LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

Transkrypt

1 Ćwiczenie numer 2 Analiza rurowego wymiennika ciepła 1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna WL 110 służy do badania i porównywania różnych typów wymienników ciepła: wymiennika płytowego wymiennika płaszczowo-rurowego wymiennika rurowego wymiennika płaszczowego z mieszadłem Przy pomocy złączek możliwa jest łatwa wymiana badanego wymiennika, a także zmiana rodzaju przepływu. Ponadto, przy pomocy programu komputerowego i termopar możliwe jest kontrolowanie zmian temperatury w układzie. 2. Cel ćwiczenia Stanowisko laboratoryjne wymienników ciepła pozwala na przeprowadzenie 3 typów pomiarów dla wymiennika rurowego: porównanie efektywności wymiany ciepła dla przepływów współprądowych i przeciwprądowych, wraz z wykreśleniem krzywych temperatury badanie wpływu zmiany strumieni wody ciepłej oraz chłodnej na wymianę ciepła badanie wpływu zmiany temperatury wody ciepłej na wymianę ciepła analiza porównawcza efektywności wymiany ciepła dla różnych typów wymienników pracujących przy takich samych parametrach pracy 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony wstęp literaturowy nie wyczerpuje tematu związanego z wymiennikami ciepła. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej. 3.1 Wymiana ciepła Wymiana ciepła to złożone zjawisko. Może zachodzić między dwoma ciałami o różnej temperaturze, gdy łączą się ze sobą (mieszanie). Może też zachodzić, gdy ciała rozdziela inne, nieprzepuszczalne ciało (przegroda, membrana). Wtedy ciało to nazywamy wymiennikiem ciepła. Jeżeli ciałami wymieniającymi ciepło są płyny, w wymienniku zachodzi ich przepływ. W zależności od tego, jak poruszają się one względem siebie, można wyróżnić przepływ współprądowy, przeciwprądowy oraz krzyżowy. 3.2 Podstawy teoretyczne Gdy czynnik cieplejszy przepływa przez wymiennik, przekazuje ciepło do przegrody. Z niej z kolei następuje przepływ ciepła do płynu chłodniejszego. Pokazuje to schemat na Rys. 1. Stąd też efektywność wymiennika definiuje wartość strumienia ciepła przekazanego przez przegrodę między czynnikami. 1

2 Rys. 1: Rozkład temperatury w przegrodzie. Zdolność do przekazywania ciepła definiuje stała przenikania ciepła, α, W/(m 2 K), zgodnie ze wzorem: Q = α A ΔT t (1) gdzie Q to całe przetransportowane ciepło, J, A to powierzchnia wymiany ciepła, m 2, ΔT to różnica temperatury między czynnikami, a t to czas, w którym nastąpiła wymiana ciepła. Aby więc określić strumień ciepła, Q, W, należy skorzystać ze wzoru: Q = α A ΔT (2) W przypadku przegrody następuje wymiana ciepła na drodze przewodzenia, stąd strumień ciepła można obliczyć ze wzoru: gdzie λ to współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K). Q = λ A ΔT (3) s Jako, że strumień ciepła jest stały dla danego układu, można zapisać następującą zależność (gdzie indeks h oznacza stronę ciepłą, a c stronę chłodną): Q = α h A ΔT h = λ s A ΔT = α c A ΔT c (4) Ponadto, określić można współczynnik przenikania ciepła (stałą charakterystyczną) dla wymiennika: 1 k m = 1 α + s h λ + 1 (5) α c Korzystając z niego, strumień ciepła w wymienniku, dla powierzchni wymiany ciepła A m można zdefiniować wzorem: Q = k m A m ΔT lm (6) Jako, że temperatura wzdłuż przegrody zmienia się, należy uwzględnić tą zmianę przy liczeniu ΔT lm. Krzywa zmiany tej temperatury nie jest liniowa, konieczne więc jest wykorzystanie zależności logarytmicznej: ΔT lm = ΔT max ΔT min ln ( ΔT max (7) ΔT ) min Może zdarzyć się, że powierzchnia wymiany ciepła po stronie ciepłej różni się od powierzchni po stronie chłodnej. Wtedy powierzchnię wymiany ciepła A m definiujemy, jako: 2

3 A m = A h A c ln ( A h (8) A ) c Jeżeli odwrócimy równanie współczynnika przenikania ciepła wymiennika, uzyskamy zależność: 1 = 1 + s k m α h λ + 1 (9) α c W takiej postaci, po prawej stronie równania uzyskamy człony, zwane oporami cieplnymi. Ogólny wzór na strumień ciepła, zależny od strumienia masy, temperatury i ciepła właściwego, ma postać: Q = c p m T (10) Wykorzystując go, można zapisać dla czynnika ciepłego: Q h = Q h,out Q h,in = c p,h m h (T h,out T h,in ) (11) A dla czynnika chłodnego: Q c = Q c,out Q c,in = c p,c m c (T c,out T c,in ) (12) Dla wymiennika idealnie izolowanego od otoczenia zapisujemy następnie: Q = Q h = Q c (13) Średnią wartość strumienia ciepła, jeżeli powyższa równość nie jest spełniona, zapisujemy: Q m = Q c Q h (14) 2 Co pozwala zapisać zależność na współczynnik przenikania ciepła wymiennika: k m = c p,c m c Q m k m = A m ΔT lm (15) (T c,out T c,in ) c p,h m h (T h,out T h,in ) 2 A m ΔT lm (16) 3.3 Krzywe temperatury Jeżeli naniesie się rozkład temperatury czynnika chłodnego i ciepłego w danym wymienniku na wspólny wykres, w zależności od typu przepływu uzyskać można krzywe takie, jak na Rys. 2. 3

4 Rys. 2: Krzywe temperatury. Przepływ współprądowy lewa strona. Przepływ przeciwprądowy prawa strona. W zależności więc od typu przepływu, do obliczenia parametrów ΔT max oraz ΔT min, niezbędnych przy wyznaczaniu średniej logarytmicznej różnicy temperatury, wykorzystujemy: dla przepływu współprądowego: ΔT max = T h,in T c,in (17) ΔT min = T h,out T c,out (18) dla przepływu przeciwprądowego: 4. Opis układu eksperymentalnego ΔT max = T h,in T c,out (17) ΔT min = T h,out T c,in (18) 4.1 Opis stanowiska Rys. 3 przedstawia wygląd modułu głównego stanowiska, a także wymiennych elementów zawierających poszczególne wymienniki ciepła, oznaczone odpowiednimi kodami. Rys. 4 z kolei przedstawia schemat urządzenia, z zaznaczonymi wszystkimi zaworami, czujnikami itp. Rys. 5 przedstawia umiejscowienie poszczególnych elementów w urządzeniu głównym. 4

5 Rys. 3: Zdjęcia stanowiska i modułów z wymiennikami. Rys. 4: Schemat stanowiska. B zbiornik wody ciepłej H grzejnik wody ciepłej P pompa wody ciepłej W wymiennik ciepła (jeden z 4 możliwych) V1 zawór regulowany strumienia wody ciepłej V2 - zawór regulowany strumienia wody chłodnej V3 zawór kulowy, do opróżniania zbiornika wody ciepłej Fl1 pomiar strumienia wody ciepłej FL2 pomiar strumienia wody chłodnej Tl1 pomiar temperatury ciepłej wody przed wymiennikiem 5

6 Tl2 pomiar temperatury ciepłej wody w środku wymiennika Tl3 pomiar temperatury ciepłej wody za wymiennikiem Tl4 pomiar temperatury chłodnej wody przed wymiennikiem Tl5 pomiar temperatury chłodnej wody w środku wymiennika Tl6 pomiar temperatury chłodnej wody za wymiennikiem Tl7 pomiar temperatury ciepłej wody w jej zbiorniku TlC sterownik temperatury Rys. 5: Umiejscowienie poszczególnych elementów w urządzeniu głównym. 21 wyświetlacz Tl6 22 wyświetlacz Tl5 23 wyświetlacz Fl2 24 wyświetlacz Fl1 25 wyświetlacz Tl2 26 wyświetlacz Tl3 27 wyświetlacz Tl1 28 kontroler temperatury wody ciepłej w zbiorniku (wraz z systemem ostrzegania o zbyt niskim jej poziomie) 29 kontrola ostrzegawcza niskiego stanu wody 30 włącznik grzejnika wody ciepłej 31 wyświetlacz Tl4 32 pokrętło sterowania prędkością obrotową mieszadła 33 włącznik pompy 34 włącznik mieszadła 35 główny włącznik urządzenia 36 gniazdo przyłączeniowe mieszadła 37 gniazdo podpięcia czujnika wody ciepłej w środku wymiennika 38 gniazdo podpięcia czujnika wody chłodnej w środku wymiennika 6

7 4.2 Opis modułu z rurowym wymiennikiem ciepła Zalety rurowych wymienników ciepła: prosta konstrukcja podłączanie kilku podwójnych rur umożliwia zmianę różnorodności obszarów wymiany ciepła poprzez zmianę 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 martwych stref przepływu Rurowe wymienniki ciepła są stosowane praktycznie wszędzie, szczególnie jednak w przemyśle spożywczym. Moduł wymiennika rurowego z laboratorium jest zaprezentowany na poniższym zdjęciu: Rys. 6: Wygląd wymiennika płytowego. Rurowy wymiennik ciepła składa się z dwóch podwójnych rur. W wymienniku przezroczysta rura zewnętrzna pozwala zobaczyć wewnętrzną rurę ze stali nierdzewnej. Powstają dwa oddzielne obszary, obszar rurki (wewnątrz rury wewnętrznej) i powłoka (między rurą wewnętrzną a rurą zewnętrzną). Zarówno obszary rur, jak i obudowy dwóch podwójnych rur są połączone szeregowo. Podział na dwie podwójne rurki zmniejsza całkowitą długość i umożliwia pomiar temperatury zimnej i gorącej wody w centrum całego wymiennika ciepła. Rysunek poniżej ilustruje przepływ. Zgodnie z budową wymiennika gorąca woda przepływa przez obszar rury a zimna woda przez powłokę. Możliwy jest przepływ w tym samym kierunku (współprąd) lub w przeciwnych kierunkach (przeciwprąd). Rys. 7: Przepływ w wymienniku rurowym. 7

8 5. Wykonanie ćwiczenia UWAGA! Podczas wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo, gdyż temperatura niektórych elementów może być bardzo wysoka. 5.1 Cele eksperymentów porównanie wymiany ciepła przy zmiennych strumieniach czynników (poniżej przykładowa krzywa zależności obliczonego współczynnika przenikania ciepła w zależności od strumieni) Rys. 8: Krzywa współczynnika przenikania ciepła wymiennika. porównanie wymiany ciepła przy zmiennych temperaturach czynników (poniżej przykładowa krzywa zależności średniego strumienia ciepła od średniej logarytmicznej różnicy temperatury) Rys. 9: Krzywa strumienia ciepła w funkcji średniej logarytmicznej różnicy temperatury. 5.2 Podstawowe ustawienia Poniższa tabela przedstawia podstawowe przykładowe ustawienia dla możliwych eksperymentów i danych wymienników. V c to strumień wody chłodnej, V h strumień wody ciepłej, SP to temperatura wody ciepłej. 8

9 Eksperyment Wymiennik Przepływ V c, V h, l/min SP (T 7), C V1-01 rurowy współprądowy V2-01 rurowy współprądowy V3-01 rurowy współprądowy V4-01 rurowy przeciwprądowy V5-01 rurowy przeciwprądowy V6-01 rurowy przeciwprądowy Eksperyment dla wymiennika rurowego W przypadku analizy wymiennika rurowego, schemat działania wygląda następująco: należy sprawdzić połączenie przewodów doprowadzających i odprowadzających medium do wymiennika 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 pomocy przewodu rurowego służącego do napełniania zbiornika chłodnicy odblokować przepływ wody chłodnej za pomocą odpowiednich zaworów odblokować przepływ wody ciepłej za pomocą odpowiednich zaworów włączyć pompę sprawdzić drożność przepływu przy pomocy pokręteł służących ustaleniu przepływu, jeśli wartość przepływu nie ulega zmianie, należy wyłączyć pompę i wypiąć/wpiąć wszystkie przewody doprowadzające wodę w układzie ustawić żądaną temperaturę wody ciepłej SP(T 7) wg powyższej tabelki oraz wody chłodnej za pomocą odpowiedniego kontrolera odpowietrzyć wymiennik ciepła w tym celu należy odkręcić wymiennik od podstawy stołu i delikatnie poruszać nim w pionie i poziomie, równocześnie ustawiając maksymalny przepływ w obu obwodach ustawić strumień wody chłodnej V c za pomocą odpowiedniego kontrolera ustawić strumień wody chłodnej V h za pomocą odpowiedniego kontrolera włączyć grzejnik obserwować parametry wyświetlane na panelu i poczekać na uzyskanie stanu ustalonego zapisywać uzyskane wartości ręcznie w tabeli wyników pomiarowych (wydrukowanej przed zajęciami) po zakończeniu pomiaru należy wyłączyć grzejnik, pompę, następnie zamknąć 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., 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,

10 Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, Załączniki Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami powinien zawierać niezbędne parametry potrzebne do wykonania ćwiczenia, a także imiona i nazwiska członków grupy, datę i miejsce na podpis prowadzącego laboratoria. Poniżej przykładowy arkusz (w zależności od typu eksperymentu nie są wymagane wszystkie rubryki). Imię i nazwisko: Data: Eksper yment Vc Vh SP (T7) T1 T3 T4 T6 ΔTmax ΔTmin ΔTlm km Qm Podpis prowadzącego: 10