23.03.2012

Inżynieria Chemiczna Laboratorium

Sprawozdanie

Grupa I

Piątek godz. 9.15-12.12.30

Joanna Banach

Aleksandra Ptak

Katarzyna Staszewska

Ewa Szymków

Ćwiczenie nr 4

• Temat: Wymiennik ciepła typu „rura w rurze”.

• Cel: Wyznaczenie współczynników przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu „rura w rurze”.

• Wstęp teoretyczny:

Wymiana ciepła (nazywana także transportem ciepła lub przekazywaniem ciepła) jest to jeden ze sposobów (obok pracy) przekazywania energii pomiędzy układami termodynamicznymi.

Wymiana ciepła zawsze przebiega z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Jeżeli rozpatrywany obiekt ma inną temperaturę niż jego otoczenie lub znajdujące się z pobliżu inne ciała, wymiana ciepła odbywać się będzie do momentu osiągnięcia stanu równowagi termicznej. Nie jest możliwe powstrzymanie procesu przekazywania ciepła pomiędzy sąsiadującymi obiektami o różnej temperaturze – można go jedynie spowolnić.

Wymiana ciepła zachodzi na jeden z trzech sposobów:

przewodzenie ciepła polega na przekazywaniu energii przez bezładny ruch cząsteczek i ich zderzenia,

konwekcja (unoszenie ciepła) na skutek przemieszczania się masy płynu (cieczy lub gazu):

• naturalna (swobodna) – samoczynny ruch płynu wskutek różnicy gęstości wynikającej z różnicy temperatury

• wymuszona – ruch płynu wywołany jest czynnikami zewnętrznymi (pompa, wentylator itp.)

promieniowanie cieplne polega na przenoszeniu energii przez promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w wyniku cieplnego ruchu cząsteczek. Wymiana ciepła przez promieniowanie nie wymaga obecności ośrodka pomiędzy ciałami, między którymi ciepło jest wymieniane, czyli może zachodzić przez próżnię.

• Opis ćwiczenia:

Zasadniczym elementem stanowiska jest wymiennik ciepła typu „rura w rurze” wykonany z mosiądzu. Powierzchnię grzejną wymiennika stanowi rura wewnętrzna 1 o średnicy zewnętrznej dz= 35 mm, grubości ścianki sw= 1.5 mm i długości 1.54 m, co daje średnią powierzchnię wymiany ciepła A = 0.1621 m2. Średnica zewnętrzna rury zewnętrznej 2 Dz = 50 mm, zaś grubość ścianki sz = 3 mm. Na zewnętrznej powierzchni rury wewnętrznej zainstalowano 6 termoelementów T1-T6, których czujniki są rozmieszczone w sześciu, równomiernie od siebie oddalonych, przekrojach rury. 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 z podgrzewacza 3 jest tłoczona pompą PG do wewnętrznej rury wymiennika ciepła. Podgrzewacz ma automatyczną regulację temperatury wody w zakresie 25−950C. Woda zimna tłoczona jest pompą PZ przez rotametr RZ do pierścieniowej przestrzeni wymiennika ciepła. Z wymiennika woda przepływa do chłodnicy 4, skąd po ochłodzeniu jest zawracana do przestrzeni międzyrurowej aparatu.

Nasze zadanie polegało na odczytywaniu temperatur na wlotach i wylotach rur, przy stałym natężeniu przepływu wody gorącej i zmiennym natężeniu przepływu wody zimnej.

• Wyniki pomiarów:

Wzory funkcji służące do przeliczania „działek” na [kg/h]:

y_g=1,09x-4

y_z=0,9938x-20,031

Powierzchnia :

A= 0,1621 [m²]

C_pg=4191 [J/kg*K]

mg	mg	mz	mz	T1	T2	T3	T4	Qg	Qz	Q	∆T1	∆T2	ΔTm	K
[działka]	[kg/s]	[działka]	[kg/s]	[^oC]	[^oC]	[^oC]	[^oC]	[W]	[W]	[W]	[^oC]	[^oC]	[^oC]	[W/m^2*K]
200	0,059	200	0,0496	71,0	64,0	20,0	32,0	1743,92	2488,50	2116,21	39,0	44,0	41,4	314,96
		300	0,0773	70,0	63,5	21,5	29,0	1619,36	2420,13	2019,74	41,0	42,0	41,5	300,25
		400	0,1049	71,0	63,0	22,0	28,0	1993,05	2627,95	2310,50	43,0	41,0	42,0	339,43
		500	0,1325	71,0	62,5	22,0	22,0	2117,62	0,00	1058,81	49,0	40,5	44,6	146,40
		550	0,1463	71,0	62,0	22,0	22,0	2242,19	0,00	1121,09	49,0	40,0	44,3	155,95
600	0,181	550	0,1463	72,0	67,0	26,0	33,5	3783,54	4582,16	4182,85	38,5	41,0	39,7	649,37
		500	0,1325	72,0	67,0	26,0	34,5	3783,54	4703,05	4243,30	37,5	41,0	39,2	667,37
		400	0,1049	72,5	68,0	26,0	36,5	3405,19	4598,92	4002,05	36,0	42,0	38,9	634,30
		300	0,0773	72,0	68,0	25,0	37,0	3026,83	3872,20	3449,52	35,0	43,0	38,9	547,57
		200	0,0496	72,5	69,0	24,0	41,0	2648,48	3525,38	3086,93	31,5	45,0	37,8	503,13

• Obliczenia:

1. wykorzystane wzory

$m_{\text{g\ }} = \frac{y_{g}}{3600}$[kg/s]

$m_{z} = \frac{y_{z}}{3600}$[kg/s]

Q_g = m_g * C_pg * (T₁ − T₂)

Q_Z = m_z * C_pz * (T₄ − T₃)

$$Q = \frac{Q_{gsr} + Q_{zsr}}{2}$$

T₁ = T₁ − T₄

T₂ = T₂ − T₃

$$T_{m} = \frac{{T}_{1} - {T}_{2}}{\ln\frac{{T}_{1}}{{T}_{2}}}$$

Q = K * A * T_m

$$K = \frac{Q}{A*{T}_{m}}$$

1. przykładowe obliczenia

$m_{g}\mathbf{=}\frac{1,09*200 - 4}{3600} = 0,059$ [kg/s]

$m_{z} = \frac{0,9938*200}{3600} = 0,0496\ \lbrack kg/s$]

Q_g = 0, 059 * 4191 * (71,0−64,0) = 1743, 92 [W]

Q_z = 0, 0496 * 4177 * (32,0−20,0)=2488,50 [W]

$Q = \frac{1743,92 + 2488,50}{2} =$2116,21 [W]

T₁ = 71, 0 − 32, 0=39,0 [^oC]

T₂ = 64, 0 − 20, 0 = 44, 0 [^oC]

$T_{m} = \frac{39,0 - 44,0}{ln\left( \frac{39,0}{44,0} \right)} = 41,4$ [^oC]

$K = \frac{2116,21}{41,4*0,1621} = 314,96$[W/m²*K]

• Wnioski:

W wyniku przeprowadzonego doświadczenia można zauważyć, że otrzymane wartości współczynnika wyraźnie się różnią. Jest to spowodowane złą izolacją układu co powoduje bardzo duże straty ciepła.