Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Energetyki i Paliw Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo i Klimatyzacja Ogrzewnictwo ćwiczenia laboratoryjne Badanie efektywności pracy wymienników ciepła stosowanych w instalacjach c.o. Autorzy: Natalia Rompska Monika Wolny Sebastian Stefański stefanski@agh.edu.pl 1
1. WPROWADZENIE Wymiennik ciepła definicja i klasyfikacja Wymienniki ciepła są aparatami służącymi do przenoszenia ciepła od jednego płynu do drugiego. W zależności od pełnionej funkcji mogą być nazywane kotłami, podgrzewaczami, chłodnicami, wyparkami, skraplaczami itd. Niezależnie od tego nazewnictwa, wszystkie są wymiennikami ciepła. Podstawowy podział wymienników ciepła obejmuje trzy grupy: 1. Wymienniki przeponowe, tzw. rekuperatory oba płyny uczestniczące w procesie oddzielone są przegrodą, poprzez którą następuje proces przenikania ciepła. Przegrodę stanowią przeważnie ścianki rur lub płyty. Rekuperatory działają w sposób ciągły, a pole temperatur jest ustalone w czasie. 2. Regeneratory wymienniki z wypełnieniem nieposiadające przegrody oddzielającej płyny. Mają natomiast wypełnienie z cegieł, kulek, blach falistych, siatek lub innych ciał o rozwiniętej powierzchni wymiany ciepła wykonanych z materiałów ceramicznych lub metali. Podczas kontaktu z czynnikiem cieplejszym wypełnienie odbiera od niego ciepło i akumuluje ją, a następnie oddaje zakumulowaną energię czynnikowi ogrzewanemu. W przypadku wypełnienia nieruchomego regenerator posiada dwie komory, do których kierowane są naprzemiennie czynniki o różnych temperaturach działają periodycznie. Zastosowanie ruchomego wypełnienia (np. obracająca się masa akumulująca przecinająca dwa kanały) pozwala na pracę ciągłą elementy wypełnienia są omywane przez płyn cieplejszy i zimniejszy w dwóch odrębnych sekcjach (np. kanał spalinowy i powietrzny). 3. Wymienniki kontaktowe przenoszenie ciepła polega odbywa się przy bezpośrednim kontakcie dwóch płynów o takich samych lub różnych stanach skupienia (np. ciecz i para/gaz). W tych wymiennikach często zachodzi również proces wymiany masy lub mieszanie się czynników (tzw. mieszalniki). Przykładem takiego wymiennika może być chłodnia kominowa, gdzie rozpylone krople wody chłodzone są przepływającym powietrzem atmosferycznym. W wymiennikach ciepła spotyka się różne kierunki przepływu czynników w zależności od konstrukcji oraz przeznaczenia aparatu. Można wyróżnić następujące konfiguracje (rys. 1): wymienniki równoległoprądowe: współprądowe, przeciwprądowe, równoległe mieszane; wymienniki poprzecznoprądowe: krzyżowe, krzyżowe mieszane. 2
Rys. 1. Przepływ przez wymienniki ciepła: a) współprądowy, b) przeciwprądowy, c) krzyżowy, d) równoległy mieszany, e)krzyżowy mieszany. Rozkład temperatury płynów i średnia różnica temperatur czynników w rekuperatorach W najprostszym przypadku rekuperatory są dwuczynnikowe i mają jedną drogę przepływu dla każdego czynnika. Wymiana ciepła między płynami zależy od różnic temperatur czynników, czyli rozkładu tych temperatur wzdłuż powierzchni przenikania ciepła Kształt krzywych rozkładu temperatury czynników zależy od ich kierunków przepływu oraz od strumieni pojemności cieplnych zwanych w technice równoważnikami wodnymi: (1) gdzie strumień masy czynnika, ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu. Rozkłady temperatury czynników w zależności od układów przepływowych i stosunków równoważników wodnych przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Indeksy dolne 1 i 2 oznaczają kolejno czynnik ogrzewający i ogrzewany, a wskaźniki górne i dotyczą odpowiednio stanu początkowego (króciec wlotowy) i końcowego (króciec wylotowy) czynników. Rys. 2. Rozkład temperatur płynów w układzie współprądowym. 3
Rys. 3. Rozkład temperatur płynów w układzie przeciwprądowym. Strumień ciepła przenikający przez ścianki wymiennika jest w stanie ustalonym równy zmianom entalpii czynników, co przy stałej wartości daje ( ) ( ) (2) Przekształcając powyższe równanie można otrzymać następującą zależność: (3) Zatem przyrosty temperatury płynów w wymienniku ciepła są odwrotnie proporcjonalne do ich równoważników wodnych. Zależność ta zachowuje słuszność również dla elementarnych powierzchni wymiany ciepła, wzdłuż których następują zmiany temperatury czynników o i. Szczególnym przypadkiem jest skraplanie i wrzenie jednego z płynów. Po jednej stronie wymiennika zachodzi przemiana izotermiczna, co daje np., a zatem. Rozkład temperatur w takim układzie przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Rozkład temperatur czynników podczas wrzenia płynu 2 (a) oraz skraplania płynu 1 (b). Wielkość strumienia ciepła przenikającego między płynami na powierzchni elementarnej opisywana jest prawem Pécleta przedstawionym zależnością (4) i proporcjonalna jest do 4
różnicy temperatur czynników. Występująca różnica temperatur jest siłą napędową całego procesu. W każdym miejscu wzdłuż powierzchni przenikania ciepła może przyjmować ona inną wartość, co obrazują schematy zawierające rozkłady temperatur czynników (rys. 2, 3, 4). gdzie: ; gęstość strumienia ciepła, W/m 2 ; współczynnik przenikania ciepła, W/(m 2 K). ( ) (4) Poprzez całkowanie zależności (4) można wyznaczyć strumień ciepła wymieniany między płynami w całym wymienniku, co przy stałej wartości współczynnika przenikania ciepła daje gdzie wprowadzono średnią różnicę temperatur czynników (5) ( ) (6) Znajomość średniej różnicy temperatur jest podstawowym zagadnieniem podczas wyznaczania strumienia ciepła w danym wymienniku oraz do określenia wymaganej powierzchni wymiany ciepła. Przekształcając przytoczone powyżej zależności otrzymuje się wzór (5) zmodyfikowany do następującej postaci: (7) gdzie różnice temperatur i reprezentują odpowiednio: dla konfiguracji współprądowej, dla konfiguracji przeciwprądowej. Wyrażenie określające średnią temperaturę nazywane jest średnią logarytmiczną różnicą temperatur i przyjmuje ostatecznie następującą postać: (8) 5
Sposoby oceny pracy rekuperatorów Jednym z kryteriów oceny przeponowych wymienników ciepła jest efektywność. Jest to stosunek wymienionej ilości ciepła do maksymalnej możliwej ilości ciepła, która mogłaby być wymieniona przy tych samych temperaturach wlotowych. Definicję tą przedstawia zależność (9): ( ) ( ) gdzie jest mniejszym równoważnikiem wodnym. ( ) ( ) (9) Efektywność rekuperatora zdefiniowana powyższym wzorem reprezentuje efektywność procesu wymiany ciepła, czyli stopień doskonałości względem możliwego do wykorzystania zasobu ciepła czynnika ogrzewającego. Do oceny efektywności pracy całego wymiennika ciepła można wykorzystać bilans energii tego urządzenia. Bilans energii wynika z zasady zachowania energii i jest powszechnie wykorzystywany do rozwiązywania problemów termodynamiki technicznej, techniki cieplnej i gospodarki energetycznej. Wykonanie bilansu polega na wyodrębnieniu interesującego nas układu lub obiektu osłoną bilansową, przez którą doprowadzana i wyprowadzana jest energia. Osłona bilansowa musi być wspólna dla bilansu substancji i energii (w przypadku rekuperatorów nie zachodzi wymiana substancji). W ogólnej postaci ilość energii dostarczonej do układu równa jest sumie energii wyprowadzonej oraz przyrostu energii układu. Jeżeli proces jest ustalony, energia doprowadzona równa jest wyprowadzonej, czyli nie występuje przyrost energii układu. Do poprawnego przeprowadzenia procesu bilansowania energii układu niezbędne jest osiągnięcie wysokiej dokładności wykonania pomiarów, wybór odpowiednich poziomów odniesienia i prawidłowe wykonanie obliczeń. Taka analiza pozwala określić różnice między strumieniem energii doprowadzanej do układu a wyprowadzonym użytecznym strumieniem energii. Różnica ta wynika z niedoskonałości procesu zachodzącego wewnątrz osłony bilansowej (np. wymiana ciepła z otoczeniem) oraz sumy wszystkich błędów pojawiających się w procedurze bilansowania, od błędów pomiarowych, poprzez założenia, interpolacje, aż po zaokrąglenia wyników. Wyniki opisanej analizy można zobrazować przy pomocy wykresu Sankeya. W przypadku wymienników przeponowych istotny dla bilansu energii jest strumień entalpii fizycznej czynników, gdyż w rekuperatorach nie zachodzą żadne reakcje chemiczne, procesy spalania, czy wymiana substancji. Ostatnim kryterium stosowanym w ocenie parametrów pracy rekuperatorów jest sprawność temperaturowa zdefiniowana zależnością (10). Wskaźnik ten powszechnie stosuje się w ocenie układów odzysku ciepła w instalacjach wentylacyjnych i wentylacyjno-klimatyzacyjnych. (10) 6
Wymienniki przeponowe rodzaje, budowa, cechy charakterystyczne W technice grzewczej stosuje się najczęściej dwa typy wymienników przeponowych wymienniki płytowe oraz płaszczowo-rurowe. Wymienniki płaszczowo-rurowe (rys. 5) składają się z trzech zasadniczych części: zewnętrznej obudowy (płaszcza) wykonanej najczęściej ze stali, rzadziej z żeliwa, wewnętrznego pęczka rur, króćców lub komór wlotowych i wylotowych. W cylindrycznym płaszczu umieszczony jest pęczek rur. Jeden z czynników przepływa w rurkach, drugi czynnik omywa rurki i wypełnia pozostałą objętość płaszcza. W celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła stosuje się duże ilości rurek o mniejszej średnicy, które uformowane są na kształt litery U lub spiralnie skręcone. Szczególnym przypadkiem takiego wymiennika jest układ rura w rurze charakteryzujący się prostą, łatwą w eksploatacji budową i generuje niższe opory przepływu niż w przypadku pęczków zwiniętych rurek. Wymienniki płaszczowo-rurowe charakteryzują się wysoką uniwersalnością, co wynika z różnorodności możliwych do zastosowania konfiguracji (współprąd, przeciwprąd, przepływ mieszany), możliwości dostosowania wymiennika do geometrii instalacji oraz szerokiego zakresu ciśnień i temperatur roboczych. Główne zalety wymienników tej konstrukcji to: stosunkowo niskie opory przepływu, możliwość modyfikacji charakterystyki przepływowej na etapie projektowania, kompaktowe rozmiary wymiennika przy dużej powierzchni wymiany ciepła oraz szeroka gama rozmiarów i rozwiązań konstrukcyjnych. Rys. 5. Schemat budowy wymiennika płaszczowo-rurowego na przykładzie produktów Secespol wymiennik typu JAD (a) oraz JAD X (b). Schemat przedstawia przykładową konfigurację przyłączy (przeciwprąd): K1/K4 wlot/wylot czynnika grzewczego, K3/K2 wlot/wylot czynnika ogrzewanego, K5 cyrkulacja C.W.U. (opcjonalnie). 7
Wymienniki płytowe (rys. 6) składają się z szeregu cienkich metalowych płyt połączonych w sposób rozłączny przy pomocy ramy ściągającej lub trwale poprzez lutowanie. Ułożenie płyt tworzy kanały między nimi, w których przepływają naprzemiennie oba czynniki (rys. 7). Płyty wymiennika nie są płaskie, lecz posiadają dodatkowe przetłoczenia wywołujące zaburzenia w przepływie czynnika (rys. 8). Burzliwość przepływu poprawia warunki przejmowania ciepła, co zwiększa strumień przekazywanej energii. Obecnie płyty wymienników (z uwagi na umiejscowienie króćców w narożach płyt) projektowane są również pod kątem maksymalnego wykorzystania powierzchni wymiany ciepła, czyli lepsze rozprowadzenie w kanale wprowadzanego do wymiennika płynu. Najważniejsze cechy charakterystyczne wymienników płytowych to kompaktowe wymiary zewnętrzne pozwalające na łatwy montaż w niewielkich instalacjach i pomieszczeniach, szeroki zakres wydajności oferowanych obecnie urządzeń (od kilku kw do kilkudziesięciu MW). Główne wady wymienników płytowych to wysokie opory przepływu czynników, możliwość rozszczelnienia, ograniczona liczba materiałów wynikająca z kształtu płyt oraz możliwość odkładania zanieczyszczeń w kanałach międzypłytowych. Wymienniki płytowe są powszechnie używane we wszystkich instalacjach grzewczych, chłodniczych oraz często są elementem wyposażenia innego urządzenia, np. pełnią rolę ekonomizerów w pompach ciepła. Wymienniki te są również stosowane do przygotowania ciepłej wody użytkowej, wody basenowej oraz separacji obiegów otwartych od zamkniętych. Łączenia płyt wymiennika uszczelnione są gumą, co generuje ograniczenie stosowania w środowisku zawierającym rozpuszczalniki, kwasy oraz ozon. Rys. 6. Wygląd zewnętrzny wymiennika płytowego Promag PGM-1c-22. Rys. 7. Schemat wzajemnego rozmieszczenia kanałów wymiennika płytowego w układzie przeciwprądowym. 8
Rys. 8. Przekrój poprzeczny wymiennika płytowego. 2. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zastosowaniem oraz możliwościami regulacji pracy podstawowych elementów instalacji grzewczych oraz wyznaczenie parametrów pracy przeponowego wymiennika ciepła. 3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Wykorzystywane w ćwiczeniu stanowisko laboratoryjne przedstawione zostało w formie schematu na rys. 9, a zbudowane jest z następujących elementów: wymiennik płaszczowo-rurowy JAD (K) 3.18, wymiennik płytowy Promag PGM-1c-22, ogrzewacz przepływowy elektryczny o mocy 18kW, pompa obiegowa elektroniczna Wilo Stratos 30 1-12, naczynie przeponowe, 2 zawory grzybkowe, 2 wodomierze, zestaw 4 zaworów kulowych do zmiany układu przepływu (współprąd/przeciwprąd), 8 zaworów odcinających przy wymiennikach, 8 rezystancyjnych czujników temperatury Pt500, manometr, króćce do podłączenia stanowiska do instalacji wodno-kanalizacyjnej, filtr skośny. Obieg wody ciepłej jest zamknięty, obieg wody zimnej jest otwarty. W ogrzewaczu przepływowym woda osiąga zadaną temperaturę zasilania, a następnie transportowana jest poprzez pompę, zawór regulacyjny i wodomierz do wymiennika ciepła. Po wyprowadzeniu z wymiennika powraca do ogrzewacza, gdzie osiąga ponownie zadaną temperaturę zasilania. Czynnikiem ogrzewanym jest woda podawana z sieci. Stanowisko podłączone jest do instalacji wodnej budynku wężami elastycznymi. Woda z sieci trafia na zestaw zaworów służących do sterowania układem przepływu (współprąd/przeciwprąd). Trafia do wymiennika, a po odebraniu ciepła w wymienniku zrzucana jest do instalacji kanalizacyjnej. 9
Temperatury czynników mierzone są w 4 punktach dla każdego wymiennika bezpośrednio przy króćcach wymienników. Czujniki temperatury zamontowane są w gniazdach redukcyjnych i ich elementy pomiarowe umieszczone są w osi przepływu czynnika. Rys. 9. Schemat stanowiska laboratoryjnego. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA Obsługa stanowiska obejmuje następujące kroki: 1) podłączenie stanowiska wężami elastycznymi do instalacji wodnej, 2) sprawdzenie szczelności układu i zamknięcie zaworów zasilających obu obiegów, 3) podłączenie zasilania ogrzewacza przepływowego oraz pompy obiegowej, 4) ustawienie zadanej temperatury wody w ogrzewaczu, 5) otwarcie zaworu zasilającego obieg wody ciepłej, 6) ustawienie żądanego trybu pracy pompy i uruchomienie, 7) ustawienie żądanej wydajności wody ciepłej i zimnej, 8) sprawdzenie poprawności podłączenia czujników temperatury i włączenie multimetrów na zakres 2000 Ω. 9) przeprowadzenie pomiarów dla różnych temperatur zasilania i strumieni czynników, 10) wyłączenie wszystkich urządzeń w odwrotnej kolejności. 10
Pomiary należy przeprowadzić dla kilku strumieni czynników oraz różnych temperatur zasilania wody ciepłej, dla każdego zestawu parametrów w konfiguracji współprądowej i przeciwprądowej. Ilość serii pomiarowych oraz czas trwania każdej z nich ustalić z prowadzącym zajęcia. Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów należy przygotować tabelkę pomiarową (wzór w załączniku), stoper, ustawić wartości zadane przepływu czynników oraz temperatury zasilania i wyznaczyć osoby odpowiedzialne za odczytywanie wartości wskazań poszczególnych urządzeń pomiarowych. Czujniki temperatury mają naniesione oznaczenia zgodne z oznaczeniami multimetrów i króćców wymiennika płytowego. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW W ramach opracowania wyników należy wykonać następujące polecenia: 1) zgodnie z tabelą charakterystyk czujników dołączoną do instrukcji wyznaczyć wartości temperatur czynników w każdej serii pomiarów, 2) wyznaczyć sprawność temperaturową (10), efektywność wymiennika (9) i średnią logarytmiczną różnicę temperatur (8), 3) na podstawie danych zawartych w kartach katalogowych wymienników określić współczynnik przenikania ciepła wymiennika w każdej serii pomiarowej (7), 4) zinterpretować otrzymane wyniki i ocenić, czy występuje zależność wartości obliczanych w punktach 2 i 3 od temperatur zasilania wody ciepłej i przepływu czynnika. 6. LITERATURA [1] Wiśniewski S., Wiśniewski T., Wymiana ciepła, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997. [2] Pudlik W., Wymiana i wymienniki ciepła, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1980. [3] Słupek S., Nocoń J., Buczek A., Technika cieplna. Ćwiczenia obliczeniowe, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2005. [4] Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium wiedzy. Ogrzewanie, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, Omni Scala, Wrocław 2008. 7. ZAŁĄCZNIKI [1] Tabela pomiarowa. [2] Tabela charakterystyk czujników temperatury. [3] Karta katalogowa wymiennika JAD (K) 3.18. [4] Karta katalogowa wymiennika Promag PGM-1c-22. 11
Załącznik 1. Tabela pomiarowa. WYMIENNIK: PŁYTOWY PŁASZCZOWO-RUROWY KONFIGURACJA: WSPÓŁPRĄD PRZECIWPRĄD USTAWIENIE POMPY: czas, min Wskazania multimetrów Wskazania wodomierzy, m 3 R1, Ω R2, Ω R3, Ω R4, Ω woda ciepła woda zimna 0 1 2 3 4 WYMIENNIK: PŁYTOWY PŁASZCZOWO-RUROWY KONFIGURACJA: WSPÓŁPRĄD PRZECIWPRĄD USTAWIENIE POMPY: czas, min Wskazania multimetrów Wskazania wodomierzy, m 3 R1, Ω R2, Ω R3, Ω R4, Ω woda ciepła woda zimna 0 1 2 3 4 WYMIENNIK: PŁYTOWY PŁASZCZOWO-RUROWY KONFIGURACJA: WSPÓŁPRĄD PRZECIWPRĄD USTAWIENIE POMPY: czas, min Wskazania multimetrów Wskazania wodomierzy, m 3 R1, Ω R2, Ω R3, Ω R4, Ω woda ciepła woda zimna 0 1 2 3 4
Załącznik 2. Tabela charakterystyk czujników temperatury. Numer czujnika Temperatura, C 19019.1 19021.1 19034.2 13422.2 Opór, Ω Opór, Ω Opór, Ω Opór, Ω 0,4 501 503 500 500 1,1 502 504 502 502 2,2 504 506 504 504 4,9 509 512 509 510 5,6 511 513 511 512 6,0 512 514 512 513 7,4 514 516 514 516 8,3 516 518 516 517 9,3 518 521 518 519 10,1 520 521 520 521 11,3 522 524 522 523 12,9 525 527 525 527 14,2 528 530 528 529 16,2 531 534 532 534 17,6 534 536 534 537 20,6 540 542 540 542 22,3 543 546 544 545 23,9 547 549 547 548 25,6 550 552 550 552 28,2 555 557 555 557 31,9 562 563 562 564 36,1 570 572 570 572 39,3 576 579 577 578 44,8 587 589 587 589 47,5 593 595 593 595 50,1 597 601 598 599 53,2 603 606 604 605 56,4 610 613 610 611 60,2 617 620 617 619
Załącznik 3. Karta katalogowa wymiennika JAD (K) 3.18
Załącznik 3. Karta katalogowa wymiennika JAD (K) 3.18
Załącznik 3. Karta katalogowa wymiennika JAD (K) 3.18
Załącznik 3. Karta katalogowa wymiennika Promag PGM-1c-22