LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: BADANIA WYMIENNIKÓW CIEPŁA
1. WSTĘP W procesie wymiany ciepła w wymiennikach biorą udział co najmniej dwa czynniki. Wymienniki ciepła z dwoma czynnikami są najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych wymienników ciepła. Jedną z najprostszych konstrukcji są wymienniki typu rura w rurze. Tego typu wymienniki będą przedmiotem badań laboratoryjnych w ramach ćwiczenia. Dla istniejącego typu wymiennika można zadawać dwa różne schematy przepływu: przepływ współprądowy czynników i przepływ przeciwprądowy, rys. 1. Wadą układu współprądowego jest to, że nie zapewnia on tak wysokiej temperatury podgrzania czynnika zimnego jak układ przeciwprądowy, zaś zaletą jest w miarę wyrównana temperatura ścianki między czynnikami co eliminuje naprężenia termiczne i zwiększa trwałość. Zaletą układu przeciwprądowego, rys.1, jest możliwość osiągania wyższych temperatur podgrzania, a wadą znaczne zróżnicowanie temperatury ścianki co jest przyczyną naprężeń termicznych wpływających niekorzystnie na trwałość wymiennika. t współprąd t przeciwprąd.. A x. A. x Rys. 1.Rozkłady temperatury i schematy przepływów w wymienniku współprądowym i przeciwprądowym W opisie wymiennika wykorzystuje się równanie bilansu energii oraz równanie wynikające z warunków przepływu ciepła (równanie Pecleta). Bilans energii dla wymiennika przy założeniu braku strat ciepła do otoczenia ma postać: Q & = W& 1 t1 = W& 2 t2 (1) gdzie: W & j = G& j c p j (2) natomiast Q & strumieniem ciepła przekazywanym w wymienniku. Wykorzystując równanie bilansu energii oraz równanie Pecleta dla elementarnego odcinka wymiennika, po scałkowaniu wzdłuż długości wymiennika otrzymuje się [2]: 2
1 1 t k = t p exp k A ± W & 1 W& (3) 2 przy czym znak + w powyższym wzorze obowiązuje dla współprądu, a znak - dla przeciwprądu. Wielkości t p i tk są to różnice temperatur pomiędzy czynnikami na początku i na końcu wymiennika, natomiast k oznacza współczynnik przenikania ciepła. Sposób ich obliczania przedstawiono na rys. 1. W teorii cieplnych obliczeń wymienników używa się również tzw. średniej logarytmicznej różnicy temperatur t m. Używając tej wielkości, strumień ciepła przekazywany w wymienniku można wyrazić zależnością: Q & = k A (4) gdzie średnią logarytmiczną różnicę temperatur oblicza się jak następuje: t m t m tk t = tk ln t k k (5) W celu zmniejszenia błędów pomiarowych, układ pomiaru strumieni wody (rotametry) oraz temperatur został poddany pomiarom wzorcującym [1]. Potrzeba wzorcowania rotametrów wynika stąd, że w warunkach fabrycznych przyrząd jest wzorcowany przy innej temperaturze przepływającej wody niż w warunkach przeprowadzania ćwiczenia. Aby otrzymać poprawione wartości wyników pomiarów, dla rzeczywistych warunków pomiaru i wybranej wielkości mierzonej z załącznika A lub B należy odczytać wartość poprawki i dodać ją do wartości odczytanej z przyrządu. Poprawki mogą mieć wartości dodatnie lub ujemne. 2. CEL ĆWICZENIA Stanowisko jest przystosowane do przeprowadzania różnorodnych ćwiczeń z zakresu funkcjonowania pojedynczego wymiennika lub układu dwóch sekcji wymiennika ciepła działających w układzie przeciw- i współprądowym oraz przy innych różnych kombinacjach połączeń. Zasadniczym celem ćwiczenia są badania wymiennika ciepła poprzez pomiar temperatur wlotowych i wylotowych oraz strumieni czynników dla zadanych układów połączeń sekcji wymiennika. Następnym celem jest sprawdzenie zgodności otrzymanych rezultatów z wynikami obliczeń teoretycznych wykorzystujących równania opisujące wymianę ciepła w wymienniku i bilans energii. 3. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA STANOWISKA 3.1. Budowa stanowiska Schemat stanowiska został przedstawiony na rys. 2. Stanowiska składa się z dwóch sekcji wymienników typu rura w rurze 5, układu zaworów przełączających 12 umożliwiających łączenie wymienionych sekcji w różne kombinacje, zestawu termoelementów do pomiaru 3
temperatury wody w różnych punktach oraz temperatury ścianek (punkty oznaczone symbolami t 1 t 11, rotametru 6 do pomiaru strumienia wody gorącej oraz rotametru 10 do pomiaru strumienia wody zimnej. Każdy z rotametrów wyposażony jest w zawór 7,11 do regulacji strumieni wody. Woda zimna pobierana jest z sieci wodociągowej przez zawór stabilizujący ciśnienie 9. Woda gorąca przygotowywana jest w układzie podgrzewania wody. Układ ten składa się z atmosferycznego zbiornika wody powrotnej 2, pompy cyrkulacyjnej 3, elektrycznego podgrzewacza wody 1, zbiornika wody gorącej 4. Poziom wody w zbiorniku wody powrotnej można sprawdzić za pomocą wodowskazu 15. Każda z sekcji wymiennika wykonana jest z rur miedzianych. Rura o mniejszej średnicy włożona jest do rury o większej średnicy. Układ zaworów przełączających 12 (składający się łącznie z 14 zaworów) służy do tworzenia różnych kombinacji połączeń poszczególnych sekcji wymiennika. Ogółem można zestawić 8 kombinacji połączeń sekcji (jest to zarazem maksymalna liczba kombinacji jaką można osiągnąć przy dwóch sekcjach). Podstawowym połączeniem jest połączenie w którym obie sekcje zestawione są w układ tworzący wymiennik przeciwprądowy (wariant I, rys.3) oraz połączenie jak w wymienniku współprądowym (wariant II). Wszystkie osiągalne kombinacje przepływów przedstawiono na rys. 3. Równocześnie na tym rysunku przedstawiono położenia dźwigni poszczególnych zaworów dających pożądaną kombinację przepływów przez sekcje. Na panelu pomiarowym zainstalowany jest miernik temperatury i przełącznik miejsc pomiarowych. Łącznie mierzone może być mierzona temperatura wody w siedmiu charakterystycznych punktach układu wymiennika (temperatury na wlotach i wylotach każdej sekcji wymiennika), rys.3, oraz cztery temperatury ścianek wewnętrznej rury na końcach każdej z sekcji, rys.3. Numerację i lokalizację punktów pomiarowych temperatury przedstawiono na rys. 2. Przepływ wody gorącej, wymuszony przez pompę 3, odbywa się przez sekcje wymiennika zawsze w tym samym kierunku. Poniżej przedstawiono opis mierzonych temperatur idąc zgodnie z kierunkiem przepływu wody gorącej : t 1 - temperatura wlotowa wody gorącej do pierwszej sekcji wymiennika, t 2 - temperatura wylotowa wody gorącej z 1-szej i wlotowa do 2-giej sekcji, t 3 - temperatura wylotowa wody gorącej z 2-giej sekcji wymiennika, Temperatury t 4 t 7 są albo temperaturami wlotowymi albo wylotowymi wody zimnej w poszczególnych sekcjach. Zależy to od zastosowanej kombinacji połączeń wymienników. Poniżej przedstawiono opis tych temperatur: t 4 - temperatura wody zimnej na dolnym końcu 1-szej sekcji wymiennika, t 5 - temperatura wody zimnej na górnym końcu 1-szej sekcji wymiennika, t 6 - temperatura wody zimnej na górnym końcu 2-giej sekcji wymiennika, t 7 - temperatura wody zimnej na dolnym końcu 2-giej sekcji wymiennika. Zawory 16 przeznaczone są do celów obsługi serwisowej i nie należy ich używać w czasie przeprowadzania ćwiczenia. 3.2. Opis działania stanowiska Przez wymiennik ciepła przepływa strumień wody zimnej pobieranej z sieci oraz strumień wody gorącej. W wymienniku zachodzi proces podgrzewania wody zimnej wskutek ochładzania wody gorącej. Podgrzewanie wody realizowane jest w układzie podgrzewania. W układzie tym woda pobierana jest przez pompę cyrkulacyjną 3 ze zbiornika wody powrotnej 2, a następnie podawana do podgrzewacza wody 1, rys. 2. Po podgrzaniu woda doprowadzana jest do 4
zbiornika wody gorącej 4 i następnie zasila pierwszą sekcję wymiennika ciepła. W wymienniku woda gorąca przepływa cylindryczną szczeliną międzyrurową płynąc do góry, a następnie poprzez łącznik zasila od góry drugą sekcję wymiennika płynąc szczeliną międzyrurową od góry do dołu. Po opuszczeniu drugiej sekcji wymiennika, częściowo ochłodzona woda gorąca, przepływa przez rotametr 7 i wraca do zbiornika wody powrotnej 2. Strumień tej wody jest regulowany za pomocą zaworu 7 znajdującego się za rotametrem. Temperaturę wody gorącej zasilającej wymiennik reguluje się przez odpowiednie zaprogramowanie temperatury wylotowej z podgrzewacza 1. W czasie normalnej eksploatacji zbiornik wody powrotnej powinien być napełniony wodą do poziomiu 1/2 3/4 swojej objętości. Wartości temperatury w poszczególnych punktach odczytywane są na mierniku temperatury. Przełączanie pomiędzy poszczególnymi punktami odbywa się w sposób automatyczny. Równocześnie istnieje możliwość obserwacji na monitorze komputera zmian temperatury i ich rejestracji za pomocą komputerowego systemu zbierania danych. Do załączania stanowiska używane są trzy włączniki, które powinny być załączane w następującej kolejności: włącznik główny, włącznik pompy cyrkulacyjnej i włącznik podgrzewacza wody. Wyłączanie stanowiska powinno być przeprowadzane w odwrotnej kolejności. Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego 1-elektryczny podgrzewacz wody, 2-zbiornik wody powrotnej, 3-pompa cyrkulacyjna, 4-zbiornik wody gorącej, 5- sekcje wymiennika (rura zewnętrzna), 6-rotametr wody cyrkulującej, 7-zawór regulacji przepływu wody gorącej, 8-wlot wody zimnej, 9- zawór stabilizacji ciśnienia wody, 10- rotametr wody zimnej, 11- zawór regulacji przepływu wody zimnej, 12-układ zaworów przełączających, 13-rura wewnętrzna sekcji wymiennika, 14-wylot wody, 15- wodowskaz, 16- zawory serwisowe, 17-filtr 5
Rys. 3. Schematy przepływu wody w układzie wymiennika i odpowiadające im położenia zaworów sterujących; I-przepływ przeciwprądowy, II -przepływ współprądowy, III VIII przepływy mieszane 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA, WILKOŚCI MIERZONE Opiekun ćwiczenia powinien określić jaki schemat połączeń sekcji wymiennika powinien być wybrany do pomiarów w czasie zajęć. Najbardziej typowym przypadkiem jest układ z przeciwprądowym (wariant I, rys.3) i współprądowym (wariant II) przepływem strumieni wody. W każdym z przypadków wielkościami mierzonymi są dwa strumienie wody oraz wartości temperatury w wybranych punktach. Poniżej przedstawiono przykładowe scenariusze realizacji ćwiczeń laboratoryjnych. A1. Badanie wymiennika przeciwprądowego (wersja 1) a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I, b) Ustawić zalecone strumienie wody, c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur t 1, t3, t4, t7, d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika (równanie (1)) oraz równanie dla wymiennika (równanie (4)). A2. Badanie wymiennika przeciwprądowego (wersja 2) a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I, b) Ustawić zalecone strumienie wody, c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur t, t, t, t, t, t,, 1 2 3 4 5 6 t7 6
d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika jako całości oraz dla każdej sekcji (równanie (1)). W podobny sposób sprawdzić spełnianie przez dane pomiarowe równania dla wymiennika (równanie (4)). B1. Badanie wymiennika współprądowego (wersja 1) a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I, b) Ustawić zalecone strumienie wody, c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur t 1, t3, t4, t7, d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika (równanie (1)) oraz równanie dla wymiennika (równanie (4)). B2. Badanie wymiennika współprądowego (wersja 2) Podobnie jak w scenariuszu A2 lecz dla przepływu współprądowego. C1. Badanie układów wymienników (różne schematy przepływu) a) Wybrać wskazany schemat przepływu czynników ustawiając zawory według rys. 3, b) Wykonać czynności przedstawione w scenariuszu A2. D. Badanie wpływu schematu przepływu czynników na temperaturę ścianki a) Wybrać wskazany schemat przepływu czynników ustawiając zawory według rys. 3, b) Wykonać czynności przedstawione w scenariuszu A2 mierząc dodatkowo temperatury t, t, t, 8 9 10 t11. Ogólnie przebieg ćwiczenia, dla każdego z wyszczególnionych scenariuszy, można przedstawić w poniższych punktach. a) Od opiekuna ćwiczenia pobrać dane dotyczące: schematu połączeń wymienników, strumieni wody gorącej i zimnej zasilających wymiennik, temperatury wody gorącej zasilającej 1-szą sekcję wymiennika oraz wykaz mierzonych temperatur. b) Wybrać zalecony przez prowadzącego ćwiczenie schemat przepływu przez odpowiednie ustawienie zaworów sterujących, rys. 3. c) Włączyć przepływ wody zimnej z sieci przez wymiennik. d) Uruchomić stanowisko załączając kolejno włącznik główny, włącznik pompy cyrkulacyjnej, włącznik podgrzewacza wody. e) Nastawić zalecane strumienie wody zimnej i gorącej. f) Na panelu sterowniczym podgrzewacza wody zaprogramować temperaturę wody gorącej wlotowej do pierwszej sekcji wymiennika (temperatura t 1 ). W momencie uruchomienia podgrzewacza uaktywnia jest wartość zaprogramowana fabrycznie równa 60 o C. g) Sprawdzić czy wtyki termoelementów (numerowane od 1 do 9) są wetknięte do gniazd o odpowiadających sobie numerach. Możliwe są (a czasem nawet konieczne) inne połączenia (zwłaszcza, że liczba termoelementów jest większa od 9) w przypadku prowadzenia bardziej zaawansowanych lub nietypowych eksperymentów. h) Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego pracy wymiennika. Objawem osiągnięcia stanu ustalonego jest ustabilizowanie się wartości mierzonych temperatur, głównie temperatur wylotowych z poszczególnych sekcji. W celu stwierdzenia faktu osiągnięcia stanu ustalonego należy notować co około 1 min wartości mierzonych temperatur, aż do osiągnięcia stanu ustalenia się tych wskazań. Cały czas kontrolować stabilność strumieni wody zimnej i gorącej. 7
i) Po osiągnięciu stanu ustalonego zanotować ostatecznie wartości wielkości mierzonych tj. wskazanych przez opiekuna ćwiczenia wartości temperatur i strumieni wody. j) Powtórzyć czynności poczynając od punktu (e) wybierając nowe wartości nastaw stosownie do zaleceń opiekuna ćwiczenia. k) Po realizacji programu ćwiczenia wyłączyć stanowisko wyłączając w kolejności najpierw podgrzewacz wody (czerwonym przyciskiem), pompę cyrkulacyjną, wyłącznik główny. Następnie zamknąć zaworem odcinającym dopływ wody sieciowej do stanowiska. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW 5.1. Opracowanie wyników pomiarów Wyniki pomiarów należy zestawić w odpowiednich tablicach, z opisem podanych wielkości i ich jednostek. Stosownie do zaleceń opiekuna ćwiczenia i wybranego wariantu wykonać obliczenia sprawdzające. W celu poprawy jakości otrzymywanych wyników pomiarów poprzez zmniejszenie błędów pomiarów strumieni wody i temperatur przeprowadzono wzorcowanie układu rotametrów i układu pomiaru temperatur. W załącznikach A i B przedstawiono odpowiednie wykresy umożliwiające korektę wskazań rotametru wody gorącej i wyników pomiaru temperatury. Wartość poprawioną wyniku pomiaru otrzymuje się dodając wartość poprawki odczytaną dla każdego z przyrządów (rotametru lub termoelementu) do wartości odczytanej z przyrządu. 5.2. Sporządzenie sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Krótkie wprowadzenie teoretyczne, 2. Krótki opis stanowiska pomiarowego, 3. Opis przeprowadzonych pomiarów, specyfikacja wielkości pomiarowych, 4. Wyniki pomiarów, 5. Wyniki obliczeń, 6. Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe. Literatura cytowana i uzupełniająca [1] Kamiński A.: Badania testujące laboratoryjnych wymienników ciepła. Praca dyplomowa wyk. pod kierunkiem T. Kruczka, Instytut Techniki Cieplnej, Gliwice, 2006. [2] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998. [3] Kostowski E., i inni: Zbiór zadań z przepływu ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998. [4] Kalinowski E.: Przekazywanie ciepła i wymienniki. Oficyna Wyd. Pol. Wrocławskiej, Wrocław, 1995. [5] Wiśniewski S., Wiśniewski T.: Wymiana ciepła. WNT, Warszawa, 1997. [6] Hobler T.: Ruch ciepła i wymienniki. WNT, Warszawa, 1979, 1986. Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek 8
ZAŁĄCZNIK A WYKRESY POPRAWEK OTRZYMANE NA DRODZE WZORCOWANIA TERMOELEMENTÓW Aby otrzymać poprawny wynik pomiaru temperatury należy wartość poprawki dodać do wartości otrzymanej z pomiaru. -2,5 Termoelement 1 Poprawka, t -3 Termoelement 2-2,5-3 Termoelement 3-4 -4,5 9
Termoelement 4-4 -4,5-5 Termoelement 5-4 -4,5 Termoelement 6-3 -4 Termoelement 7-4 -4,5 10
ZAŁĄCZNIK B WYKRESY POPRAWEK DLA ROTAMETRU WODY CIEPŁEJ Aby otrzymać poprawny wynik pomiaru strumienia wody ciepłej do wyniku pomiaru odczytanego z rotametru wody ciepłej należy dodać wartość poprawki odczytanej dla rzeczywistej temperatury wody i odczytanego z rotametru strumienia wody (wartości temperatury wody podano w legendzie). Potrzeba korekty wynika ze zmiany temperatury przepływającej wody w stosunku do warunków pierwotnego wzorcowania rotametru. 17 16 15 14 Poprawka dla strumienia G, kg/h 13 12 11 10 9 8 7 6 100 150 200 250 300 350 Wynik pomiaru strumienia w ody ciepłej - G, kg/h 30 oc 35 oc 40 oc 45 oc 50 oc 55 oc 60 oc Wykres poprawek strumienia wody ciepłej, wymiar poprawki kg/h 11