LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

Transkrypt

1 Ćwiczenie nuer 2 Analiza rurowego wyiennika ciepła 1. Wprowadzenie Jednostka eksperyentalna WL 110 służy do badania i porównywania różnych typów wyienników ciepła: wyiennika płytowego wyiennika płaszczowo-rurowego wyiennika rurowego wyiennika płaszczowego z ieszadłe Przy poocy złączek ożliwa jest łatwa wyiana badanego wyiennika ciepła, a także ziana rodzaju przepływu. Ponadto, przy poocy prograu koputerowego i teropar ożliwe jest kontrolowanie zian teperatury w układzie. 2. Cel ćwiczenia Stanowisko laboratoryjne wyienników ciepła pozwala na przeprowadzenie 3 typów poiarów dla wyiennika rurowego: porównanie efektywności wyiany ciepła dla przepływów współprądowych i przeciwprądowych, wraz z wykreślenie krzywych teperatury badanie wpływu ziany struieni wody ciepłej oraz chłodnej na wyianę ciepła badanie wpływu ziany teperatury wody ciepłej na wyianę ciepła 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony wstęp literaturowy nie wyczerpuje teatu związanego z wyiennikai ciepła. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne ożna znaleźć w literaturze specjalistycznej. 3.1 Wyiana ciepła Wyiana ciepła to złożone zjawisko. Może zachodzić iędzy dwoa ciałai o różnej teperaturze, gdy łączą się ze sobą (ieszanie) oraz gdy ciała rozdziela inne, nieprzepuszczalne ciało (przegroda, ebrana). Wtedy ciało to nazyway wyiennikie ciepła. Jeżeli ciałai wyieniającyi ciepło są płyny, w wyienniku zachodzi ich przepływ. W zależności od tego, jak poruszają się one względe siebie, ożna wyróżnić przepływ współprądowy, przeciwprądowy oraz krzyżowy. 3.2 Podstawy teoretyczne Gdy czynnik cieplejszy przepływa przez wyiennik, przekazuje ciepło do przegrody. Z niej z kolei następuje przepływ ciepła do płynu chłodniejszego. Pokazuje to scheat na Rysunku 1. Stąd też efektywność wyiennika definiuje wartość struienia ciepła przekazanego przez przegrodę iędzy czynnikai. 1

2 Rysunek 1: Rozkład teperatury w przegrodzie. Zdolność do przekazywania ciepła definiuje stała przenikania ciepła, α, W/( 2 K), zgodnie ze wzore: Q A T t (1) gdzie Q to całe przetransportowane ciepło, J, A to powierzchnia wyiany ciepła, 2, ΔT to różnica teperatury iędzy czynnikai, a t to czas, w który nastąpiła wyiana ciepła. Aby więc określić struień ciepła, Q, W, należy skorzystać ze wzoru: Q A T (2) W przypadku przegrody następuje wyiana ciepła na drodze przewodzenia, stąd struień ciepła ożna obliczyć ze wzoru: Q A T (3) s gdzie λ to współczynnik przewodzenia ciepła, W/( K). Jako, że struień ciepła jest stały dla danego układu, ożna zapisać następującą zależność (gdzie indeks h oznacza stronę ciepłą, a c stronę chłodną): Q A T A T A T h h c c c (4) s Ponadto, określić ożna współczynnik przenikania ciepła (stałą charakterystyczną) dla wyiennika: 1 k 1 s 1 (5) h Korzystając z niego, struień ciepła w wyienniku, dla powierzchni wyiany ciepła A ożna zdefiniować wzore: Q k T (6) c A ln Jako, że teperatura wzdłuż przegrody zienia się, należy uwzględnić tą zianę przy liczeniu ΔT l. Krzywa ziany tej teperatury nie jest liniowa, konieczne więc jest wykorzystanie zależności logaryticznej: T T ax in T ln T ax (7) ln Tin 2

3 Może zdarzyć się, że powierzchnia wyiany ciepła po stronie ciepłej różni się od powierzchni po stronie chłodnej. Wtedy powierzchnię wyiany ciepła A definiujey, jako: A A h c A A h (8) ln A c Jeżeli odwróciy równanie współczynnika przenikania ciepła wyiennika, uzyskay zależność: 1 1 s 1 (9) k h c W takiej postaci, po prawej stronie równania uzyskay człony, zwane oporai cieplnyi. Ogólny wzór na struień ciepła, zależny od struienia asy, teperatury i ciepła właściwego, a postać: Q c T p (10) Wykorzystując go, ożna zapisać dla czynnika ciepłego: A dla czynnika chłodnego: Q Q Q c ( T T ) (11) h h, out h, in p, h h h, out h, in Q Q Q c ( T T ) c c, out c, in p, c c c, out c, in (12) Dla wyiennika idealnie izolowanego od otoczenia zapisujey następnie: Q Q Q (13) h Średnią wartość struienia ciepła, jeżeli powyższa równość nie jest spełniona, zapisujey: Q c Q Q c h (14) 2 Co pozwala zapisać zależność na współczynnik przenikania ciepła wyiennika: k k Q A T c ( T T ) c ( T T ) p, c c c, out c, in p, h h h, out h, in 2 A T ln ln (15) (16) 3.3 Krzywe teperatury Jeżeli naniesie się rozkład teperatury czynnika chłodnego i ciepłego w dany wyienniku na wspólny wykres, w zależności od typu przepływu uzyskać ożna krzywe takie, jak na Rys. 2. 3

4 Rys. 2: Krzywe teperatury. Przepływ współprądowy lewa strona. Przepływ przeciwprądowy prawa strona. W zależności więc od typu przepływu, do obliczenia paraetrów ΔT ax oraz ΔT in, niezbędnych przy wyznaczaniu średniej logaryticznej różnicy teperatury, wykorzystujey: dla przepływu współprądowego: T T T ax h, in c, in (17) dla przepływu przeciwprądowego: T T T in h, out c, out (18) T T T ax h, in c, out (17) T T T in h, out c, in (18) 4. Opis układu eksperyentalnego 4.1 Opis stanowiska Rys. 3 przedstawia wygląd odułu głównego stanowiska, a także wyiennych eleentów zawierających poszczególne wyienniki ciepła, oznaczone odpowiednii kodai. Rys. 4 z kolei przedstawia scheat urządzenia, z zaznaczonyi wszystkii zaworai, czujnikai itp. Rys. 5 przedstawia uiejscowienie poszczególnych eleentów w urządzeniu główny. 4

5 Rys. 3: Zdjęcia stanowiska i odułów z wyiennikai. Rys. 4: Scheat stanowiska. B zbiornik wody ciepłej H grzejnik wody ciepłej P popa wody ciepłej W wyiennik ciepła (jeden z 4 ożliwych) V1 zawór regulowany struienia wody ciepłej V2 - zawór regulowany struienia wody chłodnej V3 zawór kulowy, do opróżniania zbiornika wody ciepłej Fl1 poiar struienia wody ciepłej FL2 poiar struienia wody chłodnej Tl1 poiar teperatury ciepłej wody przed wyiennikie 5

6 Tl2 poiar teperatury ciepłej wody w środku wyiennika Tl3 poiar teperatury ciepłej wody za wyiennikie Tl4 poiar teperatury chłodnej wody przed wyiennikie Tl5 poiar teperatury chłodnej wody w środku wyiennika Tl6 poiar teperatury chłodnej wody za wyiennikie Tl7 poiar teperatury ciepłej wody w jej zbiorniku TlC sterownik teperatury Rys. 5: Uiejscowienie poszczególnych eleentów w urządzeniu główny. 21 wyświetlacz Tl6 22 wyświetlacz Tl5 23 wyświetlacz Fl2 24 wyświetlacz Fl1 25 wyświetlacz Tl2 26 wyświetlacz Tl3 27 wyświetlacz Tl1 28 kontroler teperatury wody ciepłej w zbiorniku (wraz z systee ostrzegania o zbyt niski jej pozioie) 29 kontrola ostrzegawcza niskiego stanu wody 30 włącznik grzejnika wody ciepłej 31 wyświetlacz Tl4 32 pokrętło sterowania prędkością obrotową ieszadła 33 włącznik popy 34 włącznik ieszadła 35 główny włącznik urządzenia 36 gniazdo przyłączeniowe ieszadła 37 gniazdo podpięcia czujnika wody ciepłej w środku wyiennika 38 gniazdo podpięcia czujnika wody chłodnej w środku wyiennika 6

7 4.2 Opis odułu z rurowy wyiennikie ciepła Zalety rurowych wyienników ciepła: prosta konstrukcja podłączanie kilku podwójnych rur uożliwia zianę różnorodności obszarów wyiany ciepła poprzez zianę liczby podwójnych rur ponieważ istnieją duże przekroje poprzeczne przepływu, urządzenie nadaje się także do płynów o wysokiej lepkości oraz produktów zawierających części stałe lub włókna atut higieniczny - obszar rurek jest wolny od artwych stref przepływu Rurowe wyienniki ciepła są stosowane praktycznie wszędzie, szczególnie jednak w przeyśle spożywczy. Moduł wyiennika rurowego z laboratoriu jest zaprezentowany na poniższy zdjęciu: Rys. 6: Wygląd wyiennika płytowego. Rurowy wyiennik ciepła składa się z dwóch podwójnych rur. W wyienniku przezroczysta rura zewnętrzna pozwala zobaczyć wewnętrzną rurę ze stali nierdzewnej. Powstają dwa oddzielne obszary, obszar rurki (wewnątrz rury wewnętrznej) i powłoka (iędzy rurą wewnętrzną a rurą zewnętrzną). Zarówno obszary rur, jak i obudowy dwóch podwójnych rur są połączone szeregowo. Podział na dwie podwójne rurki zniejsza całkowitą długość i uożliwia poiar teperatury zinej i gorącej wody w centru całego wyiennika ciepła. Rysunek poniżej ilustruje przepływ. Zgodnie z budową wyiennika gorąca woda przepływa przez obszar rury a zina woda przez powłokę. Możliwy jest przepływ w ty say kierunku (współprąd) lub w przeciwnych kierunkach (przeciwprąd). Rys. 7: Przepływ w wyienniku rurowy. 7

8 5. Wykonanie ćwiczenia UWAGA! Podczas wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo, gdyż teperatura niektórych eleentów oże być bardzo wysoka. 5.1 Cele eksperyentów porównanie wyiany ciepła przy ziennych struieniach czynników (poniżej przykładowa krzywa zależności obliczonego współczynnika przenikania ciepła w zależności od struieni) Rys. 8: Krzywa współczynnika przenikania ciepła wyiennika. porównanie wyiany ciepła przy ziennych teperaturach czynników (poniżej przykładowa krzywa zależności średniego struienia ciepła od średniej logaryticznej różnicy teperatury) Rys. 9: Krzywa struienia ciepła w funkcji średniej logaryticznej różnicy teperatury. 5.2 Eksperyent dla wyiennika rurowego W przypadku analizy wyiennika rurowego, scheat działania wygląda następująco: 8

9 należy sprawdzić połączenie przewodów doprowadzających i odprowadzających ediu do wyiennika w celu zidentyfikowania ustawienia (przepływ współprądowy czy przeciwprądowy) należy przełączyć główny włącznik w pozycję 1 w obu jednostkach sprawdzić stan wody w zbiorniku wody ciepłej, uzupełnić jeśli jest to konieczne wodą z kranu bądź przy poocy przewodu rurowego służącego do napełniania zbiornika chłodnicy odblokować przepływ wody chłodnej za poocą odpowiednich zaworów odblokować przepływ wody ciepłej za poocą odpowiednich zaworów włączyć popę sprawdzić drożność przepływu przy poocy pokręteł służących ustaleniu przepływu, jeśli wartość przepływu nie ulega zianie, należy wyłączyć popę i wypiąć/wpiąć wszystkie przewody doprowadzające wodę w układzie ustawić żądaną teperaturę wody ciepłej SP(T 7) oraz wody chłodnej za poocą odpowiedniego kontrolera (teperatury w dany ćwiczeniu ustala prowadzący zajęcia) odpowietrzyć wyiennik ciepła w ty celu należy odkręcić wyiennik od podstawy stołu i delikatnie poruszać ni w pionie i pozioie, równocześnie ustawiając aksyalny przepływ w obu obwodach ustawić struień wody chłodnej V c za poocą odpowiedniego kontrolera ustawić struień wody chłodnej V h za poocą odpowiedniego kontrolera włączyć grzejnik obserwować paraetry wyświetlane na panelu i poczekać na uzyskanie stanu ustalonego zapisywać uzyskane wartości ręcznie w tabeli wyników poiarowych (wydrukowanej przed zajęciai) po zakończeniu poiaru należy wyłączyć grzejnik, popę, następnie zaknąć zawory i przełączyć oba włączniki główne w pozycję 0 6. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie katedry. 7. Literatura Staniszewski B., Wyiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979 Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wyiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000 Holan J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997 Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press, Cabridge, 2002 Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, Załączniki Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciai powinien zawierać niezbędne paraetry potrzebne do wykonania ćwiczenia, a także iiona i nazwiska członków grupy, datę i iejsce na podpis prowadzącego laboratoria. Poniżej przykładowy arkusz (w zależności od typu eksperyentu nie są wyagane wszystkie rubryki). 9

10 Iię i nazwisko: Data: Eksper yent Vc Vh SP (T7) T1 T3 T4 T6 ΔTax ΔTin ΔTl k Q Podpis prowadzącego: 10