Laboratorium Termodynamiki Ćw. Nr 33 Badanie współprądowego i przeciwprądowego wymiennika ciepła.
Prowadzący: Dr hab. inż. Jerzy Zoń

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z działaniem rurowego wymiennika współprądowego i przeciwprądowego.

1. Schemat:

1. Wzory potrzebne do obliczeń:

• Strumień masy:

$$\dot{m} = \rho \bullet \dot{V}$$

• Oddawany/pobierany strumień ciepła:

$$\dot{Q} = \dot{m} \bullet c_{p} \bullet T$$

• Straty ciepła w wymienniku:

$${\dot{Q}}_{\text{str}} = \left| Q_{\text{odd}} - Q_{\text{pob}} \right|$$

• Różnica temperatur na początku wymiennika:

θ_p = t_w1 − t_z1

• Różnica temperatur na końcu wymiennika:

θ_k = t_w5 − t_z5

• Średnia logarytmiczna różnica temperatur:

$$\theta_{m} = \frac{\theta_{p} - \theta_{k}}{\ln\left( \frac{\theta_{p}}{\theta_{k}} \right)}$$

• Z równania Pecleta:

$$k_{L} = \frac{Q_{\text{odd}}}{\text{πL}\theta_{m}}$$

1. Tabele pomiarowe, wynikowe oraz wykresy:

• Wymiennik współprądowy prawidłowy:

Współprądowy prawidłowy
$$\dot{\mathbf{V}}$$
$$\frac{l}{h}$$
300

$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{odd}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{pob}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{str}}}$$	θp	θk	θm	k
kW	kW	kW	K	K	K	$$\frac{W}{\text{mK}}$$
5,59	6,47	0,88	38,80	4,00	15,32	19,38

• Wymiennik współprądowy nieprawidłowy:

Współprądowy nieprawidłowy
$$\dot{\mathbf{V}}$$
$$\frac{l}{h}$$
300

$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{odd}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{pob}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{str}}}$$	θp	θk	θm	k
kW	kW	kW	K	K	K	$$\frac{W}{\text{mK}}$$
6,37	7,11	0,75	42,10	3,20	15,10	22,38

• Wymiennik przeciwprądowy prawidłowy:

Przeciwprądowy prawidłowy
$$\dot{\mathbf{V}}$$
$$\frac{l}{h}$$
300

$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{odd}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{pob}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{str}}}$$	θp	θk	θm	k
kW	kW	kW	K	K	K	$$\frac{W}{\text{mK}}$$
6,56	7,48	0,92	16,40	18,90	17,62	19,76

• Wymiennik przeciwprądowy nieprawidłowy:

Przeciwprądowy prawidłowy
$$\dot{\mathbf{V}}$$
$$\frac{l}{h}$$
300

$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{odd}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{pob}}}$$	$${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{\text{str}}}$$	θp	θk	θm	k
kW	kW	kW	K	K	K	$$\frac{W}{\text{mK}}$$
7,72	7,21	0,51	17,90	16,60	17,24	23,77

1. Przykład obliczeń:

• Strumień masy:

$$\dot{m} = \rho \bullet \dot{V} = 992,2 \bullet \frac{300 \bullet 10^{- 3}}{3600} = 0,083\ \frac{\text{kg}}{s}$$

• Oddawany strumień ciepła:

$${\dot{Q}}_{\text{odd}} = \dot{m} \bullet c_{p} \bullet T = 0,083 \bullet 4,175 \bullet \left( 50,5 - 34,3 \right) = 5,59\ kW$$

• Pobierany strumień ciepła:

$${\dot{Q}}_{\text{odd}} = \dot{m} \bullet c_{p} \bullet T = 0,083 \bullet 4,182 \bullet \left( 30,3 - 11,7 \right) = 6,47\ kW$$

• Straty ciepła w wymienniku:

$${\dot{Q}}_{\text{str}} = \left| Q_{\text{odd}} - Q_{\text{pob}} \right| = \left| 5,59 - 6,47 \right| = 0,88kW$$

• Różnica temperatur na początku wymiennika:

θ_p = t_w1 − t_z1 = 50, 5 − 11, 7 = 38, 8 K

• Różnica temperatur na końcu wymiennika:

θ_k = t_w5 − t_z5 = 34, 3 − 30, 3 = 4 K

• Średnia logarytmiczna różnica temperatur:

$$\theta_{m} = \frac{38,8 - 4}{\ln\left( \frac{38,8}{4} \right)} = 15,32\ K$$

• Z równania Pecleta:

$$k_{L} = \frac{Q_{\text{odd}}}{\text{πL}\theta_{m}} = \frac{5,59 \bullet 10^{3}}{3,14 \bullet 6 \bullet 15,32} = 19,38\ \frac{W}{m \bullet K}$$

1. Wnioski:

Mimo, że wymiennik przeciwprądowy ma najlepszą sprawność i ciecz pobierająca ciepło jest w stanie ogrzać się niemalże do najwyższej temperatury czynnika oddającego ciepło to jednak częściej stosuje się wymienniki współprądowe ponieważ wymiennik przeciwprądowy ma duże straty ciepła do otoczenia. Wykresy odpowiadają charakterystykom teoretycznym, co świadczy o poprawności przeprowadzonego ćwiczenia.