WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

Transkrypt

1 WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA Prof. M. Kamiński Gdańsk 2015

2 PLAN Znaczenie procesowe wymiany ciepła i zasady ogólne Pojęcia i definicje podstawowe Ruch ciepła na drodze przewodzenia Ruch ciepła na drodze konwekcji - swobodnej / wymuszonej konwekcyjne wnikanie ciepła Ruch ciepła na drodze kondensacji pary nasyconej Ruch ciepła na drodze wrzenia Ruch ciepła na drodze promieniowania emisja / absorpcja promieniowania cieplnego ( podczerwieni ) Rodzaje Wymienniki ciepła Przebiegi zmian temperatury w wymiennikach ciepła różnego typu Przenikanie ciepła i obliczanie powierzchni wymiany ciepła

3

4

5 A B C C Kilka rodzajów wymienników ciepła : A - spiralny, B - typu rura w rurze, C, C - typu płaszczowo rurkowego : trzybiegowy (C ), dwubiegowy (C )

6 Skraplacze, wyparki

7

8

9

10

11

12 Przewodzenie ciepła przez ściankę płaską jednowarstwową / wielowarstwową

13

14

15

16 BILANS WYMIANY CIEPŁA Każda operacja związana z wymianą ciepła podlega prawu zachowania energii, wg zasady: -- ciepło pobrane = ciepło oddane + ciepło utracone (straty ciepła) -- Straty ciepła mogą mieć miejsce na drodze wnikania lub promieniowania

17

18 WNIKANIE CIEPŁA konwekcja swobodna / wymuszona / wrzenie / kondensacja pary nasyconej Od płynu do ścianki / od ścianki do płynu w różnych układach geometrycznych w różnych stanach skupienia ciecz, gaz, para, - bez zmiany stanu skupienia, albo ze zmianą stanu skupienia Od kondensującej pary nasyconej do ścianki Od ścianki do wrzącej cieczy Podstawowe liczby kryterialne uwzględniające zjawiska wnikania ciepła w warunkach konwekcji wymuszonej, to: Nu = α d / ƛ ; ; Re = u d ρ / ɳ

19 Różniczkowe równanie wnikania ciepła

20 WNIKANIE CIEPŁA analiza wymiarowa

21 Konwekcja swobodna Ogólne równanie kryterialne opisujące wnikanie ciepła podczas konwekcji swobodnej (naturalnej) w przypadku płynu dla którego wartość liczby Pr 0,5 ma postać: Nu = C Gr Pr n W równaniu tym oprócz wyjaśnionych wcześniej liczb kryterialnych Nusselta Nu i Prandtla Pr pojawia się liczba Grashofa Gr: gdzie: l charakterystyczny wymiar liniowy, m lepkość kinematyczna płynu, m 2 /s współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, K -1 t = T w T różnica temperatury między temperaturą powierzchni ścianki a temperaturą ośrodka, K Wszystkie parametry fizykochemiczne określa się dla średniej temperatury warstwy przyściennej płynu T m obliczonej jako średnia arytmetyczna z temperatury powierzchni ścianki T w i temperatury ośrodka T. Współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu dla gazów może być w przybliżeniu obliczony z zależności: β = 1/T natomiast dla cieczy wartość współczynnika należy odczytać z tablic danych fizykochemicznych. Charakterystyczny wymiar liniowy l występujący w liczbach Nusselta i Grashofa jest wymiarem pionowym danego elementu omywanego przez płyn, gdyż ruch płynu podczas konwekcji naturalnej zachodzi w kierunku przeciwnym niż oddziaływanie grawitacyjne.

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32 -- WNIKANIE / PRZENIKANIE CIEPŁA Temperatury ściany / płynu / różnice temperatur Zmiana temperatury ściany / płynu podczas wnikania / przenikania ciepła; Pojęcie średniej temperatury ścianki / płynu podczas wnikania / przenikania ciepła; Pojęcie efektywnych różnic temperatury podczas wnikania / przenikania ciepła;

33 WSPÓŁPRĄD ============ ============ PRZECIWPRĄD

34

35

36

37 ZASTĘPCZA RÓŻNICA TEMPERATURY WYMIENNIKA CIEPŁA gdy tw/ tm < 1.5 (2) t e = ( tw + tm )/2

38 PRZENIKANIE CIEPŁA PRZEZ ŚCIANKĘ

39

40

41

42

43

44

45

46 POWIERZCHNIA WYMIANY CIEPŁA -- powierzchnia wymiennika ciepła -- F = [m 2 ] Q = [J/S]=[W] K=[W/ m 2 K] t zast =[K] F = Q / K t zast Na podstawie wartości powierzchni wymiany ciepła można zaprojektować takie wymiary geometryczne wymiennika ciepła, takie jak, długość średnicę korpusu, liczbę i średnicę rurek wymiennika ciepła oraz inne wymiary, w tym średnice króćców doprowadzających i wyprowadzających czynnik grzejny oraz ogrzewany.

47 PROMIENIOWANIE CIEPLNE w zakresie podczerwieni Prawa fizyki / zasady wykorzystania w praktyce

48

49

50

51

52

53

54

55

56 Promieniowanie cieplne -- zastosowanie w praktyce --

57

58

59