SPRAWOZDANIE Z INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ĆWICZENIE NR 1 – WYMIENNIK CIEPŁA TYPU RURA W RURZE

WYKONANIE:

PIOTR CEGŁA 168657

ANNA TOMCZAK

ŁUKASZ CICHOŃ

AGATA MASIUK

Wrocław, 17.03.2010

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było eksperymentalne wyznaczenia współczynników przenikania ciepła w wymienniku typu „rura w rurze” przy stałym natężeniu przepływu wody gorącej i różnym natężeniu przepływu wody zimnej.

1. Oznaczenia i jednostki

x_g – liczba działek na rotametrze z gorącą wodą

x_z – liczba działek na rotametrze zimną wodą

T₁ – temperatura wody gorącej na wlocie [^oC], [K]

T₂ – temperatura wody gorącej na wylocie [^oC], [K]

T₃ – temperatura wody zimnej na wlocie [^oC], [K]

T₄ – temperatura wody zimnej na wylocie [^oC], [K]

${\dot{m}}_{g}\ $- masowe natężenie przepływu wody gorącej [ $\frac{\text{kg}}{s}$]

${\dot{m}}_{z}$ - masowe natężenie przepływu wody zimnej [$\frac{\text{kg}}{s}$]

${\dot{Q}}_{z}$ – cieplne natężenie przepływu dla wody zimnej [ $\frac{J}{s}$]

∆T_m - średnia logarytmiczna temperatury [K]

A_m – powierzchnia przekroju poprzecznego [m²]

k_d – współczynnik przenikania ciepła [ $\frac{W}{m^{2}*K}$]

c_p – ciepło właściwe [$\frac{\text{kJ}}{kg*K}$]

1. Schemat aparatury

1. Przebieg pomiarów

Po ustaleniu się stanu równowagi cieplnej rozpoczęto pomiary. Zanotowano początkowe temperatury wody zimnej i gorącej oraz natężenia przepływu wody zimnej i gorącej. Wykonano serię pomiarów dla natężenia przepływu wody gorącej (600l/h) oraz zmieniając kolejno natężenie wody zimnej: 100 l/h, 200 l/h, 300 l/h, 400 l/h oraz 500 l/h.

1. Wzory oraz przykłady obliczeń

Obliczenie masowego natężenia przepływu dla wody zimnej i gorącej:

1. Woda zimna:

${{\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{z}}\mathbf{= 0,9938*\ x}}_{\mathbf{z}}$ - 20,031 = 0,9938 * 100 – 20,031 = 0,02204 [ $\frac{\text{kg}}{s}$]

1. Woda gorąca:

${{\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{g}}\mathbf{= 1,09*\ x}}_{\mathbf{g}}$ - 4 = 1,09 * 600 – 4 = 0,18056 [ $\frac{\text{kg}}{s}$]

Obliczenie cieplnego natężenia przepływu dla wody zimnej:

${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{z}}$ = ${\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{z}}$c_p(T₁ – T₂) = 0,02204 * 4,178 * |−21| = 1933,9 [ $\frac{J}{s}$]

Obliczenie średniej logarytmicznej temperatur :

∆T_m = $\frac{\mathbf{T}_{\mathbf{1}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{\ln}\frac{\mathbf{}\mathbf{T}_{\mathbf{1}}}{\mathbf{}\mathbf{T}_{\mathbf{2}}}}$ = $\frac{\left( T_{1} - \ T_{4} \right) - \ (T_{2} - \ T_{3})}{\ln\frac{\left( T_{1} - \ T_{4} \right)}{(T_{2} - \ T_{3})}}$ = $\frac{22 - 40}{\ln\frac{22}{40}}$ = 30,1085 [K]

Obliczenie k_d dla wody zimnej ze wzoru Pecleta:

k_d = $\frac{\dot{\mathbf{Q}}}{\mathbf{A}_{\mathbf{m}\mathbf{*\ }\mathbf{T}\mathbf{\text{m\ }}\mathbf{\ }}}$ = $\frac{1,9339}{0,1621*30,1085}$ = 396,2 [ $\frac{W}{m^{2}*K}$]

1. Tabele z pomiarami i wynikami obliczeń

xg	xz	T1 [^oC]	T2 [^oC]	T3 [^oC]	T4 [^oC]	∆Tm [K]
600	100	62	59	19	40	30,1085
	200	61	59	21,5	34	31,9631
	300	60,5	58	22	31	32,6422
	400	61,5	58,5	22,5	30	33,6999
	500	60	56,5	22,5	29	32,4769

xg	xz	$${\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{g}}$$ [ $\frac{\mathbf{\text{kg}}}{\mathbf{s}}$]	$${\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{z}}$$ [ $\frac{\mathbf{\text{kg}}}{\mathbf{s}}$]	$\dot{\mathbf{Q}}$z [ $\frac{\mathbf{J}}{\mathbf{s}}$]	kd [ $\frac{\mathbf{W}}{\mathbf{m}^{\mathbf{2}}\mathbf{*K}}$]
600	100	0,1806	0,0220	1933,9	396,2
	200		0,0496	2600,3	501,9
	300		0,0772	2913,2	550,6
	400		0,1048	3295,2	603,2
	500		0,1324	3607,6	685,3

1. Wykres

Wykres zależności pomiędzy wyznaczonym współczynnikiem przenikania ciepła a strumieniem masy wody zimnej:

$${\dot{\mathbf{m}}}_{\mathbf{z}}\mathbf{\ \lbrack}\frac{\mathbf{\text{kg}}}{\mathbf{s}}\mathbf{\rbrack}$$

1. Wnioski

Pomiędzy masowym natężeniem przepływu a współczynnikiem przenikania ciepła istnieje zależność liniowa, co świadczy o wprost proporcjonalnej korelacji tych dwóch zmiennych.

Z przeprowadzonego doświadczenia można również wysnuć wniosek, iż wraz ze wzrostem burzliwości przepływu wzrasta również współczynnik przenikania ciepła.