1

Laboratorium z wymiany ciepła

27.03.2013 r.

Ćwiczenie 2

Ustalenie procesu wymiany ciepła w kalorymetrze Junkersa- określenie składu gazu oraz

przemnożenie przez tablicowe wartości (spalania, opałową).

Urządzenia:

1. Gazomierz bębnowy mokry- to urządzenie, które odmierza ilość dopływającego gazu.

2. Reduktor ciśnienia- urządzenie, które stabilizuje dopływ gazu do kalorymetru.

3. Wymienniki ciepła- wśród których wyróżnia się:

a) Przeponowe wymienniki ciepła z gazomierzem, w którym gaz stabilizuje się do

temperatury początkowej wody (umieszczony z tyłu), gazomierz jest otoczony

płaszczem wodnym, w którym gaz wymienia ciepło z wodą,

b) Przeponowy wymiennik ciepła, w którym temperatura wymieniana jest pomiędzy

spalinami, a wodą,

c) Bezprzeponowy wymiennik ciepła- będący nawilżaczem powietrza, w którym

dochodzi do wymiany ciepła i masy wody z ciepłem powietrza (zawiera on pierścienie

Raschiga, w których średnica jest równa wysokości). W danym nawilżaczu na górze

znajduje się wodą, zaś na dole dochodzi do zasysania powietrza.

W połowie wymiennika ciepła wartość temperatury jest równa wartości temperatury dla

otoczenia.

Dla wartości temperatury otoczenia t

o

, takiej, że:

Gdzie:

- temperatura wody ogrzewanej

- temperatura wody

Przyjmujemy, że bilans wymiany ciepła:

.

2

H

t

w1

t

0

t

w2

t

Przy danym układzie, temperatura wody raz zyskuje (poniżej prostej t

0

), a raz traci (powyżej

prostej t

0

).

Aby warunek (1) był spełniony, temperaturę należy regulować wg następującego wzoru:

Przekrój palnika:

Rurki „płomieniówki”

Komora spalania

Na żółto, na schemacie, zaznaczono gaz, który jest doprowadzany do palnika.

W gazomierzu bębnowym nie ma płaszcza stabilizującego temperaturę. Bęben jest

wypełniony w dolnej połowie wodą, zaś w górnej gazem. Obrót jest wynikiem powstającego

w bębnie nadciśnienia. Poza tym w bębnie występują 2 przestrzenie:

a) przestrzeń a- w której występuje gaz o wyższym ciśnieniu,

b) przestrzeń b- w której występuje gaz o niższym ciśnieniu (różnica H oznacza straty

ciśnienia wywołujące obrót).

Dany układ musi być dokładnie stabilizowany, a ilość wody powinna być pomierzona

poziomowskazem przed pomiarem.

Pomiar temperatury i ciśnienia dokonuje się przy użyciu urządzeń umieszczonych na „górze”

układu.

3

1. Obliczenie objętości gazu w warunkach umownych:

Gdzie:

- odczyt końcowy

- odczyt początkowy

– ciśnienie barometryczne

- nadciśnienie na gazomierzu

– bezwzględne ciśnienie gazu

- ciśnienie gazu suchego

– prężność pary wodnej w warunkach nasycenia dla temperatury t

0

2. Obliczenie ciepła odebranego przez wodę chłodzącą (woda przepływa z góry do dołu

przejmując ciepło spalin):

Gdzie:

- masa wody (którą „wyłapujemy” w kolbę erlenmeyera i ważymy)

- średnie ciepło właściwe wody, odczytywane z tablic dla określonej temperatury wody

Wartości

są średnimi z odczytów, z termometrów. Odczyt ma się odbywać

z dokładnością do 0,01 K.

3. Obliczenie ciepła dostarczanego do kalorymetru (związane ze spalaniem gazu):

Gdzie:

- objętość gazu w warunkach umownych

- wartość opałowa gazu odniesiona do [um

3

]

4. Obliczenie sprawności wymiennika:

4

Gdy:

5. Określenie powierzchni wymiany ciepła oraz określenie liczby Reynoldsa wody

przepływającej przez wymiennik kalorymetru:

Gdzie:
– prędkość przepływu
– zastępcza średnica rury

- lepkość kinematyczna

- strumień masy wody

- powierzchnia netto przez którą przepływa woda

- czas pomiaru
- ilość rurek
- obwód zwilżony

Przekrój palnika z oznaczenim średnic:

δ

z

d

z

D

w

5

6. Próba ustalenia równania kryterialnego dla wymiany ciepła w wymienniku:

Równanie kryterialne jest zależne od wielu czynników, między innymi od ruchów, wśród
których wyróżniamy: laminarny, przejściowy i burzliwy.
W czasie ćwiczenia skupimy się na konwekcji wymuszonej i ruchu laminarnym.

6.1.

(dla takich wartości nie stosujemy poprawki na tzw. rozbiegowy odcinek, gdy

ustala się ruch burzliwy),

6.2.

6.3.

Gdzie:

- sugeruje kierunek przepływu i rozpatrywane jest dla dwóch przypadków:

a) gdy ciepło przechodzi z płynu do rury,
b) gdy ciepło przechodzi z rury do płynu.

7. Oznaczenia w postaci indeksów:

a) indeks „w” (z ang. wall) - średnia wartość (np. temperatury) dla ścianki,
b) indeks „f” (z ang. fluid) - średnia wartość (np. temperatury) dla płynu.