Wydział Chemiczny

Wymiennik ciepła typu „rura w rurze” - wyznaczanie współczynników wnikania i przenikania ciepła

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest eksperymentalne wyznaczenie współczynników przenikania ciepła w wymienniku ciepła typu „rura w rurze” dla dwóch różnych przepływów wody gorącej i odpowiadającym im rożnym warunkom przepływu wody zimnej.

2. 
   Schemat układu pomiarowego

1 - rura wewnętrzna

2 - rura zewnętrzna

3 - podgrzewacz elektryczny wody gorącej

4 - chłodnica wody zimnej

PG, PZ - pompy obiegowe wody gorącej i zimnej

RG, RZ - rotametry wody gorącej i zimnej

T1, T2, T3, T4 - termometry rtęciowe do pomiaru

temperatur wlotowych i wylotowych wody

ZW - zawór odcinający dopływ wody

wodociągowej do chłodnicy

3. Opracowanie wyników i przykłady obliczeniowe

3.1. Obliczenie masowego natężenia przepływu dla:

a). rotametru z wodą gorącą:

[kg/s]

b). rotametru z wodą zimną:

[kg/s]

wg. wzorów z wykresu:

3.2. Obliczenie cieplnego natężenia przepływu dla wody gorącej:

[J/s]

3.3. Obliczenie k_d dla wody gorącej ze wzoru Peceta:

[K]

[K]

[K]

∆T_m - średnia logarytmiczna temperatury

A_m - średnia powierzchnia wymiany ciepła, równa 0,1621 m²

k_d - współczynnik przenikania ciepła

3.4. Obliczenie współczynników wnikania ciepła dla wody gorącej α_g i zimnej α_z:

[m/s]
[m/s]

3.5. Obliczenie 1/k_teoret. wg. wzoru:

stąd :

gdzie:

α_g - współczynnik wnikania ciepła dla wody gorącej

α_z - współczynnik wnikania ciepła dla wody zimnej

s - grubość ścianki, równa 4,5 mm = 4,5 · 10^-3 m (1,5 mm + 3 mm)

λ - współczynnik przewodzenia dla mosiądzu, równy 100 W/m·K

4. Tabele z wynikami

T1	T2	T3	T4	V1(g)	V2(z)	m1(g)	m2(z)
342,15	337,35	293,65	304,65	200	200	0,0594	0,0496
343,15	337,15	294,65	301,15			300	0,0594	0,0773
344,25	338,15	295,15	303,15			400	0,0594	0,1049
344,35	339,65	293,65	307,15		300	200	0,0897	0,0496
344,65	339,65	295,15	304,15			300	0,0897	0,0773
344,65	339,15	295,15	303,15			400	0,0897	0,1049

ΔT1	ΔT2	ΔTm	Q1(g)	kd	αg	αz
37,50	43,70	40,521	1198,4000	182,4479	142,4546	114,8474
42,00	42,50	42,250	1498,0000	218,7294			163,5826
41,10	43,00	42,043	1522,9667	223,4680			208,8760
37,20	46,00	41,444	1771,1167	263,6321		198,0193	114,8474
40,50	44,50	42,469	1884,1667	273,6959			163,5826
41,50	44,00	42,738	2072,5833	299,1691			208,8760

Reg	Rez	Pr	Nug	Nuz	1/kteoret.	kteoret.
12,83501	15,31368	0,042	0,049859	0,057424	0,016177	61,81621
12,83501	23,82866	0,042	0,049859	0,081791	0,013583	73,62199
12,83501	32,34363	0,042	0,049859	0,104438	0,012257	81,58398
19,37247	15,31368	0,042	0,069307	0,057424	0,014207	70,38675
19,37247	23,82866	0,042	0,069307	0,081791	0,011613	86,10942
19,37247	32,34363	0,042	0,069307	0,104438	0,010288	97,20495

T_1,2,3,4 - pomiary temperatur wlotowych i wylotowych wody [K]

V_1,2 - objętościowe natężenie przepływu wody gorącej/zimnej [l/h]

m_1,2 - masowe natężenie przepływu wody gorącej/zimnej [kg/s]

ΔT_1,2 - różnice temperatur na wlocie i wylocie wymiennika (ΔT₁=T1-T₄, ΔT₂=T2-T₃)

Q_1,2 - strumień cieplny dla wody gorącej/zimnej [J/s]

k_d - doświadczalna wartość współczynnika przenikania ciepła

α_g - współczynnik wnikania ciepła dla wody gorącej

α_z - współczynnik wnikania ciepła dla wody zimnej

k_teoret. - teoretyczna wartość współczynnika przenikania ciepła

Re_g - wartość liczby Reynoldsa dla wody gorącej

Re_z - wartość liczby Reynoldsa dla wody zimnej

Pr - liczba Prandtla

Nu_g - wartość liczby Nusselta dla wody gorącej

Nu_z - wartość liczby Nusselta dla wody zimnej

6. Wnioski

W wyniku przeprowadzonego doświadczenia oraz obliczeń dokonanych na podstawie danych doświadczalnych, można zauważyć wyraźną zależność miedzy strumieniem cieplnym wody gorącej Q a współczynnikiem przenikania ciepła k_d. Z wykresu widać, że zależność ta jest praktycznie liniowa. W ogólnym przybliżeniu można stwierdzić, iż wraz ze wzrostem cieplnego natężenia przepływu wody wzrasta wartość współczynnika przenikania, tzn. że k_d jest wprost proporcjonalny do Q.

Porównując k_d oraz k_teoret. możemy zaobserwować, że przy każdym pomiarze, doświadczalna wartość współczynnika przenikania ciepła jest prawie dokładnie 3 razy wyższa od policzonej teoretycznej.

---