LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

Transkrypt

1 Ćwiczenie numer 5 Analiza procesu kondensacji 1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna WL 230 Condensation Process umożliwia analizę różnych form kondensacji, takich jak kondensacja kroplowa czy błonowa. Ponadto można w sposób doświadczalny sprawdzić wpływ takich parametrów jak: ciśnienie, temperatura oraz zawartość powietrza na przebieg badanego zjawiska. Proces kondensacji przeprowadzany jest w szklanym zbiorniku, dzięki czemu istnieje możliwość jego obserwacji. Cieczą używaną w doświadczeniu jest woda destylowana. Rysunek 1. Budowa skraplacza 2. Cel ćwiczenia Przeprowadzenie ćwiczenia ma następujące cele: Analizę eksperymentalną zjawiska kroplowej i błonowej kondensacji; Określenie współczynnika wymiany ciepła w badanym procesie; Zbadanie wpływu takich parametrów jak: ciśnienie, temperatura oraz zastosowanie gazów niekondensujących na współczynnik wymiany ciepła 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony wstęp literaturowy nie wyczerpuje tematu związanego z kondensacją. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej. 3.1 Kondensacja Kondensacja fizyczna odnosi się do przejścia substancji ze stanu gazowego do ciekłego. Produkt ten jest nazywany kondensatem. Proces kondensacji występuje w szczególnych warunkach ciśnienia i temperatury, zwanych punktem skraplania. Zjawiskiem odwrotnym jest odparowanie. 1

2 3.2 Podstawy Warunkiem koniecznym do zajścia procesu kondensacji jest nadmierne nasycenie fazy gazowej składnikiem kondensującym. Jeśli poszczególne cząstki gazu łączą się ze sobą, można mówić o jednorodnej kondensacji. Jednak konieczne jest, aby cząstki w powolny sposób tworzyły większe struktury bez udziału jakichkolwiek powierzchni. Proces ten jest możliwy tylko przy bardzo wysokim stopniu przesycenia, zwykle kilkuset procent. Natomiast w przypadku heterogenicznej kondensacji wymagany jest niski poziom nasycenia, często poniżej jednego procentu. Ta kondensacja występuje na powierzchniach, np. na stałych cząstkach zawieszonych w fazie gazowej, zwanych jądrami kondensacji lub cząstkami aerozolu. W zależności od rodzaju gazu, cząstki działają jak kolektor cząstek. Ich promień i właściwości chemiczne cząstki zasadniczo determinują, jak dobrze cząstki gazu będą do nich przylegać. Odnosi się to również do powierzchni ciał stałych. Kondensacja występuje, gdy para styka się ze ścianą, której temperatura jest niższa niż temperatura nasyconych oparów, a następnie wytrąca się w postaci cieczy. Kondensat możne występować na powierzchni jako cienka błona cieczy lub w postaci pojedynczych kropli, stąd proces można rozdzielić na dwa podstawowe typy: kondensacja błonowa oraz kondensacja kroplowa. Najpowszechniej występującym rodzajem jest kondensacja błonowa, natomiast kondensacja kroplowa występuje tylko na bardzo gładkich powierzchniach Rysunek 2. Kondensacja na pionowej ścianie hydrofilowych. Przy skraplaniu kroplowym przenoszenie ciepła jest znacznie wyższe niż w przypadku kondensacji błonowej, ponieważ nie ma zamkniętej powierzchni ciekłej, która mogłaby izolować parę ze ściany, jednak w praktyce jest to trudne do osiągniecia. Układ eksperymentalny WL 230 wyposażony jest w dwa skraplacze, w kształcie prętów, o powierzchniach dobranych w taki sposób, aby można było zaobserwować zarówno kondensację błonową jak i kroplową. 3.3 Zależność prężności pary od temperatury Aby opisać zależność ciśnienia i temperatury przy zmianie stanu skupienia z gazowego w ciekły można użyć wzoru Clapeyrona-Clausiusa, który stwierdza, że: 2

3 dp r h'' h' T s'' s' T ( v'' v') (1) d T Po przekształceniu można uzyskać zależność: s dp v dt - równanie Clapeyrona (2) Jeśli gaz jest rozważany jako gaz idealny, można pominąć objętość v' fazy ciekłej i gazu, a równanie uprości się do postaci: ~ RT v'' p Podstawiając równanie (3) do (1) uzyskuje się zależność: 2 RT dp r h'' h' dt p (4) z której po kolejnym przekształceniu można zapisać wyrażenie Clausiusa Clapeyrona: dp r dt 2 p RT Dalej po scałkowaniu w granicach od p 0 do p 1: 1 r d d (3) (5) p1 T1 p T 2 p p (6) 0 T RT 0 można uzyskać rozwiązanie tego równania różniczkowego jako zależność pomiędzy ciśnieniem p, temperaturą i entalpią odparowywania r. T1 r 1 ln p ln p dt R (7) T T ln p r p R T T ln p r p R T T r 1 1 R T0 T 1 (8) (9) p p e (10) 1 0 r T R T0 T 1 p p e (11) Rysunek 3 przedstawia zależność ciśnienia pary od temperatury. 3.4 Współczynnik wnikania ciepła Współczynnik wnikania ciepła dla kondensacji błonowej można obliczać dla przypadku zarówno laminarnego jak i turbulentnego odprowadzania kondensatu w przypadkach niewielkich wymiarów eksperymentalnego pręta, na którym zachodzi kondensacja (tak jak w urządzeniu WL 230). Aby obliczyć teoretyczny współczynnik wnikania ciepła w przypadku kondensacji utajonej pary nasyconej na powierzchniach pionowych, przy niskim ciśnieniu (ciecz >> gaz) należy skorzystać z zależności: lam,vertical 0, g r v h T T s w - równanie Nusselta 3

4 Rysunek 3. Zależność ciśnienia pary od temperatury gdzie: λ to współczynnik przewodzenia ciepła, ρ to gęstość i v to lepkość błonowej warstwy cieczy, h to wysokość ściany, T s - T w to różnica pomiędzy temperaturą nasyconej pary a temperaturą ściany, natomiast r to entalpia odparowywania cieczy, dla wody r = 2319,2 kj/kg. W obliczeniach należy zastosować wartości współczynnika przewodzenia ciepła, gęstości oraz lepkości dla średniej wartości temperatury cieczy. T T s w T (12) liquid,a 2 Współczynnik wnikania ciepła dla kondensacji błonowej znajduje się w zakresie 1-10 kw/m 2 K, a dla kondensacji kroplowej może wynosić aż do 100 kw/m 2 K. Rysunek 4. Krzywa temperatury dla kondensacji błonowej Aby określić w sposób eksperymentalny współczynnik wnikania ciepła α m, należy uwzględnić przenoszoną moc cieplną Q, którą wyznaczana jest względem 4

5 powierzchni wymiennika ciepła A oraz różnicę temperatury (T s - T w), zgodnie z zależnością: Q m (13) A T T Przenoszoną moc określa się z wykorzystaniem przepływu wody chłodzącej zgodnie z wyrażeniem: s Q m c T T V c T T p out in p out in w (14) gdzie: V oznacza przepływ wody chłodzącej, T out temperaturę na wylocie, a T in temperaturę na wlocie wody chłodzącej. W obliczeniach należy zastosować wartości pojemności cieplnej c p i gęstości ρ dla średniej temperatury wody chłodzącej. T T in out T (15) cooling,a Gęstość strumienia ciepła i współczynnik transportu ciepła k Innymi ważnymi parametrami do oceny procesu kondensacji są: gęstość przepływu ciepła oraz współczynnik k. Gęstość przepływu ciepła określa się jako stosunek strumienia ciepła do powierzchni kondensatora, za pomocą wyrażenia: Q q (16) A Współczynnik k (ang. heat transition coefficient) definiowany jest jako stosunek przepływającego ciepła do powierzchni i różnicy pomiędzy temperaturą pary a średnią temperaturą wody chłodzącej, zapisany jako: Q k A T T s cooling,a (17) 4. Opis układu eksperymentalnego Układ eksperymentalny WL 230 Condensation Process do pomiarów procesu kondensacji jest ustawiony na stole. Wszystkie elementy, przyciski do sterowania oraz wyświetlacze są wyraźnie rozmieszczone na przednim panelu jednostki, której schemat przedstawiono na rysunku 5. Schemat procesu zaprezentowany na rysunku 6, który ma służyć ułatwieniu zrozumienia działania urządzenia. Wszystkie parametry są mierzone elektronicznie i pokazywane na cyfrowych wyświetlaczach. Istnieje również możliwość rejestrowania sygnałów z czujników na komputerze PC za pomocą specjalistycznego oprogramowania i podłączenia USB. Skraplacze W1 i W2 znajdują się w górnej części pojemnika B1, w środku których przez rury wewnętrzne przepływa woda. Ciepło oddawane przez parę do skraplaczy może zostać określone poprzez zmierzenie wartości temperatury na wejściu i wyjściu (T1 i T2 lub T4 i T5) oraz wartości przepływu wody F1 lub F2. Wartość przepływu wody można ustawić za pomocą zaworów V1 i V2. 5

6 W dolnej części zbiornika umieszczony jest grzejnik W4, dla którego można ustawić zadaną moc. Temperatura pary jest mierzona za pomocą czujnika T7, a ciśnienie absolutne w pojemniku za pomocą czujnika P1. Zawór bezpieczeństwa V7 zapobiega uzyskaniu zbyt wysokiego ciśnienia. Główny przełącznik wyłącza grzejnik, jeśli zmierzone ciśnienie jest niebezpiecznie wysokie. Zbiornik z wodą B1 może zostać opróżniony za pomocą pompy strumieniowej. Woda przepływa z pompy do zaworu pompy strumieniowej V3. Zawór zwrotny natomiast zapobiega przed ponownym wpływem wody do zbiornika. Linia ekstrakcyjna jest wyposażona w pułapkę kondensacyjną, składającą się z chłodnicy W3 i separatora B2, aby zapobiec stratom wody poprzez wodostanie się pary na zewnątrz układu. Separator powinien przekierować płyn do zbiornika z grzałką. Jeśli wąż wibruje lub woda jest widoczna w jego przewodzie należy zamknąć zawór V6 i otworzyć zawór V5 na pompie strumieniowej, aby kondensat mógł wpłynąć ponownie do zbiornika B1. Po upłynięciu około 30 sekund zawory mogą powrócić do wcześniejszej pozycji. Zawór V4 może zostać użyty do napełnienia zbiornika wodą destylowaną pod ciśnieniem lub do spuszczenia wody. Rysunek 5. Schemat procesu kondensacji z użyciem urządzenia WL 230 B1 zbiornik V7 zawór bezpieczeństwa B2 separator V8 zawór odpowietrzający do sterowania pomiarem (Measurement and control engineering) P pompa strumieniowa F1 przepływomierz do kondesacji błonowej W1 skraplacz do kondesacji błonowej F2 przepływomierz do kondensacji kroplowej W2 skraplacz do kondesacji kroplowej P1 czujnik ciśnienia W3 chłodnica (wymiennik ciepła) T1 temperatura na wejściu procesu kondensacji błonowej 6

7 W4 grzejnik elektryczny T2 temperatura na wylocie procesu kondensacji błonowej V1 zawór wody chłodzącej do kondensacji T3 temperatura powierzchni w procesie błonowej kondensacji błonowej V2 zawór wody chłodzącej do kondensacji T4 temperatura na wejściu procesu kroplowej kondensacji kroplowej V3 zawór pompy T5 temperatura na wylocie procesu kondensacji kroplowej V4 zawór napełniający i spustowy T6 temperatura powierzchni w procesie kondensacji kroplowej V5 zawór kondensatu T7 czujnik temperatury V6 zawór odpowietrzający 5. Ćwiczenie 1 określenie współczynnika wymiany ciepła pary wodnej podczas procesu kondensacji UWAGA. Podczas wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo, gdyż temperatura takich elementów jak: pojemnik, naczynie chłodzące oraz separator wody może sięgnąć aż 100 C. Aby uniknąć oparzeń, należy wychłodzić urządzenie przed otwarciem zaworu spustowego. Pamiętać należy również o tym, aby: Nie włączać grzejnika, jeżeli naczynie nie jest wypełnione minimum do 4 cm powyżej grzejnika!!! W takiej sytuacji, należy napełnić zbiornik według następujących kroków: W pierwszej kolejności należy podłączyć zasilanie elektryczne i włączyć przełącznik główny; Podłączyć wąż do zaworu spustowego (V4) i zanurzyć drugi koniec w pojemniku z wodą destylowaną; Sprawdzić czy zawór V4 jest zamknięty; Zalać pompę strumieniową wodą za pomocą zaworu V3 i czekać aż ciśnienie w zbiorniku osiągnie wartość około 0,4 bara (w tym czasie zawór V6 powinien być otwarty); Otworzyć zawór napełniania V4. Woda destylowana zostanie zassana do zbiornika. Napełnić zbiornik wodą do ok. 4 cm nad grzejnikiem; UWAGA. Niewystarczająca ilość wody w zbiorniku powoduje przegrzanie grzejnika, natomiast zbyt duża ilość wody spowoduje rozpryskiwanie się wody na skraplacze. UWAGA. Nie dodawać zimnej wody do nagrzanego pustego pojemnika Przeprowadzenie eksperymentu W pierwszej kolejności należy podłączyć zasilanie elektryczne i włączyć przełącznik główny; Przed eksperymentem należy odpowietrzyć szklany zbiornik, ponieważ powietrze znacznie uniemożliwiłoby późniejsze przekazywanie ciepła do kondensatora. Postępuj zgodnie z następującymi krokami: Należy umożliwić przepływ wody przez oba skraplacze przy małym natężeniu przepływu; 7

8 Otworzyć zawór V8, aby umożliwić kompensację ciśnienia do ciśnienia atmosferycznego; Włączyć grzejnik i podgrzać parę do około 80 C (T7) przy dużej mocy; Wyłączyć grzejnik ustawić na 0%; Zamknąć zawór V8; Odpowietrzyć zbiornik za pomocą pompy strumieniowej wody, otwierając zawór kulowy V3 i zawór V6, aż ciśnienie ustali się na ok. 0,3 bara. Gdy ciśnienie będzie spadać, będzie można zaobserwować znaczne wrzenie; Zamknąć zawór V3; Włączyć grzejnik, aby doprowadzić parę wodną do wymaganej temperatury (grzałka 75% => ok. 100 C); W razie potrzeby ponownie uruchomić pompę; Przed lub po następnym eksperymencie kondensat powinien zostać przetransportowany ze zbiornika B2 do zbiornika B1 poprzez otwarcie zaworu V5. Kondensat spłynie pod ciężarem grawitacji. Zawór V5 należy ponownie zamknąć po ok. 10 s. Wzrost poziomu wody można zaobserwować tylko wtedy, gdy woda ma gładką powierzchnię. Układ można uznać za odpowietrzony. Kolejne etapy wykonania ćwiczenia Podgrzać parę do C przy maksymalnej mocy grzejnika; Ustawić przepływ wody chłodzącej dla obu skraplaczy na 10 L\h Proces kondensacji na skraplaczach powinien być wyraźnie widoczny; Odczytać, zanotować i dokonać oceny wszystkich wartości temperatury oraz natężenia przepływu; Wykonać pomiary dla następujących wartości przepływu przez kondensatory: 20,30,40,50,60,70,80,90,100 L/h i zapisać otrzymane wartości. 6. Ćwiczenie 2 - analiza wpływ gazów niekondensujących Jeśli występują gazy niekondensujące, współczynnik przenikania ciepła spada gwałtownie. Ten efekt można sprawdzić poprzez dodanie powietrza, w następujący sposób: Utworzenie ujemnego ciśnienia (około 0,5 bara) poprzez użycie pompy strumieniowej wody; Otworzyć zawór spustowy V4, aby umożliwić wejście powietrza; Przy ciśnieniu 0,9 bar ponownie zamknąć zawór spustowy. Następnie określić współczynnik przenikania ciepła. Jego wartość powinno być znacznie niższa niż we wcześniejszym etapie eksperymentu. 7. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie katedry. 8. Literatura Staniszewski B., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979 Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000 Holman J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997 Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press, Cambridge,

9 Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, Załączniki Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami: Imię i nazwisko: Data: Różnica temperatury pomiędzy powierzchnią a parą: Ciśnienie: Wpływ niekondensujących gazów: Kondensacja błonowa (skraplacz pokryty miedzią): T1 Temperatura wody na wlocie Temperatura wody na T2 T5 wylocie Temperatura T3 T6 powierzchni Przepływ wody F1 F2 chłodzącej Temperatura pary T7 Powierzchnia skraplacza A Gęstość wody ρ ρ Ciepło właściwe wody c p c p Podpis prowadzącego: Kondensacja kroplowa (skraplacz pokryty złotem): T4 9

10 Tabela 1.Zależność ciśnienia pary wodnej od temperatury 10

11 11

12 12