Wydział Chemiczny

Wymiennik ciepła typu „rura w rurze”- wyznaczanie współczynnika

ciepła

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 2

TCC3055l

czwartek 8.15-11.00

Opracował:

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 04.04.2006

Stosowane oznaczenia:

				pole przekroju poprzecznego	m^2
				ciepło właściwe płynu	J/(kg·K)
				średnica	m
				natężenie przepływu	l/h
				współczynnik przenikania ciepła	W/(m^2·K)
				masowe natężenie przepływu	kg/h
				obwód zwilżany	m
				strumień cieplny	W
				temperatura	K
				prędkość liniowa cieczy	m/s
symbole greckie
				różnica wartości wielkości fizycznej
				lepkość dynamiczna	kg/(m·s)
				liczba pi	-
				gęstość cieczy w określonej temperaturze	kg/m^3
indeksy dolne
	1,2			dotyczy temperatury na wlocie do / wylocie z wymiennika
	c,z			dotyczy wody ciepłej / zimnej
	wew, zew			dotyczy średnicy wewnętrznej / zewnętrznej
	zast			dotyczy średnicy zastępczej
Nadpisania
	.			strumień wielkości	1/s
Liczby bezwymiarowe
Liczba Raynoldsa

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynników przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze.

2. Aparatura

Schemat instalacji badawczej przedstawiono na rysunku 1 w załączniku A.

Zasadniczym elementem stanowiska jest wymiennik ciepła typu „rura w rurze”. Powierzchnię grzejną wymiennika stanowi rura wewnętrzna o średnicy zewnętrznej d_z^w=35 mm, grubości ścianki s^w=1,5 mm, długości rury l^w=1,54 m. Średnica zewnętrzna rury zewnętrznej 2 d_z^z=50 mm, zaś grubość ścianki s^z= 3 mm. Rurą wewnętrzną przepływa gorąca woda, w przekroju pierścieniowym natomiast w przeciwprądzie woda zimna. Temperaturę wody gorącej na wlocie T₁ i wylocie T₂ oraz zimnej na wlocie T₃ i na wylocie T₄ mierzy się termometrami rtęciowymi, a regulacja i pomiary natężenia przepływów dokonywane są za pomocą zaworów i rotametrów oznaczonych jako RG dla wody gorącej i RZ dla wody zimnej, zainstalowanych na przewodach zasilających i wyskalowanych w l\h. Woda gorąca jest tłoczona pompą PZ przez rotametr RZ do pierścieniowej przestrzeni wymiennika ciepła.

3. Metodyka badań

Badania zostały wykonane zgodnie z metodyką zawartą w załączniku A.

4. Wyniki badań

Wyniki badań zostały zgromadzone w tabeli 1 w załączniku A.

5 Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1 Określenie charakteru przepływu wody ciepłej i zimnej w wymienniku:

a) masowe natężenie przepływu wody ciepłej wyznaczono z funkcji cechowania rotametrów:

= [kg/s]= 0,0443 [kg/s]

(1)

b) liniową prędkość przepływu wody ciepłej obliczono z przekształcenia wzoru na masowe natężenie przepływu:

(2)

c) liczbę Reynoldsa określającą charakter przepływu obliczono ze wzoru:

(2)

d) masowe natężenie przepływu wody zimnej wyznaczono z funkcji cechowania rotametrów:

(4)

e) liniową prędkość przepływu wody zimnej obliczono z przekształcenia wzoru na masowe natężenie przepływu:

(5)

f) średnicę zastępczą rury wody zimnej wyznaczono ze wzoru:

(6)

g) liczbę Reynoldsa dla wody zimnej, określającą charakter przepływu obliczono ze wzoru:

(7)

5.2 Obliczenia współczynnika przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze:

a) strumień cieplny obliczono ze wzoru:

(8)

b) powierzchnię wymiany ciepła obliczono ze średniej logarytmicznej powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej rury wewnętrznej:

(9)

c) różnicę temperatur ścianki wymiennika i płynu obliczono ze średniej logarytmicznej różnic temperatur ścianki rury i płynu na wlocie i wylocie z wymiennika:

(10)

d) doświadczalne wartości współczynników przenikania ciepła obliczono z przekształcenia wzoru Pecleta:

(11)

Tabela		1.	Wyniki obliczeń określenia charakteru przepływu wody ciepłej i zimnej w wymienniku
	Woda ciepła					Woda zimna
Lp.
1	159.5			0.05598	3665.2	129.039	0.06427	520.919
2	159.5			0.05598	3665.2	228.42	0.11375	945.733
3	159.5			0.05598	3665.2	377.49	0.18799	1563.256
4	159.5			0.05598	3665.2	476.87	0.23748	1974.441
5	562.8			0.19751	12919.076	129.039	0.06429	534.414
6	562.8			0.19751	12919.076	228.42	0.11383	946.028
7	562.8			0.19751	12919.076	377.49	0.18815	1563.365
8	562.8			0.19751	12919.076	476.87	0.23748	2178.976

Tabela		2.	Wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła w przeciwprądowym wymienniku ciepła typu rura w rurze
Lp.
1	1019.56			0.162	35.03	179.66
2	1297.62			0.162	35.98	222.62
3	1482.996			0.162	36.839	248.49
4	1482.996			0.162	37.178	246.23
5	2943.44			0.162	34.826	521.72
6	2616.395			0.162	37.87	426.47
7	3270.49			0.162	38.58	523.28
8	3270.49			0.162	38.13	529.46

6. Omówienie wyników, wnioski

6.1 Podstawy teoretyczne

Większości zjawisk przebiegających w przyrodzie towarzyszy ruch ciepła. Stanowi on również nieodzowny element wszystkich procesów realizowanych w przemyśle chemicznym. Wynika to z faktu, iż zarówno w procesach chemicznych, jak i wielu operacjach jednostkowych (takich jak suszenie, odparowywanie, destylacja, krystalizacja itp.) przeniesienie ciepła jest warunkiem koniecznym ich prawidłowego przebiegu. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki przenoszenie ciepła od jednego ciała do drugiego może przebiegać samorzutnie jedynie wtedy, gdy między tymi ciałami istnieje różnica temperatur. Świadome sterowanie procesem technologicznym wymaga jednakże nie tylko przeniesienia wymaganej ilości energii, ale także określonej ilości jej strumienia. Szybkość i oczekiwany przebieg wielu technologicznych czynności jednostkowych limitowane są bowiem szybkością dostarczania lub odbierania ciepła ze strefy procesu. Znajomość zagadnień transportu ciepła jest więc konieczna zarówno przy projektowaniu, jak i podczas realizacji procesów technologicznych.

Wymienniki ciepła są istotnym składnikiem aparatury przemysłu chemicznego gdyż większość reakcji chemicznych i procesów przebiega endotermicznie (konieczne jest doprowadzenie ciepła) lub egzotermicznie (konieczne jest odprowadzenie ciepła). Jako substancje ogrzewające stosuje się m.in.: gazy spalinowe, parę wodną, powietrze, ciecze wrzące w wysokich temperaturach. Natomiast substancjami chłodzącymi są zazwyczaj: powietrze i woda (chłodzenie do temperatury wyższej niż

0 ºC), roztwory różnych soli, pary amoniaku lub dwutlenku węgla (chłodzenie do niższych temperatur).

Ciepło jest to energia kinetyczna bezwładnego ruchu cząstek lub atomów ciała oraz energia potencjalna ich wzajemnych oddziaływań. Przenoszenie ciepła z jednego ośrodka do drugiego może odbywać się poprzez: ( przewodzenie, konwekcję, promieniowanie) W praktyce poszczególne rodzaje przenoszenia ciepła rzadko przebiegają oddzielnie. W większości przypadków występują one wspólnie i zachodzą jednocześnie.

W wymiennikach ciepła mamy do czynienia z konwekcją w której ciepło przekazywane jest mechanicznie w momencie zetknięcia czynników o różnej temperaturze. Przy ścianie rury wewnętrznej powstaje warstwa laminarna, w której konwekcja zanika. Ilość ciepła jaka przenika z rdzenia płynu przez warstwę laminarną do ściany rury wyznacza równanie Newtona:

gdzie:

Q - strumień cieplny, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem gradientu temperatury [W],

A - powierzchnia wymiany ciepła [m²]

T - różnica temperatur ścianki wymiennika i płynu [K]

α - współczynnik wnikania ciepła [W/m^2.K]

Wyrazem intensywności przekazywania ciepła jest współczynnik wnikania ciepła
, którego wielkość ustala się indywidualnie dla każdej wartości przepływu ciepła.

Ze względu na kierunek przepływu czynników wymienniki ciepła dzielimy na: współprądowe, przeciwprądowe i o prądzie mieszanym (krzyżowym).W doświadczeniu był stosowany przepływ przeciwprądowy. Zmiana temperatury czynników w wymienniku przeciwprądowym przedstawia rysunek 1:

	Oznaczenia stosowane na rysunku 1:
			czynnik ciepła / czynnik zimny
			zmiana powierzchni wymiany ciepła w czasie	m^2
			ujemna zmiana temperatury czynnika ciepłego w czasie, dodatnia zmiana temperatury czynnika zimnego w czasie	K
	F		powierzchnia wymiany ciepła	m^2
			długość powierzchni wymiany ciepła	m
			krzywe zmiany temperatury czynnika A i czynnika B	K
			temperatura czynników na wlocie	K
			temperatura czynników na wylocie	K
			średnia temperatur	K
			różnica temperatur czynników na wlocie i wylocie	K

Rysunek	1	Schemat przepływu ciepła w wymienniku przeciwprądowym.

6.2 Wyniki doświadczalne:

Wykres przedstawia zależność doświadczalną wyznaczonego współczynnika przenikania ciepła k_d od liczby Reynoldsa wody zimnej.

Wynika z niego, że dla przepływu laminarnego wraz ze wzrostem prędkości przepływu wody zimnej wzrasta współczynnik przenikania ciepła a co się z tym wiąże jednoznacznie rośnie również wielkość ciepła przeprowadzonego z płynu ciepłego do zimnego.

Analiza literatury prowadzi również do następujących wniosków, że: różnica temperatury zmniejsza się tu o wiele wolniej niż przy współprądzie. Zastosowanie przeciwprądu przy przenikaniu ciepło miedzy dwoma płynami pozwala wiec ogrzać płyn do temperatury wyższej lub ochłodzić do temperatury niższej niż można by osiągnąć przy współprądzie.

Należy zauważyć, że przy czwartej serii pomiarów nastąpił błąd odczytu lub błąd urządzenia gdyż czwarta wartość współczynnika przenikania ciepła widocznie odbiega od liniowego charakteru przedstawionej zależności.

Literatura:

[1] Technologia Chemiczna Jacek Molenda

[2] Technologia Chemiczna ćwiczenia laboratoryjne Andrzej Machocki

[3] Pikoń J., Aparatura chemiczna. 1981

-dt_A

+dt_B

Δt

dF

t_B1

t_B1

t_B2

t_B2

t_A2

t_A2

t_A1

t_A1

2

1

t_A

t_B

B

B

A

A

Δt₂

Δt₁

t

---