KATEDRA APARATURY I MASZYNOZNAWSTWA CHEMICZNEGO Wydział Chemiczny POLITECHNIKA GDAŃSKA ul. G. Narutowicza 11/12 80-952 GDAŃSK LABORATORIUM Z PROEKOLOGICZNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ODNAWIALNEJ 6. WYMIENNIK CIEPŁA Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 1
6. WC BADANIE WYMIENNIKA CIEPŁA Cel: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasada działania wymiennika ciepła i sposobem obliczania wymienników. WPROWADZENIE: Przenoszenie ciepła towarzyszy przebiegowi różnych zjawisk. Jest także niezwykle ważnym elementem w procesach technologicznych. W zastosowaniach technicznych procesy wymiany ciepła realizowane są celowo w urządzeniach, zwanych wymiennikami ciepła. Wymiennikiem ciepła nazywamy aparat, służący do wymiany energii cieplnej pomiędzy dwoma czynnikami bez konieczności mieszania ich. Teoria rekuperatora przeciwprądowego: Dla uproszczenia przyjmiemy, że w procesie wymiany ciepła uczestniczą dwa czynniki, a współczynnik przenikania ciepła k jest stały w czasie. W rekuperatorach możliwy jest przepływ czynników w tym samym kierunku współprąd lub w kierunkach przeciwnych przeciwprąd. Wprowadzamy oznaczenia: t 1, t 2 miejscowe temperatury czynników (indeks na wlocie, indeks na wylocie, c p1, c p2 wartości ciepła właściwego czynników, f powierzchnia omywana przez czynnik, liczona od wlotu. a ścianki izolowane b ścianki izolowane w 1, t 1 w 1, t 1 w 2, t 2 w 2, t 2 t, 1 t 2 t 1, t 2 t 2 t 2 t 2 t 2 df f df f Rys.1 Rozkład temperatury w rekuperatorze: a współprądowym, b przeciwprądowym Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 2
Analizując rysunek 1 można stwierdzić, że w przypadku wymiennika współprądowego czynnik przejmujący ciepło może się ogrzać co najwyżej do najniższej temperatury czynnika grzejącego, a w przypadku przeciwprądu do jego najwyższej temperatury. Wniosek: Wymiennik przeciwprądowy jest wydajniejszy (z punktu widzenia użytej powierzchni niż wymiennik współprądowy. Zał: Wymiana ciepła odbywa się tylko przez ściankę nieizolowaną, oddzielającą czynniki. Strumień ciepła wymienianego przez ściankę płaską: dq qdf k( t1 t2 df (1 więc: Q = qdf = k( t1 df = k( t1 (2 0 0 gdzie: 1 t = ( t1 = ( t1 df jest średnim spadkiem temperatury. 0 Strumień ciepła, wymieniany izobarycznie na powierzchni f, obliczamy na podstawie bilansu, zgodnie z rysunkiem 1: ' = m c ( t 2 ' Q& = m& &. (3 1 cp1 1 1 2 p2 2 t Wprowadzając pojęcie pojemności cieplnej (właściwie: strumienia pojemności cieplnej obu czynników: i różniczkując równanie (1 otrzymujemy: W1 = m& 1 cp1 i W2 m2 cp2 d Q = Wdt 1 1 = W2dt2 = & (4 &, (5 z czego: dq& dt1 = i W1 dt2 dq& W2 d & 1 1. (6 = oraz: ( t1 = dt1 dt2 = dq W 1 W2 Oznaczając 1 1 M = i biorąc pod uwagę wzór (1, otrzymujemy ze wzoru (6: W1 W2 ( t t = kmt ( t df d 1 2 1 2. (7 Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 3
Rozwiązaniem równania (7, zapisanego w postaci: ( d = kmdf z uwzględnieniem warunku brzegowego: f=0, wówczas =, jest: ln ( + C = kmf i ln ( ' +C = 0, czyli C ln( (8 = (9 więc: ln = kmf, (10 czyli: t = t' exp( kmf exp( kmf t1 = 1 ' 2 '. (11 Następnie obliczamy wartość średnią różnicy temperatur (t 1 -t 2 : 1 = 1 2 kmf 0 0 km = ( df = exp( kmf df = [ exp( 1] (12 Uwzględniając równanie (10 oraz (11 otrzymujemy z równania (12: = exp ln 1 1 = t' t' ln = ln (13 ln ' W szczególności: = ' i ostatecznie, ponieważ: t ' = t 1' t 2' ' i t '' = t 1 '' ' (rys.2, ln ' to: ( t ' t '' ( t '' t ' = 1 2 1 2 1 2 =. (14 t ' '' ln 1 t1'' ' t 1, t 2 t 2 t 2 df f Rys.2 Ilustracja definicji różnic temperatur czynników w rekuperatorze przeciwprądowym Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 4
Obliczanie rekuperatorów sprowadza się do ustalenia średniego spadku temperatury, przy założeniu: k=const, W 1 = const, W 2 = const (14. Efektywność rekuperatorów przeciwprądowych t 1, t 2 t 2 t 1 =t 2 Rys.3 Ilustracja hipotetycznego przypadku rekuperatora o jednostkowej efektywności f Podstawową wielkością, charakteryzującą rekuperator, jest efektywność (sprawność rekuperatora: Φ t ' t ' t '' ' = 1 1. (15 t1 2 Współczynnik efektywności wynosiłby 1, gdyby czynnik cieplejszy został ochłodzony do początkowej temperatury czynnika zimniejszego ( =t 2 (rys.3, co wymaga nieskończonej powierzchni wymiany ciepła, a zatem zawsze: Φ<1. Efektywność rekuperatora można wyrazić jako funkcję parametrów R i S, zdefiniowanych następująco: postaci: W2 W1 R =, k S =, (16 W 1 1 1 S 1 e R Φ =. (17 1 1 S 1 1 e R R Zależność efektywności rekuperatora przeciwprądowego Φ(S dla różnych wartości R przedstawia rysunek 4. 1,0 efektywność Φ 0,5 R= R=2 R=1 R=0,5 R=0,25 0 1 2 3 4 S Rys. 4 Efektywność rekuperatora przeciwprądowego Φ(R,S Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 5
Stanowisko: Stanowisko składa się z rekuperatora JAD XK 2.11.08.68 produkcji SeCeS-Pol sp. z o.o., o powierzchni wymiany ciepła 0,6 m 2, wyposażonego w czujniki temperatury czynników na wlocie i wylocie oraz dwa przepływomierze. Wymiennik podłączony jest do węzła cieplnego, zasilanego przez kocioł gazowy. Zadaniem wymiennika jest schłodzenie wody podgrzanej przez kocioł. Czynnikiem chłodzącym jest woda wodociągowa. Przebieg ćwiczenia: Ćwiczenie wykonuje się po uruchomieniu i ustabilizowaniu pracy kotła. 1. Włączenie obiegów: czynnika gorącego i chłodzącego. 2. Pomiar temperatur obu czynników na wlocie i wylocie co 5 min. 3. Pomiar natężenia przepływu obu czynników co 5 min. Pomiary notujemy w tabeli. τ [min] t 1 [ o C] t 2 [ o C] t 3 [ o C] t 4 [ o C] m& 1 kg s m& 2 kg s 4. Obliczenie średniej wartości różnicy temperatur i efektywności rekuperatora na podstawie wzorów (14 i (15. 5. Obliczenie współczynników R i S (16 i sprawdzenie zgodności obliczeń z nomogramem (Rys.4. PARAMETRY PRACY JAD XK 2.11.08.68 MAX. CIŚNIENIE: MAX. TEMPERATURA: PARAMETRY KONSTRUKCYJNE POWIERZCHNIA WYMIANY CIEPŁA: OBJĘTOŚĆ STR. RUREK: OBJĘTOŚĆ STR. PŁASZCZA: WAGA Z PRZYŁĄCZAMI GWINTOWANYMI: WAGA Z PRZYŁĄCZAMI KOŁNIERZOWYMI: STANDARDOWA LOKALIZACJA PRZYŁĄCZY K1 - wlot czynnika grzewczego K2 - wylot czynnika ogrzewanego K3 - wlot czynnika ogrzewanego K4 - wylot czynnika grzewczego TYPY PRZYŁĄCZY K1, K2, K3, K4: G 1 ½ " gwint zewnętrzny; DN40 kołnierz płaski 1,6; 2,5 MPa 203; 250 deg. C 0,6 m², rura karbowana 8mm 1,2 l 1,2 l 8,0 kg 16,0 kg Instrukcja ćwiczenia 6 - WC 6