Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Energetyki i Paliw

BADANIE WYMIENNIKÓW CIEPŁA

Przygotował: mgr inż. Marcin Borcuch

borcuch@agh.edu.pl

Wprowadzenie teoretyczne

Podstawy wymiany ciepła

Sposoby transportu ciepła:

przewodzenie

konwekcja o swobodna o wymuszona

promieniowanie

Przewodzenie ciepła.

Przewodzeniem ciepła nazywamy proces przenoszenia ciepła przez cząsteczki niepodlegające przemieszczeniom makroskopowym. Występuje ono jako jedyny mechanizm tylko w ciałach stałych, a w płynach (cieczach i gazach) tylko w określonych warunkach. Podstawowa zależność dla tego zjawiska została sformułowana przez Fouriera (1822 r.):

Jednostkowy strumień cieplny jest proporcjonalny do gradientu temperatury i jako wektor, zwrócony w kierunku spadku temperatury, jest skierowany przeciwnie do wektora gradientu (stąd znak minus we wzorze). Współczynnik proporcjonalności λ [W/m·K] nazywa się współczynnikiem przewodzenia ciepła i zależy od struktury wewnętrznej substancji, jej gęstości i temperatury.

Tabela 1.Orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ w temperaturach 0 - 20°C

Konwekcja i przejmowanie ciepła

Konwekcja polega na makroskopowym przemieszczaniu się zgrupowań cząstek (porcji płynu) a wraz z nimi ciepła tych cząstek. Występuje ona w płynach, czyli w cieczach i gazach. Przejmowanie (też: wnikanie) ciepła to przenoszenie ciepła od ścianki o

temperaturze tw do wnętrza płynu o temperaturze tf lub na odwrót. Rozróżnia się konwekcję swobodną (naturalną), w której wewnętrzny ruch płynu wywołany jest

siłą wyporu (zdeterminowaną przez różnicę temperatur: ścianki i wnętrza płynu) oraz konwekcję wymuszoną, w której wewnętrzne ruchy płynu wywołane są przez

ogólny przepływ płynu. Obydwa rodzaje przejmowania ciepła podlegają prawu Newtona (1701 r.):

gdzie: α [W/m2・K] - to współczynnik przejmowania ciepła.

Tablica 2. Orientacyjne wartości współczynnika przejmowania ciepła α

Promieniowanie Promieniowanie ciepła polega na przenoszeniu energii za pośrednictwem fal elektromagnetycznych wszystkich długości, przede wszystkim jednak fal o długościach: 0,8 - 400 μm czyli tzw. fal podczerwonych. Proces ten zachodzi między powierzchniami ciał stałych i cieczy poprzez ciała gazowe i próżnię. Ilość energii cieplnej wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni ciała stałego lub cieczy o temperaturze T [K] i powierzchni A [m2] określona jest wzorem otrzymanym doświadczalnie przez Josefa Stefana (1835 – 1893), a potem wyprowadzonym teoretycznie przez Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844 – 1906):

gdzie: C = C0·ε = 5,677·ε [W/m2·K4] jest stałą promieniowania wynoszącą dla tzw.

ciała doskonale czarnego: C = C0 = 5,667 W/m2·K4 Wielkość: ε < 1 jest to tzw. stopień czarności zależny od rodzaju ciała, stanu jego

powierzchni i temperatury. Orientacyjne wartości ε podaje tab.3.

Tabela 3. Orientacyjne wartości stopnia czarności ε

Przenikanie ciepła

Przenikanie ciepła polega na przenoszeniu ciepła przez konwekcję i przewodzenie (czyli przez przejmowanie) od płynu do ścianki, następnie przez przewodzenie wewnątrz przegrody i znowu przez przejmowanie od ścianki w głąb drugiego płynu. W szczególnych przypadkach, przejmowaniu ciepła na powierzchni może towarzyszyć promieniowanie ciepła – wtedy współczynnik przejmowania ciepła na tej powierzchni reprezentuje transport ciepła przez obydwa mechanizmy stanowiąc współczynnik całkowity:

αc = α + αr

Rys.1 Rozkład temperatury przy przenikaniu ciepła

Rozważa się ustalone jednowymiarowe pole temperatury (przykładowy rozkład temperatury podaje rys. 1), wobec czego strumień cieplny przenoszony kolejno od płynu do ścianki, potem wewnątrz ścianki oraz od ścianki do drugiego płynu jest na każdym etapie tego procesu taki sam. Przy użyciu oznaczeń podanych na rys. 1 mamy dla każdego z tych etapów:

Ścianka nie musi oczywiście być płaska - Aw jest średnią powierzchnią poprzeczną przegrody obliczoną w odpowiedni, a podany uprzednio, sposób. Po wyodrębnieniu w powyższych równaniach spadków temperatur:

i zsumowaniu stronami otrzymuje się zależność:

Zależność tę wygodniej było by ująć w postaci podobnej do poznanego uprzednio równania Newtona:

Jest to tzw. prawo (albo równanie) Pécleta, w którym: k [W/m2·K] stanowi współczynnik przenikania ciepła, a Ao [m2] powierzchnię obliczeniową. Tą powierzchnią może być powierzchnia A1, A2 lub Aw zależnie od wyboru lub obowiązującej w danej dziedzinie konwencji (przepisów). I tak np. w kotłach parowych jest nią zawsze powierzchnia od stron spalin.

Opór cieplny przenikania ciepła stanowi oczywiście mianownik wyrażenia:

Opór przenikania jest więc sumą oporów cieplnych poszczególnych procesów składowych.

Tabela 4. Orientacyjne wartości współczynnika przenikania ciepła

Wymienniki ciepła

Wymienniki (przenośniki) ciepła są aparatami służącymi do przenoszenia ciepła od jednego płynu do drugiego. Rozróżniamy, ogólnie biorąc, trzy poniższe rodzaje wymienników ciepła: Rekuperatory, czyli wymienniki przeponowe odznaczające się tym, że obydwa płyny

uczestniczące w procesie oddzielone są przegrodą, poprzez którą przenika ciepło. Przegrodę stanowią przeważnie ścianki rur czasami płyt. Rekuperatory działają w sposób ciągły, a pole temperatury w nich jest ustalone w czasie. Regeneratory, czyli wymienniki z wypełnieniem działają periodycznie: płyny przepływają w nich naprzemienne przez kanały w masie wypełniającej oddając względnie przejmując ciepło za jej pośrednictwem. Pole temperatury w regeneratorze jest nieustalone w czasie i podlega zmianom okresowym. Wymienniki kontaktowe, w których przenoszenie ciepła odbywa się przy bezpośrednim zetknięciu dwóch płynów o różnych stanach skupienia. Tymi płynami są przeważnie: jednym woda a drugim para, gaz lub mieszanina gazowo - parowa. Najprostszą odmianą tego rodzaju wymienników są mieszankowe podgrzewacze wody lub skraplacze pary wodnej, w których kontaktują się para wodna i woda. Drugą grupę stanowią wymienniki dyfuzyjne służące do wykraplania pary z mieszanki z gazem, nasycania gazu parą lub do chłodzenia wody przy pomocy gazu. Rekuperatory równoległo - prądowe Na przedstawionym schemacie (rys. 2) równoległego przepływu obydwu płynów widać, że możliwy jest przepływ w tym samym kierunku - mówimy wtedy o współprądzie, albo w kierunkach względem siebie przeciwnych, co jest tak zwanym przeciwprądem.

Rys.2 Schemat rekuperatora równoległo – prądowego

Rozpatrując termodynamiczny układ otwarty po stronie płynu cieplejszego na rys.2 otrzymuje się następujący bilans energii:

bowiem zewnętrzna praca mechaniczna tu nie występuje (L= 0), a różnice energii kinetycznej i potencjalnej między wlotem i wylotem są z reguły pomijalne (w1 - w2 < 40 m/s, h1 - h2 < 50 m). Dla chłodniejszego płynu jest analogicznie:

Jeśli pominiemy straty ciepła do otoczenia, to:

a po wprowadzeniu tego do (a) i (b) oraz drobnym przekształceniu otrzymujemy:

albo inaczej:

Z zależności tej wynika, że zmiana temperatury każdego z płynów jest odwrotnie proporcjonalna do jego pojemności cieplnej W = m·cp. Czyli płyn o większej pojemności cieplnej doznaje mniejszej zmiany temperatury i na odwrót.

WSPÓŁPRĄD

(a) )a

(b) )a

PRZECIWPRĄD

Rys.3 Przebiegi temperatur w wymiennikach współ - i przeciwprądowych w

zależności od stosunku pojemności cieplnych.

Rekuperatory poprzecznoprądowe

Jeżeli przepływy przecinają się pod kątem prostym, to taki układ nosi nazwę przepływu skrzyżowanego albo prądu krzyżowego (rys 4a). Poza tym przypadkiem czystego prądu krzyżowego istnieje wiele możliwości prądów krzyżowo – rówloległoprądowych czyli tzw. przepływów mieszanych. Rys. 4 (b i c) przedstawiają przykłady takich wielokrotnie krzyżowanych o ogólnym charakterze przeciwprądowym.

Rys.4 Przykłady przepływu poprzecznego

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności sprawności wymienników ciepła (nagrzewnicy elektrycznej powietrza oraz chłodnicy wodnej powietrza) od zmiennych parametrów pracy. W trakcie ćwiczenia możliwa jest modyfikacja następujących parametrów: moc nagrzewnicy, strumień powietrza przepływającego przez wymienniki, strumień wody przepływającej przez chłodnicę. Budowa stanowiska

Rys.5 Schemat stanowiska pomiarowego

Stanowisko pomiarowe znajduje się w Laboratorium Maszyn Cieplnych i Przepływowych, s. 130, bud. D4, Wydział Energetyki i Paliw. W skład stanowiska wchodzą: nagrzewnica kanałowa Venture Industries Sp. z o.o. DH 200/20 oraz chłodnica Systemair VBC 200-2. Układ wyposażony jest ponadto w następujące elementy:

karta pomiarowa firmy National Instruments, model NI-USB 6343;

3 przetworniki temperatury i wilgotności HD48T firmy DeltaOHM;

2 przetworniki temperatury DeltaOHM, model HD4807T;

przetwornik ciśnienia DeltaOHM, model HD404T;

różnicowy przetwornik ciśnienia firmy halstrup walcher, model P26;

przepływomierz Dwyer

oprogramowanie firmy National Instruments – LabView 2012, Measurement &

Automation Explorer, Diadem 2012 oraz NI DAQ.

Przepływ powietrza przez wymienniki w trakcie ćwiczenia wytwarzany jest za pomocą wentylatorów boczno – kanałowych lub wentylatora promieniowego (w zależności od konfiguracji). Istotna z punktu widzenia wymienników jest jedynie wartość strumienia przepływającego powietrza.

Wykonanie ćwiczenia

1. Sprawność nagrzewnicy w zależności od jej mocy chwilowej. Po uruchomieniu stanowiska i wytworzeniu przepływu powietrza przez nagrzewnicę (nagrzewnicę można uruchomić tylko i wyłącznie, gdy przepływa przez nią powietrze) uruchamiamy oprogramowanie pomiarowe oraz nagrzewnicę. Za pomocą

zainstalowanego autotransformatora zwiększamy w odstępie kilku minut napięcie podawane na nagrzewnicę i dokonujemy pomiarów temperatury oraz wilgotności powietrza wypływającego oraz mocy nagrzewnicy. Pomiaru dokonujemy pięciokrotne, stopniowo zwiększając moc.

2. Sprawność chłodnicy w zależności od strumienia objętości przepływającej wody chłodzącej

Ćwiczenie wykonywane równolegle z ćwiczeniem 1. Po ustawieniu odpowiedniej mocy nagrzewnicy dokonujemy pomiarów parametrów powietrza przed i za chłodnicą przy określonym przepływie wody chłodzącej. Następnie, bez zmiany ustawień nagrzewnicy, zmieniamy strumień objętości przepływającej wody chłodzącej i ponownie dokonujemy pomiarów parametrów powietrza. Zmian dokonujemy pięciokrotnie.

3. Sprawność chłodnicy i nagrzewnicy w zależności od strumienia objętościowego przepływającego powietrza.

Przy określonej mocy nagrzewnicy i strumieniu objętościowym przepływającej wody chłodzącej dokonujemy zmiany ustawień prędkości obrotowej wentylatora, celem zmiany strumienia objętościowego przepływającego powietrza. Przepływ powietrza możemy regulować również za pomocą przepustnic. Opracowanie wyników pomiarów

Grupa ćwiczeniowa otrzymuje wyniki pomiarów w formie pliku .lvm (edytowalnego w Notatniku) lub zrzutu ekranu przy danej konfiguracji ustawień parametrów wymienników z widocznymi wszystkimi wartościami. Dla każdej konfiguracji (5 ustawień mocy, 5 ustawień przepływu wody, 5 ustawień przepływu powietrza) należy obliczyć sprawność danego wymiennika i sporządzić 4 wykresy zależności sprawności wymienników od zadanych parametrów:

1. ηnagrzewnicy(Pnagrzewnicy)

2. ηchłodnicy( ̇wody)

3. ηnagrzewnicy( ̇powietrza)

4. ηchłodnicy( ̇powietrza)

Sprawozdanie

Sprawozdanie wykonane ręcznie lub komputerowo powinno zawierać:

tabelę z datą, nazwiskami osób wykonującymi sprawozdanie oraz miejsce na ocenę,

cel ćwiczenia,

schemat stanowiska pomiarowego,

opracowanie wyników pomiarów,

zależności sprawności od zmiennych parametrów pracy wymienników. Przykładowe zagadnienia na zaliczenie: Podstawowe prawa transportu ciepła: - przewodzenie - konwekcja - promieniowanie - przenikanie Wymienniki ciepła: rodzaje, rozkład temperatur, zastosowanie. Bibliografia:

Wiesław Pudlik – Wymiana i Wymienniki Ciepła - Podręcznik dla studentów wydziałów mechanicznych specjalizujących się w technikach cieplnych i chłodniczych