Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest analiza efektywności pracy przeponowych wymienników ciepła o jednakowej wielkości powierzchni grzejnej: rurkowego i wężownicowego. Wyznaczenie rzeczywistych wartości współczynników wnikania oraz przenikania ciepła w badanych wymiennikach oraz oszacowanie wielkości strat ciepła do otoczenia. Dla badanych warunków wymiany ciepła należy obliczyć na podstawie zależności literaturowych wartości teoretyczne współczynników wnikania i przenikania ciepła oraz dokonać oceny ich zgodności z uzyskanymi wartościami doświadczalnymi.
Wprowadzenie
Wymiennik ciepła- to urządzenie, w którym następuje wymiana ciepła między dwoma czynnikami. Rozróżnia się:
-wymienniki przeponowe (rekuperatory),
-wymienniki bezprzeponowe,
-regeneratory ciepła.
Wnikanie ciepła jest to wymiana ciepła na granicy dwóch różnych ośrodków stykających się ze sobą,
np. między powierzchnią ciała stałego i czynnikiem ciekłym lub gazowym.
W wymiennikach przeponowych mamy do czynienia z wnikaniem ciepła do ścianki od strony nośnika ciepła przewodzeniem w ściance wymiennika oraz wnikaniem od ścianki do czynnika ogrzewanego. Proces ten nazywamy przenikaniem ciepła. Inne procesy, które mają miejsce w tym ćwiczeniu to straty ciepła na drodze promieniowania oraz wnikanie ciepła od ścianki płaszcza do otoczenia.
Nośników ciepła : wodę, ciecze organiczne, oleje mineralne, stopione sole, ciekłe metale, parę wodną nasyconą, parę wodną prze-grzaną oraz gazy spalinowe.
W badanych wymiennikach nośnikiem ciepła jest para wodna nasycona, a czynnikiem ogrzewanym woda. Para wodna doprowadzana do przestrzeni międzyrurkowej ulega kondensacji i oddaje przy tym w jednostce czasu ilość ciepła qk [W].
W pierwszej fazie ruchu ciepła następuje wnikanie ciepła od kondensującej pary do ścianki.
Drugą fazą ruchu ciepła jest jego przewodzenie przez ściankę.
W trzeciej fazie następuje wnikanie ciepła od powierzchni ścianki rury do przepływającego czynnika ogrzewanego (wody).
W warunkach ustalonego ruchu ciepła natężenie przepływu ciepła, które przenika przez przegrodę od ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej oblicza się z równania łączącego w sobie trzy równoczesne fazy ruchu ciepła.
q=K*A*ΔT
K - współczynnik przenikania ciepła [W/(m2·K)],
A - pole powierzchni, przez którą ciepło przenika [m2],
∆T - zastępcza różnica temperatur między ośrodkami wymieniającymi ciepło [K].
Aparatura
Wstęp teoretyczny napisany w oparciu o instrukcję do ćwiczenia.
Ciąg obliczeniowy
Wielkość powierzchni wymiany ciepła elementów grzejnych wymiennika:
Taka sama dla każdego z wymienników.
A=A'=Am
A=π*de*L
A=3,14*(0,2+0,14)/2*2,25=1,201 [m]
Strumień masy wody:
Taki sam dla każdego z wymienników.
W1=Wk*ρ
Wk=1,38*10-4 [m3/s]
ρ=997,9918 kg/m3
W1=Wk*ρ = 1,38*10-4 *997,9918 = 0,138 kg/s
Ilość ciepła, którą pobrała woda w jednostce czasu podczas przepływu przez wymiennik:
qw= W1*c*(T2-T1)
c - ciepło właściwe wody dla średniej temperatury wody ( 30oC) w wymienniku
c=4189,9 [J/(kg*K)]
qw= 0,138 *4189,9*(54,7-25,3)=16481,89 [J]
Ilość ciepła qp , którą oddała w jednostce czasu para:
Qp=Vk*ρk*r
Vk=(0,5*10-3)/τ
Dla wymiennika rurkowego
τ= 77,19 s
Vk=(0,5*10-3)/77,19=6,478*10-5 [m3/s]
ρk= 997,9918 kg/m3
r=2,27[MJ/kg]= 2,27*106 [J/kg]
Qp=Vk*ρk*r=6,478*10-5*997,9918*2,27*106 =146755,293 [J]
Dla wymiennika wężownicowego
τ= 74,41 s
Vk=(0,5*10-3)/74,41=6,720*10-6 [m3/s]
ρk= 997,9918 kg/m3
r=2,27[MJ/kg]= 2,27*106 [J/kg]
Qp=Vk*ρk*r=6,720*10-6*997,9918*2,27*106 =15222,695 [J]
Różnice temperatur na wlocie i wylocie wymienników:
Dla wymiennika rurkowego
∆T1=26,3-25,3=1
∆T2=56,4-54,7=1,7
Dla wymiennika wężownicowego
∆T1'=24-22,3=1,7
∆T2'=51,6-49=2,6
Zastępcza różnica temperatur:
Dla wymiennika rurkowego
∆Te=(1-1,7)/ln(1/1,7)=1,32
Dla wymiennika wężownicowego
∆Te=(1,7-2,6)/ln(1,7/2,6)=2,12
Doświadczalna wartość współczynnika przenikania ciepła:
K=qw/(Am*∆Te)
Dla wymiennika rurkowego
K=16481,89/(1,201*1,32)=10396,57 [W/m2*K]
Dla wymiennika wężownicowego
K=16481,89/(1,201*2,12)=6473,34 [W/m2*K]
Straty cieplne wyrażone przez różnicę dostarczanego i pobranego przez wodę ciepła:
Dla wymiennika rurkowego
qstr=Qp-qw
qstr=146755,293-16481,89=130273,403 [J]
Dla wymiennika wężownicowego
qstr=Qp-qw
qstr=15222,695 -16481,89=-1259,195 [J]
Tabele
Dla wymiennika rurkowego
W1 |
qp dla rurkowego |
qw |
∆T1 dla rurkowego |
∆T2 dla rurkowego |
∆Te dla rurkowego |
Am |
qstr |
K |
kg/s |
J |
J |
K |
K |
K |
m |
J |
W/m2*K |
0,138 |
146755,293 |
16481,89 |
1 |
1,7 |
1,32 |
1,201 |
130273,4 |
10396,57 |
Dla wymiennika wężownicowego
W1 |
qp dla wężownicowego |
qw |
∆T1 dla węż. |
∆T2 dla węż. |
∆Te dla węż. |
Am |
qstr |
K |
kg/s |
J |
J |
K |
K |
K |
m |
J |
W/m2*K |
0,138 |
15222,695 |
16481,89 |
1,7 |
2,6 |
2,12 |
1,201 |
-1259,2 |
6473,34 |
Wykres
Wnioski
Obliczenia są robione na podstawie jednego pomiaru strumienia objętościowego wody, który wynosił 500l/h. Ze względu na takie dane, wykres K=f(W1) jest wykresem punktowym, dla którego zmienia się tylko wartość współczynnika przenikania ciepła. Wnioskujemy z tego wykresu, że wymiennik rurkowy ma większy współczynnik przenikania ciepła niż wymiennik wężownicowy. Jest to powiązane z siłą napędową procesu, czyli różnicą temperatur. Zaobserwowałyśmy również, że wymiennik wężownicowy oddaje więcej ciepła niż pobiera, dlatego straty cieplne wyszły ujemne.