LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Ćwiczenie nr 33

Badanie współprądowego i przeciwprądowego wymiennika ciepła

Skład grupy:

1. Karolina Mazurkiewicz

2. Kornela Wojciaczyk

3. Aleksandra Wróblewska

4. Rafał Wójcik

Nr grupy: 2

Data wykonania ćwiczenia: 20.05.2015

Data oddania sprawozdania: 27.05.2015

1. Tabela pomiarów

• Przepływ współprądowy

Ciepła woda qv = 100 l/h	Ciepła woda qv = 200 l/h	Ciepła woda qv = 300 l/h	Ciepła woda qv = 400 l/h
Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h
tw	tz	tw	tz
^oC	^oC	^oC	^oC
49,8	12,4	50,5	12,3
41,2	18,2	44	19,8
35,2	23,2	39,2	25,9
32,8	26,0	36,9	29,6
30,1	26,7	34,9	31

• Przepływ przeciwprądowy

Ciepła woda qv = 100 l/h	Ciepła woda qv = 200 l/h	Ciepła woda qv = 300 l/h	Ciepła woda qv = 400 l/h
Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h	Zimna woda qv = 100 l/h
tw	tz	tw	tz
^oC	^oC	^oC	^oC
50,6	29,8	51	35,2
42,9	24,6	45,6	29,6
36,3	19,3	41,5	23,7
31,6	15,9	37,1	17,8
26,7	12,2	32,2	12,1

Legenda:

t_w – pomiary temperatur w rurze wewnętrznej, którą płynie woda gorąca

t_z – pomiary temperatur w rurze zewnętrznej, którą płynie woda zimna

1. Wykresy

• Przepływ współprądowy

• Przepływ przeciwprądowy

1. Wyniki obliczeń

• Przepływ współprądowy

qv	mw	mz	Qw	Qz	∆Q	θm	kL
$$\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{h}}$$	$$\frac{\text{kg}}{s}$$	$$\frac{\text{kg}}{s}$$	W	W	W	K	$$\frac{W}{m \bullet K}$$
100	0,0276	0,0555	2279,3	3322,7	1043,4	14,18	8,532
200	0,0551	0,0554	3602,9	4340,2	737,3	15,03	12,722
300	0,0825	0,0554	4494,6	4850,8	356,3	14,31	16,671
400	0,1100	0,0554	5163	5199	35,98	14,69	18,650

• Przepływ przeciwprądowy

qv	mw	mz	Qw	Qz	∆Q	θm	kL
$$\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{h}}$$	$$\frac{\text{kg}}{s}$$	$$\frac{\text{kg}}{s}$$	W	W	W	K	$$\frac{W}{m \bullet K}$$
100	0,0276	0,1109	2759,9	8178,8	5418,9	17,46	8,390
200	0,0551	0,1108	4342,0	10722,9	6380,9	17,86	12,901
300	0,0825	0,1108	5324,3	11837,0	6512,6	17,57	16,086
400	0,1100	0,1108	6038,9	12254,7	6215,9	16,99	18,865

• Porównanie współczynników przenikania ciepła dla różnych q_v gorącej wody i dwóch różnych przepływów (współprądowego i przeciwprądowego)

qv	Przepływ	kL
		$$\frac{W}{m \bullet K}$$
100 l/h	Współprądowy	8,532
	Przeciwprądowy	8,390
200 l/h	Współprądowy	12,722
	Przeciwprądowy	12,901
300 l/h	Współprądowy	16,671
	Przeciwprądowy	16,086
400 l/h	Współprądowy	18,650
	Przeciwprądowy	18,865

1. Przykładowe obliczenia

• Strumień masy czynnika

$$m = q_{v} \bullet \rho = 100 \bullet 10^{- 3} \bullet \frac{1}{3600} \bullet 992,2 = 0,0276\ \frac{\text{kg}}{s}$$

• Strumień ciepła

Q = m₁ • C_p1 • (t_1p−t_1k) = m₂ • C_p2 • (t_2k−t_2p)

Q_w = 0, 0276 • 4189, 9 • (50,6−26,7) = 2759, 9 W

• Straty ciepła

Q = Q_z − Q_w = 8178, 8 − 2759, 9 = 5418, 9 W

• Średnia logarytmiczna różnica temperatur

$$\theta_{m} = \frac{\theta_{p} - \theta_{k}}{\ln\frac{\theta_{p}}{\theta_{k}}} = \frac{\left( 50,6 - 29,8 \right) - (26,7 - 12,2))}{\ln\frac{50,6 - 29,8}{26,7 - 12,2}} = 17,46\ K$$

• Współczynnik przenikania ciepła

$$k_{L} = \frac{Q}{\pi \bullet L \bullet \theta_{m}} = \frac{2759,9}{\pi \bullet 6 \bullet 17,46} = 8,39\ \frac{W}{m \bullet K}$$

1. Wnioski

Gęstość wody do policzenia strumienia masy przyjęliśmy, jako średnią gęstości dla temperatur z poszczególnych punktów pomiarowych (tabela z instrukcji).

Ze wzoru Q₂ = Q₁ + straty, wynika, że uzyskane wyniki są prawidłowe. Jednakże porównując wielkości wymiennika ciepła k_L, można zaobserwować, że wyniki odbiegają nieco od idealnych. Według literatury współczynnik przenikania ciepła dla przepływu przeciwprądowego powinien być niższy od wymiennika przypływu współprądowego, a w naszych obliczeniach 2 z 4 porównań są odwrotne. Te nieścisłości mogą wynikać, z faktu, ze pomiary powinny się odbywać w stanie ustalonym, a u nas nie był. Ponadto nie udało się dokładnie odczytać temperatur z termopary, ponieważ temperatury wahały się w zakresie nawet do ±1

Strumień ciepła oddanego jest większe dla przepływu przeciwprądowego, niż współprądowego (większa wydajność przy tych samych wymiarach rur), czyli tak jak być powinno.

W celu ograniczenia strat energii do otoczenia należy jak najdokładniej zaizolować wymiennik, np. otaczając go materiałami o niskich współczynnikach wnikania i przewodzenia. Straty będą również tym mniejsze, im bardziej temperatura otoczenia będzie zbliżona do temperatury wymiennika. Dla zmaksymalizowania strumienia pobranego wymiennik należy zbudować z materiału o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła, który zapewni możliwie niski opór cieplny.

1. Pytanie dodatkowe

Rodzaje wymienników:

1. Podział ze względu na sposób przepływu ciepła

1. Podział ze względu na układ strumieni