I. Cel ćwiczenia:
Zapoznanie się z budową i zasadą działania instalacji przemysłowego wymiennika ciepła (płytowego)
Wykonanie 3 serii pomiarów dla 3 równych warunków wymiany ciepła (różne strumienie masowe produktu) - obliczenie współczynników regeneracji ciepła.
Wykonanie dwóch zadań obliczeniowych:
II. Schemat instalacji płytowego wymiennika ciepła (załącznik) oraz opis budowy i zasady działania.
Wymiennik płytowy badany na ćwiczeniach zbudowany jest z pakietu stalowych płyt odpowiednio tłoczonych. Płyty składają się analogicznie do tych z prasy filtracyjnej. Pomiędzy poszczególnymi płytami dzięki uszczelkom a także w celu zapewnienia przepływu istnieje szczelina o grubości 3,5 do 6 mm. Wytłoczenia na płycie wywołują zaburzenia w przepływie cieczy co zmniejsza podwarstwę laminarną i umożliwia lepsze przenikanie ciepła. Na czterech narożach płyty znajdują się otwory. Odpowiedni układ uszczelek sprawia, że dwa z nich - jeden u góry, drugi u dołu służą jako wlot i wylot czynnika do danej przestrzeni międzypłytowej, a dwa inne są połączone z następną przestrzenią międzypłytową i służą jako wlot i wylot drugiego czynnika. Dzięki możliwości zestawienia wielu płyt można zestawić wymiennik o powierzchni wymiany do kilkudziesięciu m2 Nasz pasteryzator zbudowany był z niewielkich płyt ze stali kwasoodpornej. Producentem była firma Spomasz. Grubość płyt ze stali kwasoodpornej w większości wymienników waha się w granicach 0,7-1,5 mm.
Pasteryzator płytowy badany na ćwiczeniach to popularna nazwa urządzenia do pasteryzacji produktów w przepływie z zastosowaniem płytowego wymiennika ciepła. W pasteryzatorze zespoły płyt zostały złożone w sekcje spełniające różne funkcje w ramach procesu wymiany ciepła to jest: sekcję regeneracji (wymiany) ciepła, sekcję właściwej pasteryzacji (dogrzewania), sekcja przetrzymywania oraz sekcję chłodzenia.
Woda, która w badanym urządzeniu była czynnikiem grzejnym, ulegała podgrzaniu w podgrzewaczu ustawionym pod kątem (aby wykorzystać zjawisko naturalnej konwekcji). Woda w podgrzewaczu ogrzewana jest 5 grzałkami elektrycznymi o mocy ok. 3 kW każda.
Urządzenie zaopatrzone jest ponadto w przytrzymywacz rurowy, który umożliwia odpowiednio długi czas oddziaływania temperatury pasteryzacji na produkt (w konsekwencji odpowiedni efekt dawki ciepła na mikroflorę). Ponadto zainstalowany jest zbiornik wyrównawczy umożliwiający odbiór nadmiaru gorącej wody z obiegu (woda będąc ogrzewana zwiększa swoją objętość stąd ten element jest niezbędny). Aby zapewnić ciągłość przepływu wody chłodzącej i wody gorącej w urządzeniu zainstalowane są 2 pompy. Zbiornik surowca jest zaopatrzony w pływak który unosi się wraz z lustrem cieczy i odcina dopływ wody zasilającej.
W warunkach laboratoryjnych cieczą pasteryzowaną i chłodzącą jest woda wodociągowa. Płyty pasteryzatora są zabezpieczone płytami dociskowymi.
Strumień przepływający w układzie (strumień objętościowy) regulowany jest zaworem znajdującym się na rurociągu. Poszczególne sekcje rozdzielone są płytami działowymi. Poszczególne czynniki doprowadzane i odprowadzane są z płyt działowych. Produkt trafia najpierw do sekcji regeneracji ciepła gdzie następuje odzysk ciepła polegający na tym że gorący produkt po pasteryzacji ogrzewa produkt nie spasteryzowany (przed wejściem do właściwej sekcji pasteryzacji). W ten sposób odzyskujemy część ciepła. W sekcji dogrzewania (zwanej też sekcją pasteryzacji) produkt ogrzewany jest kosztem ciepła gorącej wody do temperatury pasteryzacji. Następnie po uzyskaniu temp. pasteryzacji przebywa kilka, kilkanaście sekund w przytrzymywaczu rurowym. Po wyjściu z niego produkt przechodzi do sekcji regeneracji, gdzie oddaje część swojego ciepła produktowi jeszcze nie spasteryzowanemu. W sekcji chłodzenia spasteryzowany produkt jest chłodzony zimną wodą.
Ogólna zasada zastosowana w wymienniku płytowym mówi, że każdy strumień czynnika ogrzewanego musi być dwustronnie omywany przez strumienie ogrzewające.
III. Zestawienie otrzymanych wyników i obliczenia.
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t1 |
temp. produktu przed wejściem do przetrzymywacza (po pasteryzacji) |
65 |
60,5 |
58 |
Pomiar 2 |
|
|
64 |
60 |
58 |
Pomiar 3 |
|
|
63 |
60 |
58 |
Średnia |
|
|
64 |
60 |
58 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t2 |
temp. produktu przed wejściem do sekcji regeneracji |
15,5 |
13 |
12 |
Pomiar 2 |
|
|
15,5 |
13 |
12 |
Pomiar 3 |
|
|
15 |
13 |
12 |
Średnia |
|
|
15,3 |
13 |
12 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t3 |
temp. produktu po wyjściu z sekcji regeneracji (przed pasteryzacją) |
53 |
50 |
49 |
Pomiar 2 |
|
|
53 |
50 |
48 |
Pomiar 3 |
|
|
53 |
50 |
48 |
Średnia |
|
|
53 |
50 |
48 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t4 |
temp. produktu po wyjściu z sekcji regeneracji (przed wejściem do s. Chłodzenia) |
24 |
22 |
22 |
Pomiar 2 |
|
|
24 |
22 |
22 |
Pomiar 3 |
|
|
24 |
22 |
22 |
Średnia |
|
|
24 |
22 |
22 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t5 |
temp. produktu po wyjściu z sekcji chłodzenia |
18 |
20 |
20,5 |
Pomiar 2 |
|
|
18 |
20 |
20,5 |
Pomiar 3 |
|
|
18 |
20 |
20,5 |
Średnia |
|
|
18 |
20 |
20,5 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t6 |
temp. wody przed wejściem do sekcji pasteryzacji |
68 |
64 |
63 |
Pomiar 2 |
|
|
67 |
65 |
63 |
Pomiar 3 |
|
|
67 |
65 |
63 |
Średnia |
|
|
67,3 |
64,7 |
63 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t7 |
wylot gorącej wody z sekcji pasteryzacji |
63 |
58 |
55,5 |
Pomiar 2 |
|
|
62 |
58 |
56 |
Pomiar 3 |
|
|
61,5 |
59 |
56 |
Średnia |
|
|
62,2 |
58 |
55,8 |
|
Nr termometru |
Opis |
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
Pomiar 1 |
t8 |
temp wody zimnej na wyjściu |
17 |
18 |
19 |
Pomiar 2 |
|
|
17 |
18 |
19 |
Pomiar 3 |
|
|
17 |
18 |
19 |
Średnia |
|
|
17 |
18 |
19 |
Obliczenie strumienia masowego produktu
Obliczeń wykonano za pomocą formuł Excela - wiedząc, że strumień objętościowy V = V / τ (V - objętość cylindra - 2l, czyli 0,002 m3; τ - czas napełnienia się cylindra [s]; a M = V * ρ (M - strumień masowy [kg/s]; ρ - gęstość płynu, tu: 1000kg/m3).
Pomiar strumienia masowego produktu |
||||||
|
czas napełnienia 2l cylindra [s] |
|
||||
|
I pomiar |
II pomiar |
III pomiar |
średnia [s] |
V [m3/s] |
M [kg/s] |
I przepływ |
57,56 |
58,16 |
57,83 |
57,85 |
0,000035 |
0,035 |
II przepływ |
18,76 |
19,11 |
19,16 |
19,01 |
0,000105 |
0,105 |
III przepływ |
12,56 |
12,46 |
12,86 |
12,63 |
0,000158 |
0,158 |
Obliczenie współczynnika regeneracji ciepła
R = 
* 100%, gdzie: t1 - temperatura produktu po pasteryzacji (przed wejściem do przytrzymywacza); t2 - temp. produktu przed wejściem do sekcji regeneracji; t3 - temp. produktu po wyjściu z sekcji regeneracji (przed sekcją pasteryzacji) - wszystkie temp w [°C].
Współczynnik regeneracji R |
||
R = [(t3 - t2) /( t1 - t2)] * 100% |
||
I strumień masowy |
II strumień masowy |
III strumień masowy |
77,4% |
78,4% |
79,0% |
Obliczenia:
dla I strumienia masowego:
RI = [(53 - 15,3) / (64 - 15,3)] * 100% = 77,4%
dla II strumienia masowego:
RII = [(50 - 13) / (60 - 13)] * 100% = 78,4%
dla II strumienia masowego (maksymalnego):
RII = [(48 - 12) / (58 - 12)] * 100% = 79,0%
IV. Zadania.
ZADANIE I
Obliczyć oszczędność energii i oszczędność paliwa jeśli uzyskany uzyskany współczynnik regeneracji ciepła R wzrósł o 10% w stosunku do współczynnika regenaracji ciepła odpowiadającego parametrom max. strumienia masowego, badany wymiennik ciepła pracuje w zakładzie przez 300 dni w roku 8 godzin dziennie, do obliczeń przyjąć uzyskany maksymalny strumień masowy Mmax; do wytworzenia energii cieplnej wykorzystuje się olej opałowy lekki o wartości opałowej 40000kJ/kg, sprawność kotła - 80%.
ZADANIE II
Obliczyć, o ile zmniejszy się emisja CO2 [kg CO2/rok], przy wyżej wymienionych założeniach.
ZADANIE I
Dane:
Mmax = 0,158 kg/s
R = 79,0%
R' = 1,1R = 1,1 * 79,0% = 86,9%
η = 0,80
Przeliczenie jednostek z [sek] na skalę [rok] - w 1 min. 60 sek. , w 1 h - 60 min., urządzenie pracuje 8 godzin dziennie przez 300 dni w roku, stąd jednostki z sek. w mianowniku należy pomnożyć przez - 60 · 60 · 8 · 300 = 8 640 000 = 8,64 · 106
Obliczenie ilości ciepła dostarczonego
Qd = M · cw · (t1 - t2), gdzie: M - strumień masowy produktu, cw - ciepło właściwe wody [4,19 kJ/kg]; t1 - temperatura produktu tuż po pasteryzacji, t2 - temperatura produktu nie spasteryzowanego na wejściu do sekcji regeneracji
Qd = 0,158 · 4,19 · (58 - 12) = 30,45 kJ/s
dla R (R - współczynnik regeneracji dla maks. strumienia masowego produktu)
R = 
=> Qr = R · Qd
Qr = 0,790 · 30,45 = 24,06 kJ/s
W ciągu roku uzyskujemy Qr = 24,06 · 8640000 = 207 839 520 kJ/rok = 207 839,52 MJ/rok
dla R'
Qr = 0,869 · 30,45 = 26,46 kJ/s
W ciągu roku uzyskujemy Qr' = 26,46 · 8640000 = 228 645 396 kJ/rok = 228 645,40 MJ/rok
Obliczenie, ile oleju opałowego lekkiego zostałoby zużyte na uzyskanie ciepła odzyskiwanego w procesie regenaracji.
a) dla R
Qr = P · W · η => P = 
; W - wartość opałowa paliwa [kJ/kg], η - sprawność kotła [-]
P = 24,06 /( 40 000 · 0,8) = 7,52 · 10-4 kg oleju opałowego/s
Ilość oleju opałowego zaoszczędzonego dzięki regeneracji w ciągu roku
P = 7,52 · 10-4 · 8 640 000 = 6496 kg/rok = 6,5 t oleju opałowego/rok
Ilość energii uzyskanej podczas spalenia obliczonej ilości zaoszczędzonego oleju opałowego
E = P · W => E = 7,52 · 10-4 · 40 000 = 30,08 kJ/s = 30,08 * 8 640 000 = 259 848 000kJ/rok = 259 848 MJ/rok
b) dla R'
Qr' = P' · W · η => P = 
; W - wartość opałowa paliwa [kJ/kg], η - sprawność kotła [-]
P' = 26,46 /( 40 000 · 0,8) = 8,23 · 10-4 kg oleju opałowego/s
Ilość oleju opałowego zaoszczędzonego dzięki regeneracji w ciągu roku
P' = 8,23 · 10-4 · 8 640 000 = 7144 kg/rok = 7,1t oleju opałowego/rok
Ilość energii uzyskanej podczas spalenia obliczonej ilości zaoszczędzonego oleju opałowego
E' = P' · W => E' = 8,23· 10-4 · 40 000 = 32,92 kJ/s = 32,92 * 8 640 000 = 284 428 800kJ/rok = 284 428,8 MJ/rok
Obliczenie oszczędności paliwa
P' - P = 7144 - 6496 = 648kg/rok = 0,65 t oleju opałowego/rok
Obliczenie oszczędności energii
E' - E = 284 428,8 - 259 848,0 = 24 580,8 MJ/rok
Odpowiedź: Oszczędność energii wynosi 24 580,8 MJ/rok, paliwa - 0,65 t oleju opałowego/ rok.
ZADANIE II
e = 0,26 kg CO2/ kWh (olej opałowy lekki)
Obliczenie emisji CO2/rok dla
dla R
ECO2 = (E * eCO2) / 3600, gdzie E - emisja CO2 [kg/rok]; E - energia uzyskana w wyniku spalenia zaoszczędzonej dzięki regeneracji ilości oleju opałowego [kg/rok - z zad. I]; e - emisja CO2 [kg/ 1kWh]; 3600 - gdyż 1 kWh = 3600 kJ
E CO2 = (259 848 000 * 0,26) / 3600 = 18766,80 kg CO2/rok
dla R'
E'CO2 = (E' * eCO2) / 3600 - analogicznie jw.
E `CO2 = (284 428 800 * 0,26) / 3600 = 20542,08 kg CO2/rok
Obliczenie o ile zmniejszy się emisja CO2 (w skali roku).
E' - E = 20542,08 - 18766,80 = 1775,28 kg = 1,78t CO2/rok
Odpowiedź: przy zwiększeniu współczynnika regeneracji ciepła o 10% emisja CO2 zmniejszy się o 1,78t w skali roku
V. Wnioski
Wymienniki płytowe ciepła, szeroko rozpowszechnione w przemyśle mleczarskim i owocowo - warzywnym, mają wiele zalet z których najważniejszymi są : duże współczynniki przenikania ciepła, modułowość - możliwość bardzo łatwego składania i rozbierania oraz łatwość czyszczenia. Ponadto łatwo dostosować je do zmiennych warunków pracy. Oprócz zalet do głównych wad należą duży opór przepływu (strumień jest dzielony na cienkie warstwy) oraz mała odporność uszczelek gumowych na wysoką temperaturę.
Współczynnik regeneracji (odzysku) ciepła to stosunek ilości ciepła oddanego przez gorący produkt do całej ilości ciepła niezbędnej do ogrzania produktu od temperatury początkowej do temperatury pasteryzacji.
1. Z danych empirycznych, uzyskanych podczas serii pomiarów, wynika, że współczynnik regeneracji ciepła wzrasta wraz ze wzrostem wielkości strumienia masowego produktu. Wiąże się to ze wzrostem prędkości przepływu produktu (zarówno ogrzewanego, jak nie ogrzewanego) następuje polepszenie warunków wymiany ciepła - maleje m.in. grubość warstwy podlaminarnej wraz ze wzrostem burzliwości ruchu płynu.
2. Ponadto na podstawie wyniesionej z kursu inżynierii procesowej wiedzy teoretycznej stwierdzamy, że współczynnik regeneracji ciepła wzrastałby również wtedy, gdy wzrastałaby różnica temperatur pomiędzy temperaturą produktu ogrzewanego w sekcji regeneracji a temperaturą produktu spasteryzowanego.
3. Istotną rolę odgrywa również wzrost wielkości powierzchni wymiany ciepła (zwiększenie liczby płyt). Im bardziej rozbudowana (a więc o większej powierzchni) sekcja regeneracji, tym lepsze warunki wymiany ciepła pomiędzy produktem wstępnie ogrzewanym a produktem spasteryzowanym oddającym ciepło w sekcji wymiany.
Wartość współczynnika regeneracji ciepła związana jest z właściwościami fizykochemicznymi produktu - głównie z jego lepkością. W przypadku płynów o lepkości niższej od wody uzyskalibyśmy lepsze warunki wymiany ciepła w sekcji regeneracji.
Uzyskane w zadaniach informacje świadczą o tym, że modernizacja instalacji wymiennika płytowego w celu podniesienia współczynnika regeneracji ciepła (o 10%) przynosi pozytywne wymierne skutki ekonomiczne: w naszym przypadku oszczędność oleju opałowego stosowanego do wytworzenia pary wodnej w kotłach - 0,65 t/rok, oszczędność energii - aż 24 580,8 MJ/rok, ponadto przynosi to pozytywne skutki związane z ochroną środowiska - zmniejszenie emisji CO2 o 1,78t/rok. Ponadto uzyskać można znaczną oszczędność wody zimnej w sekcji chłodzenia (gdyż po wyjściu z sekcji regeneracji produkt oddał już znaczną część ciepła). Tak więc maleją koszty eksploatacyjne wymiennika, ale - z drugiej strony, aby zachowane zostały odpowiednie warunki wymiany ciepła, wzrastać musi powierzchnia wymiany ciepła - a więc ilość płyt, czyli cena instalacji wymiennika - rosną zatem koszty inwestycyjne. Zazwyczaj przy projektowaniu zakładów czy modernizacjach linii dąży się do osiągnięcia stanu optimum między kosztami inwestycyjnymi a eksploatacyjnymi (w oparciu o analizę ekonomiczną kosztów na wykresie).
Wyszukiwarka