PRZEPŁYW CIEPŁA W ZBIORNIKOWYM MIESZALNIKU CIECZY

Transkrypt

1 Ćwizenie 6: PRZEPŁYW CIEPŁA W ZBIORNIKOWYM MIESZALNIKU CIECZY 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwizenia jest zapoznanie się ze sposobami ogrzewania lub hłodzenia iezy w aparatah zbiornikowyh oraz określenie wywu intensywnośi mieszania iezy w mieszalniku z mieszadłem mehaniznym na intensywność przeywu iea. 2. WIADOMOŚCI WPROWADZAJĄCE Wiele proesów prowadzonyh w różnego typu aparatah zbiornikowyh wymaga dostarzania lub odbioru określonej ilośi iea. Cieo to wydziela się samorzutnie w efekie przebiegu reakji egzotermiznyh lub też musi być dostarzane do przestrzeni reakyjnej aparatu w elu podtrzymania reakji endotermiznyh. Regulaja temperatury ynu wewnątrz aparatu ułatwia również przebieg niektóryh operaji mehaniznyh. Jednym z przykładów takih operaji może być mieszanie iezy, past lub zawiesin w mieszalnikah zbiornikowyh z mieszadłem mehaniznym. Proes mieszania przyśpiesza również przebieg reakji hemiznyh prowadzonyh w reaktorah zbiornikowyh. Znanyh jest wiele odmian konstrukyjnyh mieszalników typu zbiornikowego. Różnorodność ta wynika ze zróżniowanego kształtu zbiorników i samyh mieszadeł, które mogą być w nih zainstalowane. Podział mieszadeł zależy od przyjętego kryterium podziału. Ze względu na zęstość obrotów wyróżnia się mieszadła: wolnoobrotowe - przeznazone zwykle do mieszania iezy o dużej lepkośi; szybkoobrotowe - stosowane do mieszania iezy małolepkih; Bardziej obszerny podział mieszadeł związany jest z ih konstrukją. Ze względu na to kryterium wyróżnić można mieszadła: turbinowe; śmigłowe; 59

2 60 łapowe; kotwiowe; ramowe; o konstrukji spejalnej. Kształt typowyh mieszadeł przedstawiono na rys.1. a) b) ) d) e) Rys.1. Kształt typowyh mieszadeł a) turbinowe, b) śmigłowe, ) łapowe, d) kotwiowe, e) ramowe Drugim z zasadnizyh elementów mieszalnika jest sam zbiornik. Stanowi go zwykle pionowy element ylindryzny zamknięty od dołu dnem askim lub elipsoidalnym. Zbiorniki mieszalników wyposaża się niekiedy w przegrody rozmieszzone na ih wewnętrznym obwodzie. Przegrody te ogranizają możliwość swobodnego wirowania iezy w zbiorniku pod wywem ruhu obrotowego mieszadła, a tym samym poprawiają efektywność proesu mieszania. Kształt typowyh zbiorników mieszalników przedstawiono na rys.2. a) b) ) Rys.2. Typowe zbiorniki mieszalników mehaniznyh a) zbiornik ylindryzny z dnem askim; b) zbiornik ylindryzny z dnem elipsoidalnym; ) zbiornik ylindryzny z dnem askim i przegrodami. Przebieg zjawisk zahodząyh w mieszalniku o określonym kształie mieszadła i zbiornika, zależy w dużym stopniu od harakterystyznyh stosunków wymiarowyh układu. Należą do nih: stosunek średniy zbiornika do średniy mieszadła; stosunek odległośi mieszadła od dna zbiornika do średniy mieszadła; stosunek wysokośi mieszadła do jego średniy;

3 61 stosunek średniy zbiornika do wysokośi napełnienia go iezą; stosunek szerokośi przegród do średniy zbiornika. Nie bez znazenia pozostaje również: lizba łopatek mieszadła; lizba przegród w zbiorniku; prędkość obrotowa mieszadła; ustawienie mieszadła względem osi zbiornika; temperatura iezy, a tym samym jej właśiwośi fizyzne. Podstawowe wymiary mieszalnika z dnem askim i mieszadłem turbinowym przedstawiono na rys.3. D s x D węż n iez hłodząa para grzejna d s węż x węż H H b a dm h iez hłodząa Z kondensat Rys. 3. Podstawowe harakterystyzne wymiary mieszalnika z dnem askim, aszzem grzejnym i wężownią hłodząą Przeyw iea w mieszalniku może się odbywać poprzez aszz grzejny (hłodząy) lub też poprzez wężownię zanurzoną w iezy mieszanej. W pewnyh przypadkah stosuje się obydwa sposoby przeywu iea. Może to być podyktowane konieznośią intensywnego grzania (lub hłodzenia) mieszanej iezy, bądź też np. aszz służy do grzania, a wężownia do hłodzenia (lub na odwrót), jeżeli oba te etapy przeywu iea są realizowane kolejno po sobie.

4 62 Na rys.4. przedstawiono przykładowe rozwiązania konstrukyjne powierzhni grzejnyh (hłodząyh) stosowanyh w mieszalnikah typu zbiornikowego. a) b) ) d) Rys. 4. Przykładowe rozwiązania konstrukyjne powierzhni grzejnyh (hłodząyh) w mieszalnikah zbiornikowyh a) aszz zwykły, b) aszz z półrur, ) wężownia spiralna, d) wężownia pionowa W przypadku wykorzystania nasyonej pary wodnej jako nośnika iea w układah grzewzyh, bardziej elowym jest stosowanie układu ogrzewania wykonanego w postai aszza zwykłego. Doprowadzana od góry aszza para ulega kondensaji na zewnętrznej pionowej powierzhni zbiornika, o ułatwia jej grawitayjny syw i odbiór u dołu aszza. Ułatwiony ruh kondensatu po pionowej śianie, powoduje intensyfikaję przeywu iea. Układy grzewze wykonane w postai wężowniy lub aszza z półrur lub kształtowników, powinny być natomiast stosowane w odniesieniu do ynów nie zmieniająyh swojego stanu skupienia w trakie przeywu przez aparat. Dobre warunki dla wnikania iea po wewnętrznej stronie rury wężowniy można bowiem osiągać przy stosunkowo dużej prędkośi przeywu ynu grzewzego. Prędkość tę można ustalić na drodze odpowiednio dobranej średniy rury z której wężownia jest wykonana. Powierzhnie hłodząe mieszalników prawie z reguły wykonuje się w postai wężowni przez które tłozony jest yn pobierająy ieo, gdyż proes kondensaji pary w wężowniah przebiega mało efektywnie, a prędkość przeywu ynów w aszzah zwykłyh, ze względu na ih duże pole przekroju poprzeznego, jest niewielka. Wnikanie iea w mieszalnikah jest bardziej złożone niż w przypadku rekuperatorów rurowyh, a to ze względu na bardziej złożone warunki hydrodynamizne, jakie panują w mieszalniku. Współzynnik wnikania iea w mieszalniku jest różny w zależnośi od miejsa na powierzhni przeywu iea, np. w przypadku mieszadeł turbinowyh, dająyh promieniowy przeyw iezy, najbardziej intensywny przeyw iea zahodzi na wysokośi zawieszenia mieszadła. Dla oblizeń konstrukyjnyh mieszalnika, największe znazenie mają wartośi średniego współzynnika wnikania iea obowiązująe dla ałego aparatu. Określenie wartośi tego współzynnika umożliwiają

5 63 podawane w literaturze, np. [1], równania empiryzne, zęsto obowiązująe dla konkretnyh rozwiązań konstrukyjnyh mieszalników. Dla wykorzystywanego w opisywanym ćwizeniu mieszalnika z mieszadłem turbinowym o łopatkah prostyh i dnem askim, nie zaopatrzonego w przegrody, wnikanie iea od aszza zwykłego wykonanego na zęśi ylindryznej zbiornika, do iezy mieszanej, może być opisane równaniem Nu p ł 0, 54 Re0, 67 Pr 0, 33, ść 0, 14, (1) w którym bezwymiarowe lizby podobieństwa zdefiniowane są następująo Nu p ł, Pr p Re n d m D, (2) 2, (3), (4) 0, 25 0, 15 D 0, 15 b h d m D H Z. (5) Symbole występująe w równaniah (1)(5) oznazają: - współzynnika dynamizny lepkośi iezy, Pa. s;,ść - współzynnika dynamizny lepkośi iezy w temperaturze śiany, Pa. s; - współzynnik wnikania iea do iezy w zbiorniku, W/(m 2. K); - współzynnik przewodzenia iea iezy, W/(m. K); p, - ieo właśiwe iezy, J/(kg. K); - gęstość iezy, kg/m 2 ; n - prędkość obrotowa mieszadła, 1/s; D, d m, b, h, H, - wymiary wg oznazeń z rys. 3; Z - lizba łopatek. Natomiast dla wężowniy zanurzonej we wnętrzu takiego mieszalnika, równanie opisująe proes wnikania iea może być zapisane w postai 0, 2 0, 375 h D p Nu węż 0, 036 Re0, 641 Pr 0, 353 ł h ść D. (6), węż

6 64 Lizby podobieństwa w równaniu (6) zdefiniowane są następująo węż węż Nu węż d Re n d m 2, Pr p, (7), (8). (9) Poszzególne parametry występująe w równaniah (6)(9) są adekwatne do parametrów ujętyh w równaniah (1)(5). Do pomiaru współzynnika wnikania iea w ogrzewanyh aparatah zbiornikowyh stosuje się różne metody pomiarowe, realizowane w proesie ustalonego lub też nieustalonego ruhu iea. Pomiary prowadzone w proesie ustalonym, w którym temperatura poszzególnyh punktów układu nie ulega zmianie w zasie, mogą być przebiegać na drodze: równozesnego grzania i hłodzenia iezy w aparaie, przy wykorzystaniu aszza i wężowniy lub dwóh wężowni; grzania (hłodzenia) aszzem albo wężownią z jednozesnym iągłym przeywem iezy mieszanej przez mieszalnik. Pomiary współzynnika wnikania iea prowadzone w proesie nieustalonym, polegają na okresowym ogrzewaniu lub ohładzaniu iezy w mieszalniku, z jednozesnym pomiarem zmian temperatury mieszanej iezy w zasie. W opisywanym, ćwizeniu, do wyznazenia współzynnika wnikania iea wykorzystuje się pomiary prowadzone w warunkah ustalonyh przy jednozesnym ogrzewaniu iezy w mieszalniku aszzem grzejnym i hłodzeniu jej wężownią. Sposób postępowania pozwalająy na określenie wartośi, mierzonyh w sposób pośredni, wartośi współzynnika wnikania iea oraz metodyka wyznazania harakterystyznyh dla proesu parametrów, jest następująy. Płaszz grzejny Korzysta się z równania definiyjnego opisująego proes przenikania iea Q k F T, m, (10) w którym: Q - strumień iea przenikająego przez aszz grzejny do iezy w mieszalniku, W;

7 65 k - współzynnik przenikania iea dla aszza, W/(m 2. K); F - powierzhnia przenikania iea aszza, m 2 ; T,m - średnia różnia temperatury pomiędzy ynem grzejnym i iezą w mieszalniku, K. Przekształają równanie (10) otrzymuje się Q k. (11) F T, m Z równania definiyjnego współzynnika przenikania iea wynika, że 1 1 s 1 1, (12) k g, o gdzie: k - współzynnik przenikania iea od ynu grzejnego do iezy w zbiorniku przez śiankę aszza, W/(m 2 K); g - współzynnik wnikania iea dla ynu grzejnego, W/(m 2. K);, - współzynnik wnikania iea po stronie iezy ogrzewanej w zbiorniku, W/(m 2. K); s - grubość śianki aszza (zbiornika) mieszalnika, m; - współzynnik przewodzenia iea materiału śianki, W/(m, K); 1 - opór ieplny osadów wydzielonyh na śiane, (m 2. K)/W. o Jeżeli ogrzewanie mieszalnika prowadzone jest nasyoną parą wodną, kondensująą się na powierzhni grzejnej aszza, to w równaniu (12) można pominąć złon 1/ g, jako bardzo mały w porównaniu do pozostałyh składników tego równania. Zatem 1 s 1 1, (13) k, o zyli, 1 1 s 1 k o. (14) Wstawiają do (14) zależność (11), po kilku prostyh przekształeniah otrzymuje się ostateznie

8 66 Q, F T, m Q s Q 1. (15) o Strumień iea przenikająego przez powierzhnię grzejną aszza można określić z zadowalająą dokładnośią poprzez pomiar strumienia powstająego kondensatu i wykorzystaniu równania Q G k r, (16) w którym: G k - strumień kondensatu, kg/s; r - ieo kondensaji pary wodnej nasyonej o danym iśnieniu, J/kg. Przy uwzględnieniu strat iea iezy w mieszalniku, strumień iea Q może być także określony (dla ruhu iea w warunkah ustalonyh) na podstawie bilansu ieplnego dla iezy hłodząej ynąej przez wężownię, równanie (19). Wobe stałej temperatury kondensująej pary wewnątrz aszza grzejnego i stałej średniej temperatury iezy w mieszalniku (warunki ustalone ruhu iea) różnia temperatury, pod wywem której zahodzi przenikanie iea T,m = t k - t, (17) gdzie: t k - temperatura kondensująej pary wodnej nasyonej, C; t - średnia (w objętośi) temperatura iezy w mieszalniku, C. Opór ieplny osadów oraz współzynnik przewodzenia iea śian zbiornika określić można na podstawie tabli, np. [1]. Wężownia Proedura postępowania przy wyznazaniu współzynnika wnikania iea od iezy w mieszalniku do powierzhni wężowniy jest podobna jak w przypadku aszza grzejnego. Z ogólnego równania dla przenikania iea oraz z równania opisująego współzynnik przenikania, otrzymuje się zależność 1 Fwęż Twęż, m swęż 1 1, węż Q węż wę ż h o (18) w której:,węż - współzynnik wnikania iea od iezy w mieszalniku do wężowniy, W/(m 2. K); h - współzynnik wnikania iea dla iezy hłodząej wewnątrz wężowniy, W/(m 2. K); F węż - powierzhnia przenikania iea wężowniy, m 2 ;

9 67 T węż,m - średnia różnia temperatury pomiędzy iezą w mieszalniku i iezą hłodząą w wężowniy, K; s węż - grubość śianki rury wężowniy, m; węż - współzynnik przewodzenia iea materiału wężowniy, W/(m. K); 1 o - opór ieplny osadów po obu stronah wężowniy, (m 2. K)/W; Strumień iea pobieranego przez iez hłodząą wynika z równania bilansu ieplnego dla tego ynu Qwęż Ghp, h t h, wyl t h, wl (19) w którym: Q węż - strumień iea, W; G h - strumień iezy hłodząej, kg/s; p,h - ieo właśiwe iezy hłodząej w jej temperaturze średniej, J/(kg. K); t h,wyl - temperatura iezy hłodząej na wyloie z wężowniy, C; t h,wl - temperatura iezy hłodząej na wloie do wężowniy, C; Średnia różnia temperatury pomiędzy iezą w mieszalniku i iezą hłodząą w wężowniy może być wyznazona jako średnia logarytmizna T węż, m t t ln t t h, wyl h, wl t t h, wl h, wyl w której: t - średnia (w objętośi) temperatura iezy w mieszalniku, C; t h,wyl, t h,wl - jak w równaniu (19). (20) Jeżeli w trakie prowadzenia pomiarów zapewni się burzliwy przeyw iezy hłodząej w wężowniy, to współzynnik wnikania iea dla ynu hłodząego wyznaza się na podstawie równania d w, węż h h 0, 8 0, 4 0, , 54 D Reh Prh węż d w, węż (21) w którym: d w,węż - średnia wewnętrzna rury wężowniy, m; D węż - średnia zwojów wężowniy, m; Re h - lizba Reynoldsa dla iezy hłodząej, -; Pr h - lizba Prandtla dla iezy hłodząej, -; Lizba Reynoldsa dla iezy hłodząej

10 Re h lizba Prandtla dla iezy hłodząej, Pr p h 4 G 68 h d w, węż h h h, (22) Właśiwośi fizyzne w (22) i (23) wyznazyć należy dla temperatury średniej (23) t h, wl t h, wyl t śr, h (24) 2 Opór ieplny osadów i przewodność ieplną materiału wężowniy podaje literatura, np. [1]. Wyznazenie wartośi współzynnika wnikania iea dla aszza i wężowniy przy różnej prędkośi obrotowej mieszadła pozwala na oenę wywu mieszania na intensywność ruhu iea w mieszalniku. 3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Shemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 5. woda grzejna 7 1 T3 0,00 para grzejna T P ~ woda hłodząa T2 do kanalizaji 6 8 T4 kondensat Rys. 5. Shemat stanowiska pomiarowego 1 - zbiornik, 2 - aszz grzejny, 3 - wężownia, 4 - wytwornia pary, 5 - grzałka, 6 - mieszadło, 7 - układ sterowania obrotami mieszadła, 8 - zamknięie wodne, 9 - iezowskaz, 10 - rotametr, 11 - zlewka, 12 - waga, T1, T2 - pomiar temperatury iezy hłodząej, T3 - pomiar temperatury iezy w mieszalniku, T4 - pomiar temperatury kondensatu, P - pomiar iśnienia pary

11 69 Głównym elementem stanowiska jest mieszalnik z ylindryznym zbiornikiem (1) o dnie askim, wyposażony w zwykły aszz grzewzy (2). Zbiornik mieszalnika w trakie pomiarów jest wypełniony wodą. We wnętrzu zbiornika umieszzono wężownię miedzianą (3) oraz mieszadło turbinowe (6) z układem sterowania prędkośi obrotowej (7). Na obudowie układu sterowania znajduje się pokrętło regulayjne i wyświetlaz yfrowy. Stanowiąa yn grzejny nasyona para wodna, wytwarzana jest w wytworniy (4) ogrzewanej grzałką elektryzną (5). Zasilanie grzałki odbywa się poprzez autotransformator. Zamknięie wodne (8) uniemożliwia wyyw nieskroplonej pary z aszza grzejnego. Termometry T1 i T2 mierzą temperaturę wody hłodząej, termometr T3 temperaturę iezy w zbiorniku, a termometr T4 wskazuje temperaturę kondensatu. Manometr P umożliwia kontrolę iśnienia, a tym samym parametrów, nasyonej wytwarzanej pary wodnej. Wymiary poszze-gólnyh elementów mieszalnika, wg oznazeń z rys. 3, są następująe: D xs = 280x3 mm, H = 280 mm, h = 150 mm, Z = 6 sztuk, d węż xs węż = 12x1 mm, D węż = 200 mm, axb = 25x25 mm, d m = 100 mm. Wężownia wykonana jest z rury miedzianej o długośi ałkowitej 8 m, aszz z blahy stalowej. Pomiar strumienia wody hłodząej umożliwia rotametr (10) wyskalowany w dm 3 /h. Ilość tworząego się kondensatu określana jest poprzez iągłe ważenie skroplin sywająyh do zlewki (11). W elu ogranizenia strat iea do otozenia, ały mieszalnik zaizolowano warstwą materiału ieohronnego. 4. METODYKA PROWADZENIA POMIARÓW W elu przeprowadzenia badań współzynników wnikania iea w mieszalniku przedstawionym na rys. 5., należy: a) sprawdzić i ewentualnie uzupełnić poziom wody w zbiorniku mieszalnika, tak ażeby wężownia była ałkowiie zanurzona; b) zmierzyć poziom iezy w zbiorniku, zanurzają w niej linijkę; ) w przypadku ogrzewania parą wodną, sprawdzić poziom wody w wytworniy i poprzez autotransformator włązyć grzałkę; d) w przypadku ogrzewania gorąą wodą, wymusić jej przeyw przez aszz; e) wymusić przeyw wody hłodząej przez wężownię; f) odzekać ok. 15 minut w elu termiznej stabilizaji stanowiska, zyli do momentu, gdy wskazania termometrów iezy hłodząej i wody w zbiorniku mieszalnika nie będą ulegały zmianie przez okres ok. 5 minut; g) okres stabilizaji termiznej przy ogrzewaniu parowym należy lizyć od hwili, w której rozpoznie się odbiór kondensatu;

12 70 h) po okresie stabilizaji termiznej stanowiska, dokonać odzytu temperatury iezy w zbiorniku, temperatury wody hłodząej na wloie i wyloie z wężowniy, strumienia wody hłodząej i masy kondensatu wytwarzająego się w określonym zasie; i) wyniki zanotować w tabeli; j) włązyć zasilanie układu sterowania mieszadłem i ustalić jego prędkość obrotową na 4 obr/s; k) powtórzyć zynnośi wg punktów f) i), dokonują ewentualnej korekty wielkośi strumienia wody w wężowniy; l) powtórzyć pomiary przy prędkośi obrotowej mieszadła 8 obr/s i 12 obr/s. Przeyw iea w mieszalniku zbiornikowym Ciez mieszana: woda Płyn grzejny:... Ciez hłodząa: woda Powierzhnia grzejna aszza:... m 2 Powierzhnia przeywu iea wężowniy:... m 2 Rodzaj mieszadła: turbinowe, z sześioma łopatkami prostymi Kondensat Obroty Strumień Temperatura wody przyros mieszadła wody hłodząej hłodząej zas mieszanej tmasy hłodząej na wloie na wyloie kg s obr/s dm 3 /h C C C 5. ZAKRES OPRACOWANIA WYNIKÓW 1. Na podstawie uzyskanyh wyników pomiarów wyznazyć współzynniki wnikania iea dla wężowniy przy różnej prędkośi obrotowej mieszadła, równania (18)(24). 2. Jeżeli ogrzewanie prowadzono parą wodną, wyznazyć również współzynnik wnikania iea dla aszza grzejnego, równania (15)(17). 3. Sporządzić wykresy zależnośi współzynnika wnikania iea od prędkośi obrotowej mieszadła dla wężowniy i ewentualnie aszza grzejnego. 4. Określić współzynniki wnikania na drodze rahunkowej, równania (1)(9). 5. Porównać uzyskane wartośi współzynników zmierzonyh i oblizonyh. 6. Podać wnioski z przeprowadzonego ćwizenia. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

13 71 [1] TRONIEWSKI L. i inni: Tablie do oblizeń proesowyh, skrypt PO nr 186, Opole 1997 [2] STRĘK F.: Podstawy teorii i tehniki mieszania, WNT W-wa 1976 [3] HOBLER T.: Ruh iea i wymienniki, WNT W-wa TEMATYKA ZAGADNIEŃ KONTROLNYCH 1. Sposoby ogrzewania i hłodzenia aparatów zbiornikowyh. 2. Rozwiązania konstrukyjne mieszalników zbiornikowyh. 3. Ruh iea na drodze wnikania i przenikania. 4. Wyw warunków mieszania na ruh iea w mieszalniku. 5. Rodzaje nośników iea w przeponowym ogrzewaniu aparatury proesowej.