Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Transkrypt

1 Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Energetyki i Paliw BADANIE WYMIENNIKÓW CIEPŁA Przygotował: mgr inż. Marcin Borcuch borcuch@agh.edu.pl

2 Podstawy wymiany ciepła Sposoby transportu ciepła: przewodzenie konwekcja o swobodna o wymuszona promieniowanie Przewodzenie ciepła. Wprowadzenie teoretyczne Przewodzeniem ciepła nazywamy proces przenoszenia ciepła przez cząsteczki niepodlegające przemieszczeniom makroskopowym. Występuje ono jako jedyny mechanizm tylko w ciałach stałych, a w płynach (cieczach i gazach) tylko w określonych warunkach. Podstawowa zależność dla tego zjawiska została sformułowana przez Fouriera (1822 r.): T W q gradt T 2 n m Jednostkowy strumień cieplny jest proporcjonalny do gradientu temperatury i jako wektor, zwrócony w kierunku spadku temperatury, jest skierowany przeciwnie do wektora gradientu (stąd znak minus we wzorze). Współczynnik proporcjonalności λ [ ] nazywa się współczynnikiem przewodzenia ciepła i zależy od struktury wewnętrznej substancji, jej gęstości i temperatury. Tabela 1.Orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ w temperaturach 0-20 C.

3 Konwekcja i przejmowanie ciepła Konwekcja polega na makroskopowym przemieszczaniu się zgrupowań cząstek (porcji płynu) a wraz z nimi ciepła tych cząstek. Występuje ona w płynach, czyli w cieczach i gazach. Przejmowanie (też: wnikanie) ciepła to przenoszenie ciepła od ścianki o temperaturze T ścianki do wnętrza płynu o temperaturze T płynu lub na odwrót. Rozróżnia się konwekcję swobodną (naturalną), w której wewnętrzny ruch płynu wywołany jest siłą wyporu (zdeterminowaną przez różnicę temperatur: ścianki i wnętrza płynu) oraz konwekcję wymuszoną, w której wewnętrzne ruchy płynu wywołane są przez ogólny przepływ płynu. Obydwa rodzaje przejmowania ciepła podlegają prawu Newtona (1701 r.): gdzie: α W q ( Tscianki Tplynu) 2 m - to współczynnik przejmowania ciepła. Tabela 2. Orientacyjne wartości współczynnika przejmowania ciepła α. Promieniowanie Promieniowanie ciepła polega na przenoszeniu energii za pośrednictwem fal elektromagnetycznych wszystkich długości, przede wszystkim jednak fal o długościach: 0,8-400 μm czyli tzw. fal podczerwonych. Proces ten zachodzi między powierzchniami ciał stałych i cieczy poprzez ciała gazowe i próżnię. Ilość energii cieplnej wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni ciała stałego lub cieczy o temperaturze T [K] i powierzchni A [m 2 ] określona jest wzorem otrzymanym doświadczalnie przez Josefa Stefana ( ), a potem wyprowadzonym teoretycznie przez Ludwiga Eduarda Boltzmanna ( ): Q T 4 W q C ( ) 2 A 100 m

4 gdzie: C = C 0 ε = 5,677 ε jest stałą promieniowania wynoszącą dla tzw. ciała doskonale czarnego: C = C 0 = 5,667. Wielkość: ε < 1 jest to tzw. stopień czarności zależny od rodzaju ciała, stanu jego powierzchni i temperatury. Orientacyjne wartości ε podaje tab. 3. Tabela 3. Orientacyjne wartości stopnia czarności ε. Przenikanie ciepła Przenikanie ciepła polega na przenoszeniu ciepła przez konwekcję i przewodzenie (czyli przez przejmowanie) od płynu do ścianki, następnie przez przewodzenie wewnątrz przegrody i znowu przez przejmowanie od ścianki w głąb drugiego płynu. W szczególnych przypadkach, przejmowaniu ciepła na powierzchni może towarzyszyć promieniowanie ciepła wtedy współczynnik przejmowania ciepła na tej powierzchni reprezentuje transport ciepła przez obydwa mechanizmy stanowiąc współczynnik całkowity: α c = α + α r Rys.1 Rozkład temperatury przy przenikaniu ciepła.

5 Rozważa się ustalone jednowymiarowe pole temperatury (przykładowy rozkład temperatury podaje rys. 1), wobec czego strumień cieplny przenoszony kolejno od płynu do ścianki, potem wewnątrz ścianki oraz od ścianki do drugiego płynu jest na każdym etapie tego procesu taki sam. Przy użyciu oznaczeń podanych na rys. 1 mamy dla każdego z tych etapów: Ścianka nie musi oczywiście być płaska - A w jest średnią powierzchnią poprzeczną przegrody obliczoną w odpowiedni, a podany uprzednio, sposób. Po wyodrębnieniu w powyższych równaniach spadków temperatur: i zsumowaniu stronami otrzymuje się zależność: Zależność tę wygodniej było by ująć w postaci podobnej do poznanego uprzednio równania Newtona: Jest to tzw. prawo (albo równanie) Pécleta, w którym: k [ ]stanowi współczynnik przenikania ciepła, a A o [m 2 ] powierzchnię obliczeniową. Tą powierzchnią może być powierzchnia A 1, A 2 lub A w zależnie od wyboru lub obowiązującej w danej dziedzinie konwencji (przepisów). I tak np. w kotłach parowych jest nią zawsze powierzchnia od stron spalin.

6 Opór cieplny przenikania ciepła stanowi oczywiście mianownik wyrażenia: Opór przenikania jest więc sumą oporów cieplnych poszczególnych procesów składowych. Tabela 4. Orientacyjne wartości współczynnika przenikania ciepła.

7 Wymienniki ciepła Wymienniki (przenośniki) ciepła są aparatami służącymi do przenoszenia ciepła od jednego płynu do drugiego. Rozróżniamy, ogólnie biorąc, trzy poniższe rodzaje wymienników ciepła: Rekuperatory, czyli wymienniki przeponowe odznaczające się tym, że obydwa płyny uczestniczące w procesie oddzielone są przegrodą, poprzez którą przenika ciepło. Przegrodę stanowią przeważnie ścianki rur czasami płyt. Rekuperatory działają w sposób ciągły, a pole temperatury w nich jest ustalone w czasie. Regeneratory, czyli wymienniki z wypełnieniem działają periodycznie: płyny przepływają w nich naprzemienne przez kanały w masie wypełniającej oddając względnie przejmując ciepło za jej pośrednictwem. Pole temperatury w regeneratorze jest nieustalone w czasie i podlega zmianom okresowym. Wymienniki kontaktowe, w których przenoszenie ciepła odbywa się przy bezpośrednim zetknięciu dwóch płynów o różnych stanach skupienia. Tymi płynami są przeważnie: jednym woda a drugim para, gaz lub mieszanina gazowo - parowa. Najprostszą odmianą tego rodzaju wymienników są mieszankowe podgrzewacze wody lub skraplacze pary wodnej, w których kontaktują się para wodna i woda. Drugą grupę stanowią wymienniki dyfuzyjne służące do wykraplania pary z mieszanki z gazem, nasycania gazu parą lub do chłodzenia wody przy pomocy gazu. Podział wymienników ze względu na geometrię konstrukcji: rurowe o dwururowe i wielorurowe o płaszczowo rurowe o płaszczowo spiralne płytowe o płytowe uszczelkowe o płaszczowo płytowe o płytowe spawane/lutowane o płytowe spiralne Wymienniki rurowe, jak nazwa wskazuje, zbudowane są z rur, gdzie jeden czynnik płynie wewnątrz rur, a drugi na zewnątrz. Wewnątrz rur powinien przepływać płyn bardziej agresywny chemicznie, odkładający zanieczyszczenia, o dużym ciśnieniu. Na zewnątrz płyn o dużej lepkości, gaz, posiadający ograniczony spadek ciśnienia. Rys. 2 Wymiennik rurowy i zmiany temperatury wzdłuż jego przekroju.

8 Wymienniki dwururowe są najprostszymi i rzadko używanymi urządzeniami, stosowanymi zwykle w rozwiązaniu przeciwprądowym. Są zbudowane z dwóch rur, ułożonych jedna w drugiej oraz połączeń wlotowych i wylotowych. W celu intensyfikacji wymiany ciepła, wewnętrzne rury są często ożebrowane, co powoduje zwiększenie powierzchni wymiany ciepła od 5 do 20 razy. Wymienniki wielorurowe są modyfikacją układu dwururowego. Główną wadą tych wymienników jest ich wielkość i wysoki koszt produkcji w przeliczeniu na powierzchnię wymiany ciepła. Wymienniki płaszczowo-rurowe są najczęściej stosowane w instalacjach technologicznych. Stanowią ponad 60% wszystkich pracujących wymienników. Mogą pracować w każdych warunkach, ograniczeniem są jedynie materiały, z których je wykonano. Wymienniki płaszczowo-rurowe zbudowane są z rur umieszczonych w dużych cylindrycznych płaszczach z osią rur równoległą do osi płaszcza (rys 3). Rys. 3 Wymiennik płaszczowo rurowy. Jeden strumień przepływa przez rury, podczas, gdy drugi płynie w przestrzeni płaszcza, w poprzek lub wzdłuż rur. W celu uzyskania lepszego współczynnika przenikania ciepła w wymiennikach montuje się przegrody po stronie płaszcza, które jednocześnie są podparciem dla rur. W instalacjach technologicznych stosuje się wiele rozwiązań wykonania płaszcza oraz rur. Zależy to od wymagań wymiany ciepła, spadków i wielkości ciśnień, tworzeniem się osadów, korozją oraz kosztami. Wymienniki płaszczowo-spiralne składają się ze spiralnie zwiniętych rur umieszczonych w płaszczu. Zwykle stosuje się je jako kondensator bądź wyparki w systemach chłodniczych. Charakteryzują się zwartą budową, ograniczeniem jest czystość czynników, ponieważ czyszczenie tego typu wymienników jest praktycznie niemożliwe.

9 Rys. 4 Wymiennik płaszczowo-spiralny. Wymienniki płytowe zbudowane są z cienkich płyt ułożonych pakietowo w taki sposób, aby przestrzeń pomiędzy nimi tworzyła kanały przepływowe. Gorący i zimny czynnik przepływa na zmianę w co drugiej przestrzeni pomiędzy płytami, a ciepło jest przekazywane poprzez oddzielającą je cienką płytkę. Płyty te mogą być pofalowane lub specjalnie użebrowane. Pakiety płyt mogą być połączone ze sobą śrubami, w takim wypadku każda z płyt oddzielona jest materiałem uszczelniającym. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wymontowania i wymiany dowolnej płyty oraz łatwość czyszczenia wymiennika. Można również tutaj zmieniać powierzchnię wymiany ciepła. Połączenie spawane lub lutowane stosowane jest zwykle w przypadku czynników agresywnych bądź szkodliwych, gdyż charakteryzują się one pełną szczelnością. Wadą jest wyłącznie chemiczne czyszczenie wymiennika. Rys. 5 Płytowy wymiennik ciepła. Wymiennik płaszczowo-płytowy działa identycznie jak wymiennik płytowouszczelkowy, z tą różnicą, że płyny w wymienniku umieszczone są wewnątrz płaszcza zwykle wykonanego z rury.

10 Wymienniki płytowe spiralne konstruuje się poprzez zwinięcie dwóch długich równoległych płyt w spiralę. Tworzą się wtedy kanały, które można wykorzystać do przepływu przeciwprądowego. Całkowity współczynnik przenikania dla tych urządzeń jest generalnie wyższy niż w wymiennikach konwencjonalnych z powodu wzmożonej turbulencji. Ich jedyną wadą są ograniczenia co do wysokości ciśnienia pracy instalacji. Rekuperatory równoległo prądowe Na przedstawionym schemacie (rys. 6) równoległego przepływu obydwu płynów widać, że możliwy jest przepływ w tym samym kierunku - mówimy wtedy o współprądzie, albo w kierunkach względem siebie przeciwnych, co jest tak zwanym przeciwprądem. Rys.6 Schemat rekuperatora równoległo prądowego Rozpatrując termodynamiczny układ otwarty po stronie płynu cieplejszego na rys.6 otrzymuje się następujący bilans energii: bowiem zewnętrzna praca mechaniczna tu nie występuje (L= 0), a różnice energii kinetycznej i potencjalnej między wlotem i wylotem są z reguły pomijalne (w1 - w2 < 40 m/s, h1 - h2 < 50 m). Dla chłodniejszego płynu jest analogicznie: (a) (b)

11 Jeśli pominiemy straty ciepła do otoczenia, to: a po wprowadzeniu tego do (a) i (b) oraz drobnym przekształceniu otrzymujemy: albo inaczej: Z zależności tej wynika, że zmiana temperatury każdego z płynów jest odwrotnie proporcjonalna do jego pojemności cieplnej W = m c p. Czyli płyn o większej pojemności cieplnej doznaje mniejszej zmiany temperatury i na odwrót. WSPÓŁPRĄD PRZECIWPRĄD Rys.7 Przebiegi temperatur w wymiennikach współ - i przeciwprądowych w zależności od stosunku pojemności cieplnych.

12 Rekuperatory poprzecznoprądowe Jeżeli przepływy przecinają się pod kątem prostym, to taki układ nosi nazwę przepływu skrzyżowanego albo prądu krzyżowego (rys 8a). Poza tym przypadkiem czystego prądu krzyżowego istnieje wiele możliwości prądów krzyżowo rówloległoprądowych czyli tzw. przepływów mieszanych. Rys. 8 (b i c) przedstawiają przykłady takich wielokrotnie krzyżowanych o ogólnym charakterze przeciwprądowym. Rys.8 Przykłady przepływu poprzecznego

13 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności sprawności wymienników ciepła (nagrzewnicy elektrycznej powietrza oraz chłodnicy wodnej powietrza) od zmiennych parametrów pracy. W trakcie ćwiczenia możliwa jest modyfikacja następujących parametrów: moc nagrzewnicy, strumień powietrza przepływającego przez wymienniki, strumień wody przepływającej przez chłodnicę. Budowa stanowiska Rys. 9 Schemat stanowiska pomiarowego. Stanowisko pomiarowe znajduje się w Laboratorium Maszyn Cieplnych i Przepływowych, s. 130, bud. D4, Wydział Energetyki i Paliw. W skład stanowiska wchodzą: nagrzewnica kanałowa Venture Industries Sp. z o.o. DH 200/20 oraz chłodnica Systemair VBC Układ wyposażony jest ponadto w następujące elementy: karta pomiarowa firmy National Instruments, model NI-USB 6343; 3 przetworniki temperatury i wilgotności HD48T firmy DeltaOHM; 2 przetworniki temperatury DeltaOHM, model HD4807T; przetwornik ciśnienia DeltaOHM, model HD404T; różnicowy przetwornik ciśnienia firmy halstrup walcher, model P26; przepływomierz Dwyer oprogramowanie firmy National Instruments LabView 2012, Measurement & Automation Explorer, Diadem 2012 oraz NI DAQ. Przepływ powietrza przez wymienniki w trakcie ćwiczenia wytwarzany jest za pomocą wentylatorów boczno kanałowych lub wentylatora promieniowego (w zależności od konfiguracji). Istotna z punktu widzenia wymienników jest jedynie wartość strumienia przepływającego powietrza.

14 Wykonanie ćwiczenia 1. Sprawność nagrzewnicy w zależności od jej mocy chwilowej. Po uruchomieniu stanowiska i wytworzeniu przepływu powietrza przez nagrzewnicę (nagrzewnicę można uruchomić tylko i wyłącznie, gdy przepływa przez nią powietrze) uruchamiamy oprogramowanie pomiarowe oraz nagrzewnicę. Za pomocą zainstalowanego autotransformatora stopniowo zwiększamy, co kilka minut, napięcie podawane na nagrzewnicę i dokonujemy pomiarów temperatury oraz wilgotności powietrza wypływającego oraz mocy nagrzewnicy. Pomiaru dokonujemy pięciokrotne, w ostatnim pomiarze osiągając maksymalną moc nagrzewnicy. 2. Sprawność chłodnicy w zależności od strumienia objętości przepływającej wody chłodzącej Ćwiczenie wykonywane równolegle z ćwiczeniem 1. Po ustawieniu odpowiedniej mocy nagrzewnicy dokonujemy pomiarów parametrów powietrza przed i za chłodnicą przy określonym przepływie wody chłodzącej. Następnie, bez zmiany ustawień nagrzewnicy, zmieniamy strumień objętości przepływającej wody chłodzącej i ponownie dokonujemy pomiarów parametrów powietrza. Zmian dokonujemy pięciokrotnie. 3. Sprawność chłodnicy i nagrzewnicy w zależności od strumienia objętościowego przepływającego powietrza. Przy określonej mocy nagrzewnicy i strumieniu objętościowym przepływającej wody chłodzącej dokonujemy zmiany ustawień prędkości obrotowej wentylatora, celem zmiany strumienia objętościowego przepływającego powietrza. Przepływ powietrza możemy regulować również za pomocą przepustnic. 4. Temperatura powietrza za nagrzewnicą. W trakcie zwiększania mocy nagrzewnicy, nastąpi wzrost temperatury powietrza z niej wychodzącego. Wzrost zależy od przepływu, należy sporządzić wykres zależności temperatury od mocy nagrzewnicy. Opracowanie wyników pomiarów Grupa ćwiczeniowa otrzymuje wyniki pomiarów w formie pliku.lvm (edytowalnego w Notatniku) lub zrzutu ekranu przy danej konfiguracji ustawień parametrów wymienników z widocznymi wszystkimi wartościami. Dla każdej konfiguracji (5 ustawień mocy, 5 ustawień przepływu wody, 5 ustawień przepływu powietrza) należy obliczyć sprawność danego wymiennika i sporządzić 4 wykresy zależności sprawności wymienników od zadanych parametrów: 1. η nagrzewnicy (P nagrzewnicy ) 2. η chłodnicy ( wody) 3. η nagrzewnicy ( powietrza) 4. η chłodnicy ( powietrza)

15 Sprawozdanie Sprawozdanie wykonane ręcznie lub komputerowo powinno zawierać: tabelę z datą, nazwiskami osób wykonującymi sprawozdanie oraz miejsce na ocenę, datę i godzinę wykonania ćwiczenia, cel ćwiczenia, schemat stanowiska pomiarowego, opracowanie wyników pomiarów, zależności sprawności od zmiennych parametrów pracy wymienników. Przykładowe zagadnienia na zaliczenie: Podstawowe prawa transportu ciepła: - przewodzenie - konwekcja - promieniowanie - przenikanie Wymienniki ciepła: rodzaje, rozkład temperatur, zastosowanie. Bibliografia: Wiesław Pudlik Wymiana i Wymienniki Ciepła - Podręcznik dla studentów wydziałów mechanicznych specjalizujących się w technikach cieplnych i chłodniczych Cezary Pokrzywniak, Leszek Kulawski, pod kierunkiem Stanisława Nagy, wymienniki ciepła, Nowoczesne Technologie w Przemyśle 05(16)/2008, s