Wydział Chemiczny

Wymiennik ciepła typu „rura w rurze”- wyznaczanie współczynnika

ciepła

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 2

(TCC3055l 31-87B )

czwartek 8.15-11.00

Opracował:

Dariusz Łozak

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 23.03.2006

Oznaczenia

				pole przekroju poprzecznego	m^2
				ciepło właściwe płynu	J/(kg·K)
				średnica	m
				natężenie przepływu	l/h
				współczynnik przenikania ciepła	W/(m^2·K)
				masowe natężenie przepływu	kg/h
				obwód zwilżany	m
				strumień cieplny	W
				temperatura	K
				prędkość liniowa cieczy	m/s
symbole greckie
				różnica wartości wielkości fizycznej
				lepkość dynamiczna	kg/(m·s)
				liczba pi	-
				gęstość cieczy w określonej temperaturze	kg/m^3
indeksy dolne
	1,2			dotyczy temperatury na wlocie do / wylocie z wymiennika
	c,z			dotyczy wody ciepłej / zimnej
	wew, zew			dotyczy średnicy wewnętrznej / zewnętrznej
	zast			dotyczy średnicy zastępczej
Nadpisania
	.			strumień wielkości	1/s
Liczby bezwymiarowe
Liczba Raynoldsa

	Oznaczenia stosowane na rysunku 2:
			czynnik ciepła / czynnik zimny
			współczynnik wnikania ciepła czynnika ciepłego i zimnego	W/m^2·K
			współczynnik szybkości przewodzenia ciepła	-
			strumień cieplny	W
			grubość ścianki	m
			temperatura powierzchni zwilżanej czynnika ciepłego i zimnego	K
			gradient temperatury w czynniku ciepłym i zimnym	K
	Oznaczenia stosowane na rysunku 3:
			czynnik ciepła / czynnik zimny
			zmiana powierzchni wymiany ciepła w czasie	m^2
			ujemna zmiana temperatury czynnika ciepłego w czasie, dodatnia zmiana temperatury czynnika zimnego w czasie	K
	F		powierzchnia wymiany ciepła	m^2
			długość powierzchni wymiany ciepła	m
			krzywe zmiany temperatury czynnika A i czynnika B	K
			temperatura czynników na wlocie	K
			temperatura czynników na wylocie	K
			średnia temperatur	K
			różnica temperatur czynników na wlocie i wylocie	K

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było wyznaczenie współczynników przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze.

2. Aparatura

Schemat instalacji badawczej pokazano na rysunku 1 w załączniku A.

Zasadniczym elementem stanowiska jest wymiennik ciepła typu „rura w rurze” wykonany z mosiądzu. Powierzchnię grzejną wymiennika stanowi rura wewnętrzna 1 o średnicy zewnętrznej d_z^w=35 mm, grubości ścianki s^w=1,5 mm, długości rury l^w=1,54 m. Średnica zewnętrzna rury zewnętrznej 2 d_z^z=50 mm, zaś grubość ścianki s^z= 3 mm. Pomiar i zapis temperatur w poszczególnych punktach pomiarowych rury odbywa się w sposób ciągły za pomocą rejestratora. Rurą wewnętrzną przepływa gorąca woda, w przekroju pierścieniowym natomiast w przeciwprądzie woda zimna. Temperaturę wody gorącej na wlocie T₁ i wylocie T₂ oraz zimnej na wlocie T₃ i na wylocie T₄ mierzy się termometrami rtęciowymi, a regulacja i pomiary natężenia przepływów dokonywane są za pomocą zaworów i rotametrów oznaczonych jako RG dla wody gorącej i RZ dla wody zimnej, zainstalowanych na przewodach zasilających i wyskalowanych w l\h. Woda gorąca jest tłoczona pompą PZ przez rotametr RZ do pierścieniowej przestrzeni wymiennika ciepła. Woda po ochłodzeniu jest zawracana do przestrzeni międzyrurowej aparatu

3. Metodyka badań

Badania zostały wykonane zgodnie z metodyką zawartą w załączniku A.

4. Wyniki badań

Wyniki badań zostały zgromadzone w tabeli 1 w załączniku A.

5 Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1 Określenie charakteru przepływu wody ciepłej i zimnej w wymienniku:

a) masowe natężenie przepływu wody ciepłej wyznaczono z funkcji cechowania rotametrów:

= [kg/s]= 0,0443 [kg/s]

(1)

b) liniową prędkość przepływu wody ciepłej obliczono z przekształcenia wzoru na masowe natężenie przepływu:

(2)

c) liczbę Reynoldsa określającą charakter przepływu obliczono ze wzoru:

(2)

d) masowe natężenie przepływu wody zimnej wyznaczono z funkcji cechowania rotametrów:

(4)

e) liniową prędkość przepływu wody zimnej obliczono z przekształcenia wzoru na masowe natężenie przepływu:

(5)

f) średnicę zastępczą rury wody zimnej wyznaczono ze wzoru:

(6)

g) liczbę Reynoldsa dla wody zimnej, określającą charakter przepływu obliczono ze wzoru:

(7)

5.2 Obliczenia współczynnika przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze:

a) strumień cieplny obliczono ze wzoru:

(8)

b) powierzchnię wymiany ciepła obliczono ze średniej logarytmicznej powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej rury wewnętrznej:

(9)

c) różnicę temperatur ścianki wymiennika i płynu obliczono ze średniej logarytmicznej różnic temperatur ścianki rury i płynu na wlocie i wylocie z wymiennika:

(10)

d) doświadczalne wartości współczynników przenikania ciepła obliczono z przekształcenia wzoru Pecleta:

(11)

Tabela		2.	Wyniki obliczeń określenia charakteru przepływu wody ciepłej i zimnej w wymienniku
	Woda ciepła					Woda zimna
Lp.
1	159.5			0.05598	3665.2	129.039	0.06427	520.919
2	159.5			0.05598	3665.2	228.42	0.11375	945.733
3	159.5			0.05598	3665.2	377.49	0.18799	1563.256
4	159.5			0.05598	3665.2	476.87	0.23748	1974.441
5	562.8			0.19751	12919.076	129.039	0.06429	534.414
6	562.8			0.19751	12919.076	228.42	0.11383	946.028
7	562.8			0.19751	12919.076	377.49	0.18815	1563.365
8	562.8			0.19751	12919.076	476.87	0.23748	2178.976

Tabela		3.	Wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze
Lp.
1	1019.56			0.162	35.03	179.66
2	1297.62			0.162	35.98	222.62
3	1482.996			0.162	36.839	248.49
4	1482.996			0.162	37.178	246.23
5	2943.44			0.162	34.826	521.72
6	2616.395			0.162	37.87	426.47
7	3270.49			0.162	38.58	523.28
8	3270.49			0.162	38.13	529.46

6. Omówienie wyników, wnioski

6.1 Podstawy teoretyczne

Wymienniki ciepła są istotnym składnikiem aparatury przemysłu chemicznego gdyż większość reakcji chemicznych i procesów przebiega endotermicznie (konieczność doprowadzenia ciepła) lub egzotermicznie (konieczność odprowadzenia ciepła). Jako substancje ogrzewające stosuje się m.in.: gazy spalinowe, parę wodną, powietrze, ciecze wrzące w wysokich temperaturach. Natomiast substancjami chłodzącymi są zazwyczaj: powietrze i woda (chłodzenie do temperatury wyższej niż 0 ºC), roztwory różnych soli, pary amoniaku lub dwutlenku węgla (chłodzenie do niższych temperatur). Różnorodność warunków w jakich prowadzone są procesy wymiany ciepła oraz różne własności substancji podlegających tej wymianie stwarza konieczność odpowiedniego budowania wymiennika ciepła. Do właściwej budowy wymiennika potrzebna jest także znajomość zasad przepływu ciepła.

Rozróżniamy trzy rodzaje przepływu ciepła: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. W wymiennikach ciepła mamy do czynienia z konwekcją w której ciepło przekazywane jest mechanicznie w momencie zetknięcia czynników o różnej temperaturze. Przy ścianie rury wewnętrznej powstaje warstwa laminarna, w której konwekcja zanika. Ilość ciepła jaka przenika z rdzenia płynu przez warstwę laminarną do ściany rury wyznacza równanie Newtona:

gdzie:

Q - strumień cieplny, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem gradientu temperatury [W],

A - powierzchnia wymiany ciepła [m²],

T - różnica temperatur ścianki wymiennika i płynu ( lub odwrotnie) [K],

α - współczynnik wnikania ciepła [W/m^2.K].

Równanie to jest równaniem Newtona.

Wyrazem intensywności przekazywania ciepła jest współczynnik wnikania ciepła
, którego wielkość ustala się indywidualnie dla każdej wartości przepływu ciepła.

Przepływ ciepła przez ścianę rury jest zjawiskiem przekazywania ciepła od czynnika A do czynnika B poprzez ścianę płaską, którego rozkład temperatury przedstawia rysunek 2.

Rysunek	2	Rozkład temperatury w przepływie ciepła od czynnika A do B przez ściankę rury.

Z założenia występuje tu ustalony przepływ ciepła, a ilość przepływającego ciepła możemy przedstawić w funkcji odpowiedniego współczynnika k_d który to jest współczynnikiem przepływu ciepła i określa wielkość oporu cieplnego:

Ze względu na kierunek przepływu czynników wymienniki ciepła dzielimy na: współprądowe, przeciwprądowe i o prądzie mieszanym (krzyżowym). Zmiana temperatury czynników w wymienniku przeciwprądowym przedstawia rysunek 3:

Rysunek	3	Schemat przepływu ciepła w wymienniku przeciwprądowym.

6.2 Wyniki doświadczalne

Na rysunku 4 przedstawiono zależność doświadczalne wyznaczonego współczynnika przenikania ciepła k_d od liczby Reynoldsa wody zimnej. Wynika z niego, że dla przepływu laminarnego wraz ze wzrostem prędkości przepływu wody zimnej wzrasta współczynnik przenikania ciepła a tym samym wielkość ciepła przeprowadzonego z płynu ciepłego do zimnego.

Wywnioskować również można iż przy czwartej serii pomiarów nastąpił błąd odczytu lub błąd urządzenia gdyż czwarta wartość współczynnika przenikania ciepła widocznie odbiega od liniowego charakteru przedstawionej zależności.

Literatura:

[1] Physical characteristics of water at the atmospheric pressure

(http://www.thermexcel.com/english/tables/eau_atm.htm)

[2] Pikoń J., Aparatura chemiczna. 1981

s

λ

α_B

α_A

t_B

t₁

t₂

Q

B

A

-dt_A

+dt_B

Δt

dF

t_B1

t_B1

t_B2

t_B2

t_A2

t_A2

t_A1

t_A1

2

1

t_A

t_B

B

B

A

A

Δt₂

Δt₁

t

---