INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA

ZAKŁAD HYDROLOGII I GEOLOGII STOSOWANEJ

Laboratorium z termodynamiki technicznej

ĆWICZENIE NR 2

BADANIE WYMIENNIKA CIEPŁA

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest badanie i określenie parametrów wymiennika ciepła rura w rurze.

1.

Zakres wymaganych wiadomości

•

Rodzaje wymienników ciepła i rozkłady temperatur,

•

Ś

rednia różnica temperatur,

•

Przejmowanie, przewodzenie i przenikanie ciepła.

2.

Część teoretyczna

Wymienniki ciepła są to urządzenia służące do przenoszenia ciepła od jednego czynnika

termodynamicznego do drugiego. Biorąc pod uwagę sposób działania aparatów do wymiany ciepła

można je podzielić na następujące grupy:

Rekuperatory albo wymienniki ciepła przeponowe

Czynniki oddający i odbierający ciepło płyną w sposób ciągły po obu stronach ściany. Ciepło

przechodzi od czynnika o temperaturze wyższej do czynnika o temperaturze niższej. Najczęściej

odbywa się to w sposób ustalony – temperatury są wtedy ustalone i nie zmienne w czasie.

Regeneratory

W aparatach tego typu nie ma przepony oddzielającej oba czynniki. Ich przepływ odbywa się na

zmianę. Raz gaz grzejący oddaje swoje ciepło masie wypełnienia magazynując w nim ciepło. Inaczej,

gdy gaz jest ogrzewany i odbiera ciepło nagromadzone w poprzednim okresie. Ruch ciepła odbywa się

tutaj w sposób nieustalony – temperatura zmienia się w czasie.

Wymienniki ciepła bezprzeponowe mokre

W aparatach tego typu wymiana ciepła odbywa się pomiędzy jednym czynnikiem w fazie gazowej a

drugim w fazie ciekłej. Nie występuje tutaj przepona oddzielająca obie fazy. Kontakt obu faz jest

zapewniony w taki sposób że ciecz spływa po wypełnieniu (w skruberach), a gaz przepływa przez

wolne przestrzenie pomiędzy wypełnieniem. Wymiana ciepła pomiędzy cieczą a gazem odbywa się na

powierzchni warstewki cieczy spływającej po powierzchni wypełnienia. Ciepło jest wymieniane tutaj

przez wnikanie i przez równoczesną dyfuzję masy niosącej swoją entalpię ku powierzchni. Ruch

ciepła i masy może odbywać się także od cieczy do gazu, lub kierunki ruchu ciepła przez wnikanie i

ruchu masy mogą być odwrotne.

W procesie wymiany ciepła w wymiennikach biorą udział co najmniej dwa czynniki. Wymienniki

ciepła z dwoma czynnikami są najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami. Istnieje wiele

rozwiązań konstrukcyjnych wymienników ciepła. Jedną z najprostszych konstrukcji są wymienniki

typu „rura w rurze”. Tego typu wymienniki będą przedmiotem badań laboratoryjnych w ramach

ć

wiczenia. Dla istniejącego typu wymiennika można zadawać dwa różne schematy przepływu:

przepływ współprądowy czynników i przepływ przeciwprądowy, rys. 1. Wadą układu

współprądowego jest to, że nie zapewnia on tak wysokiej temperatury podgrzania czynnika zimnego

jak układ przeciwprądowy, zaś zaletą jest w miarę wyrównana temperatura ścianki między czynnikami

co eliminuje naprężenia termiczne i zwiększa trwałość. Zaletą układu przeciwprądowego, rys.1, jest

możliwość osiągania wyższych temperatur podgrzania, a wadą znaczne zróżnicowanie temperatury

ś

cianki co jest przyczyną naprężeń termicznych wpływających niekorzystnie na trwałość wymiennika.

Rys.1. Rozkłady temperatur i schematy przepływów w wymienniku współprądowym i

przeciwprądowym

W opisie wymiennika wykorzystuje się równania bilansu energii.

Bilans energii dla płynu ciepłego:

(

)

(

)

''

'

''

'

''

'

g

g

T

T

g

p

g

g

g

g

g

T

T

c

m

i

i

m

Q

g

g

−

=

−

=

&

&

&

Dla płynu zimnego:

(

)

(

)

'

''

'

''

''

'

z

z

T

T

pz

z

z

z

z

z

T

T

c

m

i

i

m

Q

z

z

−

=

−

=

&

&

&

gdzie:

z

g

Q

Q

&

& ,

- strumień ciepła płynu ciepłego i zimnego, [kW];

z

g

m

m

&

& ,

- strumień masy płynu ciepłego i zimnego, [kg/s];

'

'

,

z

g

i

i

- początkowa entalpia płynu ciepłego i zimnego, [kJ/kg];

''

''

,

z

g

i

i

- końcowa entalpia płynu ciepłego i zimnego, [kJ/kg];

pz

pg

c

c ,

- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu dla płynu ciepłego i zimnego, [kJ/kgK]

'

'

,

z

g

T

T

- początkowa temperatura płynu ciepłego i zimnego, [K];

''

''

,

z

g

T

T

- końcowa temperatura płynu ciepłego i zimnego, [K];

Jeżeli straty ciepła do otoczenia zostaną pominięte:

Q

Q

Q

z

g

&

&

&

=

=

g

z

pg

g

pz

z

z

g

z

z

g

g

W

W

c

m

c

m

T

T

T

T

T

T

&

&

&

&

=

=

∆

∆

=

−

−

'

''

''

'

gdzie:

z

g

W

W

&

& ,

- pojemność cieplna płynu ciepłego i zimnego, [J/K];

p

c

m

W

⋅

=

&

&

;

Z powyższej zależności wynika, że zmiana temperatury każdego z płynów jest odwrotnie

proporcjonalna do jego pojemności cieplnej. Zatem płyn o większej pojemności cieplnej dozna

mniejszej zmiany temperatury i odwrotnie.

Podstawowym zadaniem teorii wymienników ciepła jest, obok samego przebiegu temperatur,

wyznaczenie średniego spadku temperatury

∆

T

ś

r

, potrzebnego do obliczania powierzchni

wymienników

F

T

k

Q

ś

r

⋅

∆

⋅

=

&

gdzie:

k – współczynnik przenikania ciepła, [W/m

2

K];

F – powierzchnia, [m

2

];

z

g

s

k

α

λ

α

1

1

1

+

+

=

g

α

- współczynnik przejmowania ciepła od płynu ciepłego, [W/m

2

K];

z

α

- współczynnik przejmowania ciepła od płynu zimnego, [W/m

2

K];

s - droga przewodzenia, [m];

λ

- współczynnik przewodzenia ciepła przepony, [W/mK];

Jeżeli założy się, że

const

f

k

z

g

=

=

)

,

(

,

λ

α

α

wtedy:

(

)

''

'

''

'

'

''

'

''

ln

ln

ln

ln

ln

ln

T

T

T

T

T

T

T

T

∆

∆

−

=

∆

−

∆

−

=

∆

−

∆

=

∆

∆

i średnia logarytmiczna różnica temperatury:

''

'

''

'

'

''

'

''

ln

ln

T

T

T

T

T

T

T

T

T

ś

r

∆

∆

∆

−

∆

=

∆

∆

∆

−

∆

=

∆

3.

Wykonanie ćwiczenia

•

Zapoznać się z budową i działaniem stanowiska pomiarowego,

•

Dokonać pomiaru natężenia przepływu i temperatury czynnika grzewczego i ogrzewanego,

•

Pomiary powtórzyć dla kilku wartości natężenia przepływu czynnika ogrzewanego.

Schemat stanowiska doświadczalnego przedstawiono na rys. 2, przekrój na rys.3.

Rys.2. Schemat stanowiska doświadczalnego

Rys.3. Przekrój A-A stanowiska doświadczalnego

Wymiary podane na rysunkach to:

D = 42 mm;

D1 = 38 mm;

d = 28 mm;

d1 = 25,6 mm;

L1 = 1995 mm;

L = 2105 mm.

Tabela 1 Wyniki pomiarów

Lp

g

V&

[m

3

/s]

Poprawka

dla

g

V&

g

m

&

[kg/s]

'

g

T

[

°

C]

''

g

T

[

°

C]

z

V&

[m

3

/s]

Poprawka

dla

z

V&

z

m

&

[kg/s]

'

z

T

[

°

C]

''

z

T

[

°

C]

g

Q&

[kW]

z

Q&

[kW]

Q&

[kW]

k

[

]

deg

2

m

W

Literatura:
L.Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M.Rubik, Pomiary w inżynierii sanitarnej,
M.Mieszkowski, Pomiary cieplne i energetyczne,
W.Pudlik, Termodynamik,
T.Hobler, Ruch ciepła i wymienniki.