałka metalu kolorowego. Rury takie noszą nazwę monometalowyc przewoów ożebrowanyc, rys. 1a). Jeżeli płyn płynący wewnątrz rury jest agresywny cemicznie lub wykazuje wysoką temperaturę i ciśnienie, to przewoy ożebrowane wykonuje się zwykle jako bimetalowe, rys. 1b). Tecnologia wykonania takic rur polega na walcowaniu materiału (z którego mają być utworzone żebra) łącznie z umieszczoną w jego wnętrzu rurą stalową o wymaganej wysokiej oporności na warunki pracy. W efekcie otrzymuje się przewó ożebrowany o obryc właściwościac przewozenia ciepła, przywalcowany o powierzcni rury stalowej o wysokiej oporności mecanicznej. np. mieź a) b) np.mieź rura stalowa Rys. 1. Rura z ożebrowaniem obwoowym poprzecznie walcowanym a) monometalowa, b) bimetalowa Wielkościami carakteryzującymi poprzeczne ożebrowanie przewou rurowego są: gęstość ożebrowania - określona jako liczba żeber przypaająca na metr ługości rury; stopień ożebrowania - określający rozwinięcie powierzcni przepływu ciepła, a wyrażający stosunek powierzcni rury ożebrowanej o powierzcni rury pozbawionej żeber. Analityczny opis rucu ciepła przez powierzcnię ożebrowaną opiera się na analizie przypaku przenikania ciepła przez płaską ścianę wyposażoną jenostronnie w prostokątne żebra proste. Scemat takiej przegroy (z

3 31 zaznaczeniem carakterystycznyc la opisu procesu przenikania ciepła parametrów) przestawiono na rys.2. L F1 F2 t w t1 a 1 l t t t 2 2' 2'' t ot a 2 a 2 s Rys. 2. Scemat płaskiej ściany ożebrowanej Ogólne równanie opisujące ruc ciepła przez tak ukształtowaną przegroę można przestawić w klasycznej postaci Q k F 2 T, (1) przy czym, poszczególne wielkości występujące w równaniu (1) wyznaczać należy w sposób następujący. Strumień ciepła Q - jest przyjmowany w oparciu o bilans cieplny la poszczególnyc płynów uczestniczącyc w przepływie ciepła, albo też stanowi wartość wynikową - zależną o geometrii ściany, warunków wnikania ciepła po obu jej stronac i różnicy temperatury pomięzy płynami. Współczynnik przenikania ciepła k - obliczany wg zależności 1 s 1, (2) k 1 ż 2 w której: - stopień ożebrowania przegroy, równy w przypaku ściany płaskiej stosunkowi pola powierzcni strony ożebrowanej o nieożebrowanej F 2 /F 1. Wyznaczając pole powierzcni strony ożebrowanej należy

4 32 uwzglęnić powierzcnię boczną i czołową żeber, a także powierzcnie ściany pomięzy żebrami; 1 - współczynnik wnikania ciepła po nieożebrowanej stronie przegroy, zależny o przebiegu procesu wnikania, W/(m 2 K); s - grubość ściany pozbawionej żeber, m; - współczynnik przewozenia ciepła materiału z którego wykonana jest przegroa ożebrowana, W/(mK); 2 - współczynnik wnikania ciepła po ożebrowanej stronie ściany, zależny o przebiegu procesu wnikania po tej stronie przegroy i liczony la śreniej temperatury żebra t 2, W/(m 2 K); ż - sprawność żebra płaskiego, opisana równaniem ż gzie: m 2 2, tg ( m ), (3) m - grubość żebra, m; - wysokość żebra, m. Żebra poprzeczne, wykonane na zewnętrznej powierzcni cylinrycznej (np. rury), oają ciepło gorzej niż żebra płaskie, przy tej samej ic powierzcni. Dla żebra okrągłego współczynnik przenikania ciepła występujący w równaniu (1) przybiera postać 1 s 1 k 1 ż, (4) 2 w której symbol oznacza poprawkę sprawności żebra poprzecznego. Dla żeber okrągłyc poprawka uzależniona jest o wartości funkcji f D 1 ;. (5) cos ( m ) Jej wartość poaje literatura (tabelarycznie lub w formie wykresu), np. [1]. Symbole D i oznaczają zewnętrzną i wewnętrzną śrenicę żebra. Ze wzglęu na to, że zarówno sprawność żebra jak i poprawka sprawności są związane z tymi samymi parametrami m i, opracowano również gotowe wykresy przestawiające całkowitą sprawność żebra o anym kształcie, np. rys. 3. Jak wynika z rys.3, sprawność żebra maleje wraz ze zwiekszaniem iloczynu m co oznacza, że zastosowanie cienkic i wysokic żeber, wykonanyc z materiału o małym współczynniku przewozenia ciepła i umieszczonyc po stronie płynu obrze obierającego ciepło, może powoować zmniejszenie a nie zwiększenie

5 33 intensywności przepływu ciepła przez przegroę ożebrowaną. Zasaą jest więc stosowanie żeber po tej stronie ściany, gzie współczynnik wnikania ciepła przyjmuje małe wartości (np. przy konwekcji naturalnej w gazie), jak również zacowanie racjonalnyc wymiarów żebra związanyc z jego wysokością (śrenicą) i powierzcnią sprawność całkowita, ż D/=1,0 1,5 2,0 3,0 4, m Rys. 3. Sprawność całkowita prostokątnego poprzecznego żebra okrągłego Strumień ciepła przenikającego przez powierzcnię ożebrowaną związana jest również z kształtem przekroju poprzecznego żeber, rys. 4. a) b) c) ) x x x x x x x x x/ a x f(, ) Rys. 3. Kształty żeber a) prostokątne, b) trójkątne, c) trapezowe, ) profilowane

6 34 Rozwiązaniem najbarziej korzystnym i jenocześnie tecnologicznie prostym o wykonania jest żebro trójkątne. Jeżeli rozpatruje się ruc ciepła pomięzy ożebrowaną powierzcnią cylinryczną, o znanej temperaturze postawy żeber, a otoczeniem, to strumień przepływającego ciepła określić można wykorzystując równanie (1), w którym współczynnik k zreukuje się o postaci a zatem k ż ot, (6) Q ż ż ot,ż F ż Tż (7) gzie: Q ż - strumień przepływającego ciepła, W; - poprawka sprawności, -; ż - sprawność żebra, -; ot, ż - współczynnik wnikania ciepła o powierzcni ożebrowanej la konwekcji naturalnej w powietrzu atmosferycznym, W/(m 2 K); F ż - pole powierzcni ożebrowanej. Dla okrągłyc żeber o przekroju prostokątnym t D D Fż L 2 t gzie: - śrenica postawy żebra, m; D - śrenica zewnętrzna żebra, m; L - ługość ożebrowanej rury, m; - grubość żebra, m; t - poziałka rozmieszczenia żeber, m; T ż - różnica temperatury pomięzy powierzcnią ożebrowaną i otoczeniem, K. Strumień ciepła płynący o otoczenia w tyc samyc warunkac temperaturowyc, przez tę samą powierzcnię cylinryczną pozbawioną jenak ożebrowania (8) Q r ot, r F r T (9) gzie: Q r - strumień przepływającego ciepła, W ot,r - współczynnik wnikania ciepła la powierzcni nieożebrowanej la konwekcji naturalnej w powietrzu atmosferycznym, W/(m 2 K); F r - pole powierzcni nieożebrowanej. Dla rury głakiej

7 35 F r L (10) gzie: - zewnętrzna śrenica rury, m; L - ługość rury, m. T r - różnica temperatury pomięzy powierzcnią nieożebrowaną i otoczeniem, K. Stosunek wartości strumieni ciepła opisywanyc równaniami (7) i (9) przestawia poziom intensyfikacji przepływu ciepła poprzez stosowanie ożebrowania Q Q Q ż r ż ot, r ot, ż F F ż r T ż T r. (11) Parametrem najbarziej wpływającym na wartość stosunku Q jest wartość iloczynu ż, latego też w praktyce konstrukcyjnej ąży się o tego, ażeby jego wartość jak najbarziej zbliżona była o jeności. 3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Scemat stanowiska pomiarowego, służącego o oceny wpływu ożebrowania poprzecznego rury poziomej na strumień ciepła oawanego przez nią o otoczenia, przestawiono na rys EMT EMT 7 5 W W1 10 A ATr V 9 Wg ~220 V 1 Rys.4. Scemat stanowiska pomiarowego 1 - mieziana rura głaka, 2 - bimetalowa rura ożebrowana, 3 - grzałki elektryczne, 4 - zaślepki tekstolitowe, 5 - olej maszynowy, 6 - termopary Ni-CrNi, 7- szklane rurki buforowe, 8 - elektroniczne mierniki temperatury, 9 - woltomierz, 10 - amperomierz, 11- autotransformator, W - wyłączniki Głównymi jego elementami są wie poziome rury grzewcze (1) i (2) wypełnione olejem maszynowym (5). Jeną z rur stanowi mieziana rura głaka, rugą

8 36 bimetalowa rura z zewnętrznym ożebrowaniem śrubowym. Carakterystykę konstrukcyjną obu rur poano w tabeli 1. Do wnętrza rur, poprzez tekstolitowe zaślepki (4), wprowazone są grzałki elektryczne (3). Temperatura oleju kontrolowana jest termoparami (6). Wobec małej śrenicy wewnętrznej rur i braku przepływu oleju, w warunkac ustalonyc temperatura oleju wyrażać może (z wystarczającym przybliżeniem) temperaturę samyc rur. Ze wzglęu na rozszerzalność termiczną oleju, w zaślepkac tekstolitowyc umieszczono szklane rurki (7) w któryc gromazi się zwiększona objętość oleju. Tabela 1 Carakterystyka wymiarów rur grzewczyc Wymiar Długość Śrenica rury Śrenica żeber Poziałka rozmieszczenia żeber Grubość żeber Pole powierzcni przepływu ciepła Rura nieożebrowana (mieź) 0,5 m 25mm ,078m 2 Rura ożebrowana (mieź + aluminium) 0,5m 25mm 50mm 6mm 3mm 0,583m 2 Moc grzałek (włączanyc niezależnie włącznikami W1 i W2) regulowana jest autotransformatorem (11), a mierzona ukłaem mierników woltomierzamperomierz (9) i (10). Istota pomiaru strumienia ciepła oawanego o otoczenia przez powierzcnie rur polega na określeniu mocy pobieranej przez każą z grzałek la utrzymania temperatury oleju na stałym poziomie. Wyznaczany w ten sposób strumień ciepła oawanego o otoczenia jest równy (12) Q P U I la T const gzie: P - moc elektryczna pobierana przez aną grzałkę, W; U - wskazanie woltomierza, V; I - wskazanie amperomierza, A; T ol - temperatura oleju we wnętrzu anej rury. Doatkowym wyposażeniem stanowiska pomiarowego jest tablica pogląowa z eksponatami rur ożebrowanyc o różnej konstrukcji. 4. METODYKA PROWADZENIA POMIARÓW W celu przeprowazenia pomiarów należy: a) włączyć zasilanie autotransformatora; b) włączyć czujniki temperatury; ol

9 37 c) sprawzić, wg oznaczeń na stanowisku, sposób połączenia woltomierza i amperomierza, ustawić ic opowienie zakresy pomiarowe i włączyć inywiualne zasilanie mierników; ) włączyć opływ prąu o grzałki w rurze nieożebrowanej, a wyłączyć o grzałki w rurze ożebrowanej; e) regulując napięcie suwakiem autotransformatora oprowazić olej w rurze o stałej temperatury (ok. 60C); f) po ustaleniu się warunków przepływu ciepła, co przy stałości temperatury oleju objawia się brakiem zmian prąu i napięcia zasilającego grzałkę, okonać oczytu wskazań mierników; g) powtórzyć pomiary wg pkt. f) la temperatury oleju 70, 80 i 90 o C; ) wyłączyć zasilanie grzałki w rurze nieożebrowanej, a włączyć w ożebrowanej; i) powtórzyć czynności wg pkt. e) g); j) po zakończeniu pomiarów wyłączyć zasilanie autotransformatora, mierników elektrycznyc prąu napięcia i temperatury; k) w trakcie trwania pomiarów kontrolować poziom oleju w rurkac buforowyc; l) wyniki pomiarów notować w tabeli. Uwaga: Wysoka temperatura powierzcni rur w trakcie trwania ćwiczenia grozi poparzeniem. Efektywność przepływu ciepła przez powierzcnię ożebrowaną Pole przepływu ciepła rury głakiej: 0,078m 2 Pole przepływu ciepła rury ożebrowanej: 0,583 m 3 Rozaj żeber: aluminiowe śrubowe żebra prostokątne Temperatura otoczenia:... C Temp. Rura głaka Rura ożebrowana oleju t Napięcie U Prą I Moc P=UI Napięcie U Prą I Moc P=UI C V A W V A W ZAKRES OPRACOWANIA WYNIKÓW

10 38 1. Określić wartości stosunku strumienia ciepła traconego przez powierzcnię ożebrowaną o strumienia ciepła traconego przez rurę pozbawioną żeber, przy tej samej temperaturze oleju wewnątrz rur. 2. Przestawić wyniki obliczeń wg pkt.1. w postaci istogramu. 3. Oszacować wartość poprawki i sprawność baanego żebra okrągłego, wg zależności teoretycznyc (3) i (5); 4. Poać wnioski z przeprowazonego ćwiczenia. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA [1] TRONIEWSKI L. i inni: Tablice o obliczeń procesowyc, Skrypt PO, nr 178, Opole1996 [2] HOBLER T.: Ruc ciepła i wymienniki, WNT W-wa 1986 [3] MADEJSKI J.: Teoria wymiany ciepła, Wyawnictwo Uczelniane PSz, Szczecin TEMATYKA ZAGADNIEŃ KONTROLNYCH 1. Sposoby intensyfikacji przepływu ciepła w rekuperatorac. 2. Cel stosowania powierzcni ożebrowanyc i zaanie żeber. 3. Rozaje żeber i tecnologia ic wykonywania. 4. Ocena skuteczności ziałania żebra. 5. Zasay i wytyczne stosowania żeber.