1. 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.

2. 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].

3. Aparatura

Wstęp teoretyczny napisany w oparciu o instrukcję do ćwiczenia.

4. Ciąg obliczeniowy

Wielkość powierzchni wymiany ciepła elementów grzejnych wymiennika:

Taka sama dla każdego z wymienników.

A=A'=A_m

A=π*d_e*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:

q_w= W₁*c*(T2-T1)

c - ciepło właściwe wody dla średniej temperatury wody ( 30^oC) w wymienniku

c=4189,9 [J/(kg*K)]

q_w= 0,138 *4189,9*(54,7-25,3)=16481,89 [J]

Ilość ciepła q_p , którą oddała w jednostce czasu para:

Q_p=V_k*ρ_k*r

V_k=(0,5*10^-3)/τ

Dla wymiennika rurkowego

τ= 77,19 s

V_k=(0,5*10^-3)/77,19=6,478*10^-5 [m³/s]

ρ_k= 997,9918 kg/m³

r=2,27[MJ/kg]= 2,27*10⁶ [J/kg]

Q_p=V_k*ρ_k*r=6,478*10^-5*997,9918*2,27*10⁶ =146755,293 [J]

Dla wymiennika wężownicowego

τ= 74,41 s

V_k=(0,5*10^-3)/74,41=6,720*10^-6 [m³/s]

ρ_k= 997,9918 kg/m³

r=2,27[MJ/kg]= 2,27*10⁶ [J/kg]

Q_p=V_k*ρ_k*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

∆T_e=(1-1,7)/ln(1/1,7)=1,32

Dla wymiennika wężownicowego

∆T_e=(1,7-2,6)/ln(1,7/2,6)=2,12

Doświadczalna wartość współczynnika przenikania ciepła:

K=q_w/(A_m*∆T_e)

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

q_str=Q_p-q_w

q_str=146755,293-16481,89=130273,403 [J]

Dla wymiennika wężownicowego

q_str=Q_p-q_w

q_str=15222,695 -16481,89=-1259,195 [J]

5. 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/m^2*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/m^2*K
0,138	15222,695	16481,89	1,7	2,6	2,12	1,201	-1259,2	6473,34

6. Wykres

7. 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.