IZK II	LABORATORIUM Z TERMODYNAMIKI
Nr.ćw.:6	WYMIENNIK CIEPŁA
Grupa : K06	DUDEK JAROSŁAW		1998 / 99
Data wyk.	Ocena	Data zaliczenia	Podpis
02.05.1999

WYMIENNIKI CIEPŁA

Wymienniki ciepła to urządzenia, w których realizuje się wymianę ciepła pomiędzy czynnikami charakteryzującymi się różnicą temperatur. Wymienniki ciepła w zasadniczym pojęciu - to wymienniki ze stykiem pośrednim czynników. Charakteryzuje je istnienie przedmiotów pośredniczących, konstrukcyjnych, oddzielających w sposób mechaniczny czynniki wymieniające ciepło, umożliwiających wymianę ciepła bez ich mieszania.

Wymienniki ciepła możemy podzielić na:

• wymienniki przeponowe - rekuperatory; charakteryzują się tym, iż przestrzenie wypełnione przez przepływające czynniki wymieniające ciepło, są oddzielone przez przegrody, przez które następuje wymiana ciepła,

• wymienniki z wypełnieniem (regeneratory); charakteryzują się tym, iż przestrzenie, przez które płyną czynniki wymieniające ciepło, wypełnione są przedmiotami pośredniczącymi
  w postaci brył.

Wymiennik możemy podzielić także na współprądowe i przeciwprądowe.

Wymiennik przeciwprądowe są zawsze lepsze niż współprądowe, biorąc pod uwagę wielkość użytej powierzchni wymiennika. W wymienniku współprądowym chłodniejszy czynnik może ogrzać się co najwyżej do najniższej temperatury czynnika grzejącego. Natomiast w wymienniku przeciwprądowym ogrzanie to może dojść teoretycznie do najwyższej temperatury czynnika grzejącego.

Największą ilość ciepła można przekazać w wymienniku prowadząc do wyrównania temperatur obu czynników co może mieć miejsce przy nieskończenie dużej powierzchni wymiany ciepła. Stosunek ilości ciepła przekazanego w wymienniku o powierzchni wymiany A do ilości ciepła teoretycznie największej w wymienniku o nieskończenie dużej powierzchni nazywamy sprawnością termodynamiczną wymiennika.

Badany wymiennik to wymiennik ciepła typu woda - powietrze. Jest to ożebrowana wodna nagrzewnica powietrza mogąca pracować w warunkach konwekcji naturalnej, bądź wymuszonej wentylatorami. Schemat wymiennika przedstawiony jest na rysunku poniżej.

Schemat ożebrowanego wymiennika ciepła woda - powietrze.

1. wymiennik ożebrowany

1. obudowa wymiennika

1. wentylator

W badanym układzie ultratermostat zapewnia stabilizację temperatury wody zasilającej wymiennik oraz jej transport za pomocą pomp. Woda przepływająca przez wymiennik zmienia swoją temperaturę od wartości t₁^' na dopływie do wartości t₁^'' na wypływie, powietrze zaś od wartości t₂^' do t₂^''. Natężenie przepływu wody przez wymiennik wynosi m_w, a jego pomiar dokonywany jest przy pomocy rotametru. Wszystkie podane wyżej wartości umieszczone są w poniższej tabelce.

t1^'	t1^''	t2^'	t2^''	mw	mw
[^oC]	[^oC]	[^oC]	[^oC]	[l/h]	[kg/s]
Przepływ naturalny
48	47	21,6	31,7	50	0,014
Przepływ wymuszony
48	46	22,3	24,9	55	0,015

Temperatury t₂^' i t₂^” zostały obliczone jako wartość średnia 7 pomiarów. Wartości pośrednie umieszczone są w poniższej tabelce:

Dla przepływu naturalnego:

Temperatura na dopływie t2^'									Średnia
U	[mV]	1,135	1,112	1,118	1,136	1,121	1,133	1,168		1,177
t	[^oC]	22	21	21	22	22	21	22		21,6
T	[K]	295	294	294	295	295	294	295		294,6

Temperatura na odpływie t2^'									Średnia
U	[mV]	1,737	1,652	1,633	1,659	1,667	1,667	1,649		1,666
t	[^oC]	33	32	31	31	32	32	31		31,7
T	[K]	306	305	304	304	305	305	304		304,7

Dla przepływu wymuszonego:

Temperatura na dopływie t2^'									Średnia
U	[mV]	1,122	1,205	1,222	1,202	1,173	1,150	1,129		1,172
t	[^oC]	21	23	23	23	22	22	22		22,3
T	[K]	294	296	296	296	295	295	295		295,3

Temperatura na odpływie t2^'									Średnia
U	[mV]	1,266	1,290	1,306	1,335	1,328	1,312	1,397		1,319
t	[^oC]	24	24	25	25	25	25	26		24,9
T	[K]	297	297	298	298	298	298	299		297,6

Wymiary wymiennika są następujące:

długość rury	l	48 cm
średnica rury	d	4 cm
wysokość żeberka	a	21 cm
szerokość żeberka	b	20 cm
grubość żeberka	g	1,8 mm (0,18 cm)
ilość żeberek	i	16

Obliczanie powierzchni całkowitej wymiennika ciepła.

1. Powierzchnia rury: SR = 2*Π*r*l =2*Π*2*48 = 602,88 cm².

2. Od powierzchni rury należy odjąć grubość 16 żeberek ( 16 * 0,18 ) = 2,88 cm².

3. Powierzchnia żeberka jest równa: (a*b - 2*Π*r) = (21*20 - 2*3,14*2) = 407,44 cm².Ponieważ żeberek jest 16, powyższy wynik należy pomnożyć przez 16 , a następnie przez 2 (dwie strony żeberka) = 13038,08 cm².

4. Grubość żeberka wynosi 0,18 cm, pomnożone przez obwód żeberka (2*20+2*21),
   da nam powierzchnię boczną żeberka. Wynik ten trzeba jeszcze pomnożyć przez ilość żeberek 0,18*(2*20+2*21)*16 = 236,16 cm².

Całkowita powierzchnia wymiennika jest równa:

Az = A - B + C + D,

więc

Az = 13874,24 cm², czyli 1,39 m².

Obliczenia.

Logarytmiczny średni spadek temperatur Δt_log obliczony jest ze wzoru:

dla swobodnego przepływu

Δt_log = 20,51 ^oC

a dla przepływu wymuszonego

Δt_log = 23,40 ^oC

Wydajność cieplna (moc cieplna) wymiennika Q

,

gdzie C_pw = 4190 [^J/_{kg K}]

dla swobodnego przepływu

Q = 58,66 [W]

dla przepływu wymuszonego

Q = 125,7 [W].

Współczynnik przenikania ciepła k

dla przepływu swobodnego

k = 2,06

dla przepływu wymuszonego

k = 3,86.

UWAGI I WNIOSKI:

W ćwiczeniu tym badaliśmy przepływowy wymiennik ciepła: woda - powietrze. Polegało to na pomiarach natężeniu przepływu wody oraz temperatur wody i powietrza przy dwóch konwekcjach: naturalnej i wymuszonej. Analiza otrzymanych wyników uświadamia nam fakt, iż lepsze parametry uzyskaliśmy przy konwekcji wymuszonej. Wydajność cieplna jest ponad dwukrotnie wyższa niż przy przepływie naturalnym. Również współczynnik przenikania ciepła k jest większy dla przepływu wymuszonego. Zastosowanie wiatraczka na dolocie powietrza spowodowało wzrost temperatury na dopływie i spadek na odpływie. Natomiast temperatura wody na odpływie zmniejszyła się. Możemy stwierdzić, iż jeżeli zależy nam na uzyskaniu jak największej temperatury powietrza na wyjściu, to potrzebny będzie wymiennik ciepła o swobodnym przepływie. Natomiast gdy zależy nam na zwiększeniu parametrów wymiennika, trzeba zastosować wymiennik z przepływem wymuszonym.

1

2

3

powietrze

woda

---