1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania wymienników ciepła oraz przeprowadzenie badań mających na celu określenie parametrów wymiennika ciepła.

2. Wiadomości wstępne i podstawy teoretyczne:

Badanie wymiennika ciepła to głównie określenie jego mocy cieplnej przy danych strumieniach masy płynów przekazujących ciepło i istniejących w tych warunkach rozkładów temperatury pomiędzy ośrodkami, które ciepło to przekazują. Na podstawie wyników pomiarów można uzyskać również dodatkowe informacje dotyczące:

● prędkości i oporów przepływu płynów przekazujących ciepło,

● współczynnika przenikania ciepła i różnicy temperatury na wlocie i wylocie z aparatu,

● współczynników wydajności cieplnej.

Ze względu na sposób i kierunki przepływu czynników termodynamicznych, wymienniki ciepła można podzielić na trzy grupy:

Pierwsza grupa obejmuje tzw. regeneratory ciepła, pracujące zwykle w sposób okresowy, w których sama ruch ciepła ma charakter nieustalony. W aparatach tego typu ciepło przekazywane jest za pośrednictwem, okresowo nagrzewanego przez płyn grzejny i ochładzanego przez płyn ogrzewany, wsadu, stanowiącego wypełnienie wewnętrzne aparatu.

Druga grupa to tzw. bezprzeponowe wymienniki ciepła, w których ruch ciepła odbywa się na zasadzie bezpośredniego kontaktu płynu oddającego i pobierającego ciepło.

Trzecia grupa, najbardziej rozpowszechniona w praktyce, to grupa aparatów do przepływu ciepła określana mianem tzw. rekuperatorów , w których substancje przekazujące ciepło są oddzielone przegrodą (ścianą) i dzięki temu nie stykają się bezpośrednio z sobą i nie mieszają się. Przepływ ciepła w tego typu aparacie odbywa się na drodze przenikania. Taki właśnie rodzaj wymiennika ciepła jest przedmiotem badań w niniejszym ćwiczeniu.

Klasyfikując wymienniki ciepła (rekuperatory) pod względem kierunków przepływu płynów przekazujących ciepło, można wyróżnić trzy główne układy przedstawione schematyczniena rys. 1. a) współprądowym, b) przeciwprądowym, c) krzyżowym (mieszanym).

Powierzchnie przegrody za pośrednictwem której przekazywane jest ciepło pomiędzy płynami może mieć kształt cylindryczny lub płaski. W odniesieniu do rekuperatorów o cylindrycznej przegrodzie rozdzielającej płyny, najczęściej stosowane są w praktyce tzw. wymienniki płaszczoworurowe. Wymienniki ciepła o przegrodach płaskich, najczęściej wykonane są natomiast jako tzw. wymienniki płytowe. Płynami przekazującymi ciepło mogą być: dwie ciecze, ciecz i gaz, dwa gazy, czynnik zmieniający stan skupienia i gaz, płyn zmieniający stan skupienia i ciecz.

Przedstawionym na rys. 1, charakterystycznym układom przepływów, towarzyszą odpowiednie rozkłady temperatur wzdłuż przegrody oddzielającej przepływające substancje. Rozkłady te, dla przypadku przepływu, współprądowego przedstawiono na rys. 2.

Z zależności tej wynika, że zmiana temperatury każdego z płynów jest odwrotnie proporcjonalna do jego pojemności cieplnej W = mc, czyli płyn o większej pojemności cieplnej dozna mniejszej zmiany temperatury i na odwrót.

Przenikanie ciepła odbywa się przy zmiennej temperaturze płynów po obu stronach przegrody. Rozwiązanie konstrukcyjne rekuperatora, zapewniające przepływ płynu gorącego wewnątrz rury, a płynu zimnego w przestrzeni międzyrurowej (pomiędzy płaszczem zewnętrznym a rurą wewnętrzną), wpływa między innymi na zmniejszenie strat ciepła od zewnętrznej powierzchni płaszcza do otoczenia. Wartość tych strat można również ograniczyć poprzez stosowanie zewnętrznej izolacji ciepłochłonnej.

Szczegółowe badania pracy rekuperatorów, oprócz pomiarów cieplnych, mogą obejmować również pomiary hydrauliki przepływu płynów przez obie przestrzenie aparatu; rurową i międzyrurową. Na podstawie tych pomiarów ustala się tzw. charakterystyki hydrauliczne rekuperatora, pozwalające na ocenę wartości oporów przepływu płynów przez rekuperator, a tym samym na określenie zapotrzebowania na energię zużywaną do ich tłoczenia. Znajomość charakterystyk cieplnych i hydraulicznych rekuperatora pozwala na ustalenie wskaźników pracy aparatu niezbędnych dla ekonomicznej oceny ich pracy. Jednym z tych wskaźników jest stosunek mocy cieplnej rekuperatora do zapotrzebowania mocy pomp zasilających aparat. Duża wartość tego wskażnika wskazuje na efektywną pracę rekuperatora.

Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys.4. Głównym elementem stanowiska badawczego jest płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła, który składa się z pokrytej izolacją ciepłochronną zewnętrznej rury z PVC (tzw. płaszcza ) ø35x4 mm oraz miedzianej wewnętrznej rury ø26x1 mm . Ścianka rury miedzianej stanowi przeponę wymiennika, przez którą przepływa wymienne ciepło.

Powierzchnia przepływu ciepła wynosi F_o = 2 πrl= 2 × π × 0,0135× 1,0 = 0,0848 m² . Pole przekroju poprzecznego przestrzeni międzyrurowej 3,8936 × 10^-4 m² . Płyn „gorący” (gorąca woda), przepływa wewnętrzną rurą miedzianą, ogrzewając zimną wodę płynącą równolegle do osi wymiennika w przestrzeni międzi-rurowej. ąąą

3. Schemat stanowiska pomiarowego:

4. Tabela pomiarowa:

Lp.	Vg	mg	Vz	mz	T'g	T''g	T'z	T''z	Qg	Qz	Qstr.
		l/h	kg/s	l/h	kg/s	ºC	ºC	şC	şC	kW	kW	kW
1	250	0,07	250	0,07	59,5	46	14,5	24	3,96	2,78	1,18
2	250	0,07	170	0,05	54,5	45	14,4	25,7	2,78	2,37	0,41
3	250	0,07	100	0,03	47,5	42	14,5	26,9	1,61	1,56	0,05
4	250	0,07	50	0,01	46,5	43,5	16,6	28	0,88	0,48	0,40
5	250	0,07	30	0,01	45,5	44	24,5	29,7	0,44	0,22	0,22
6	60	0,02	80	0,02	44,5	35,5	14,1	26,4	0,75	1,03	-0,28
7	120	0,03	80	0,02	44,5	40,5	14,2	26,7	0,50	1,05	-0,55
8	180	0,05	80	0,02	44,5	40,5	14,4	27	0,84	1,06	-0,22
9	240	0,07	80	0,02	44,	40,5	14,4	28,1	1,03	1,15	-0,12

5. Przykładowe obliczenia.

II 3.

m_{g lub z}= V_{g lub z} * ρ [l/h * kg/h]= [kg/h]

m_g = (250 * 998)/(1000*3600)= 0,07 [kg/s]

m_z = (250 * 998)/(1000*3600)= 0,07 [kg/s]

Q_g = m_g * c ( T'_g - T''_g ) [kg/s * kJ/kgK * K]= [kW]

Q_g = 0,07 * 4,1868 (322,5 - 319) = 3,96 [kW]

Q_z = m_z * c (T''_z - T'_z) [kg/s * kJ/kgK * k]= [kW]

Q_z = 0,07 * 4,1868 (297 - 287,5) = 2,78 [kW]

---