file - Instytut Techniki Cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
BADANIA WYMIENNIKÓW CIEPŁA
1. WSTĘP
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 ćwiczenia. 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
ścianki co jest przyczyną naprężeń termicznych wpływających niekorzystnie na trwałość
wymiennika.
t
.
t
współprąd
.
A
x
przeciwprąd
.
A
x
.
Rys. 1.Rozkłady temperatury i schematy przepływów w wymienniku współprądowym i
przeciwprądowym
W opisie wymiennika wykorzystuje się równanie bilansu energii oraz równanie
wynikające z warunków przepływu ciepła (równanie Pecleta). Bilans energii dla wymiennika
przy założeniu braku strat ciepła do otoczenia ma postać:
(1)
Q& = W&1 ∆ t1 = W& 2 ∆ t 2
gdzie:
W& j = G& j c p j
(2)
natomiast Q& strumieniem ciepła przekazywanym w wymienniku. Wykorzystując
równanie bilansu energii oraz równanie Pecleta dla elementarnego odcinka wymiennika, po
scałkowaniu wzdłuż długości wymiennika otrzymuje się [2]:
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
2
 1
1 

±
(3)
&
& 
 W1 W 2 

przy czym znak „+” w powyższym wzorze obowiązuje dla współprądu, a znak „-„ dla
przeciwprądu. Wielkości ∆ t p i ∆ t k są to różnice temperatur pomiędzy czynnikami na

∆ t k = ∆ t p exp− k A
początku i na końcu wymiennika, natomiast k oznacza współczynnik przenikania ciepła.
Sposób ich obliczania przedstawiono na rys. 1.
W teorii cieplnych obliczeń wymienników używa się również tzw. średniej
logarytmicznej różnicy temperatur ∆ t m . Używając tej wielkości, strumień ciepła
przekazywany w wymienniku można wyrazić zależnością:
Q& = k A ∆ t m
(4)
gdzie średnią logarytmiczną różnicę temperatur oblicza się jak następuje:
∆ tm =
∆ tk − ∆ tk
∆t
ln k
∆ tk
(5)
W celu zmniejszenia błędów pomiarowych, układ pomiaru strumieni wody (rotametry)
oraz temperatur został poddany pomiarom wzorcującym [1]. Potrzeba wzorcowania
rotametrów wynika stąd, że w warunkach fabrycznych przyrząd jest wzorcowany przy innej
temperaturze przepływającej wody niż w warunkach przeprowadzania ćwiczenia. Aby
otrzymać poprawione wartości wyników pomiarów, dla rzeczywistych warunków pomiaru i
wybranej wielkości mierzonej z załącznika A lub B należy odczytać wartość poprawki i
dodać ją do wartości odczytanej z przyrządu. Poprawki mogą mieć wartości dodatnie lub
ujemne.
2. CEL ĆWICZENIA
Stanowisko jest przystosowane do przeprowadzania różnorodnych ćwiczeń z zakresu
funkcjonowania pojedynczego wymiennika lub układu dwóch sekcji wymiennika ciepła
działających w układzie przeciw- i współprądowym oraz przy innych różnych kombinacjach
połączeń.
Zasadniczym celem ćwiczenia są badania wymiennika ciepła poprzez pomiar temperatur
wlotowych i wylotowych oraz strumieni czynników dla zadanych układów połączeń sekcji
wymiennika. Następnym celem jest sprawdzenie zgodności otrzymanych rezultatów z
wynikami obliczeń teoretycznych wykorzystujących równania opisujące wymianę ciepła w
wymienniku i bilans energii.
3. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA STANOWISKA
3.1. Budowa stanowiska
Schemat stanowiska został przedstawiony na rys. 2. Stanowiska składa się z dwóch sekcji
wymienników typu „rura w rurze” 5, układu zaworów przełączających 12 umożliwiających
łączenie wymienionych sekcji w różne kombinacje, zestawu termoelementów do pomiaru
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
3
temperatury wody w różnych punktach oraz temperatury ścianek (punkty oznaczone
symbolami t1 ÷ t11 , rotametru 6 do pomiaru strumienia wody gorącej oraz rotametru 10 do
pomiaru strumienia wody zimnej. Każdy z rotametrów wyposażony jest w zawór 7,11 do
regulacji strumieni wody.
Woda zimna pobierana jest z sieci wodociągowej przez zawór stabilizujący ciśnienie 9.
Woda gorąca przygotowywana jest w układzie podgrzewania wody. Układ ten składa się z
atmosferycznego zbiornika wody powrotnej 2, pompy cyrkulacyjnej 3, elektrycznego
podgrzewacza wody 1, zbiornika wody gorącej 4. Poziom wody w zbiorniku wody powrotnej
można sprawdzić za pomocą wodowskazu 15.
Każda z sekcji wymiennika wykonana jest z rur miedzianych. Rura o mniejszej średnicy
włożona jest do rury o większej średnicy.
Układ zaworów przełączających 12 (składający się łącznie z 14 zaworów) służy do
tworzenia różnych kombinacji połączeń poszczególnych sekcji wymiennika. Ogółem można
zestawić 8 kombinacji połączeń sekcji (jest to zarazem maksymalna liczba kombinacji jaką
można osiągnąć przy dwóch sekcjach). Podstawowym połączeniem jest połączenie w którym
obie sekcje zestawione są w układ tworzący wymiennik przeciwprądowy (wariant I, rys.3)
oraz połączenie jak w wymienniku współprądowym (wariant II). Wszystkie osiągalne
kombinacje przepływów przedstawiono na rys. 3. Równocześnie na tym rysunku
przedstawiono położenia dźwigni poszczególnych zaworów dających pożądaną kombinację
przepływów przez sekcje.
Na panelu pomiarowym zainstalowany jest miernik temperatury i przełącznik miejsc
pomiarowych. Łącznie mierzone może być mierzona temperatura wody w siedmiu
charakterystycznych punktach układu wymiennika (temperatury na wlotach i wylotach każdej
sekcji wymiennika), rys.3, oraz cztery temperatury ścianek wewnętrznej rury na końcach
każdej z sekcji, rys.3. Numerację i lokalizację punktów pomiarowych temperatury
przedstawiono na rys. 2.
Przepływ wody gorącej, wymuszony przez pompę 3, odbywa się przez sekcje
wymiennika zawsze w tym samym kierunku. Poniżej przedstawiono opis mierzonych
temperatur idąc zgodnie z kierunkiem przepływu „wody gorącej”:
t1 - temperatura wlotowa „wody gorącej” do pierwszej sekcji wymiennika,
t2 - temperatura wylotowa „wody gorącej” z 1-szej i wlotowa do 2-giej sekcji,
t3 - temperatura wylotowa „wody gorącej” z 2-giej sekcji wymiennika,
Temperatury t4÷ t7 są albo temperaturami wlotowymi albo wylotowymi „wody zimnej” w
poszczególnych sekcjach. Zależy to od zastosowanej kombinacji połączeń wymienników.
Poniżej przedstawiono opis tych temperatur:
t4 - temperatura „wody zimnej” na dolnym końcu 1-szej sekcji wymiennika,
t5 - temperatura „wody zimnej” na górnym końcu 1-szej sekcji wymiennika,
t6 - temperatura „wody zimnej” na górnym końcu 2-giej sekcji wymiennika,
t7 - temperatura „wody zimnej” na dolnym końcu 2-giej sekcji wymiennika.
Zawory 16 przeznaczone są do celów obsługi serwisowej i nie należy ich używać w
czasie przeprowadzania ćwiczenia.
3.2. Opis działania stanowiska
Przez wymiennik ciepła przepływa strumień wody zimnej pobieranej z sieci oraz
strumień wody gorącej. W wymienniku zachodzi proces podgrzewania wody zimnej wskutek
ochładzania wody gorącej.
Podgrzewanie wody realizowane jest w układzie podgrzewania. W układzie tym woda
pobierana jest przez pompę cyrkulacyjną 3 ze zbiornika wody powrotnej 2, a następnie
podawana do podgrzewacza wody 1, rys. 2. Po podgrzaniu woda doprowadzana jest do
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
4
zbiornika wody gorącej 4 i następnie zasila pierwszą sekcję wymiennika ciepła. W
wymienniku woda gorąca przepływa cylindryczną szczeliną międzyrurową płynąc do góry, a
następnie poprzez łącznik zasila od góry drugą sekcję wymiennika płynąc szczeliną
międzyrurową od góry do dołu. Po opuszczeniu drugiej sekcji wymiennika, częściowo
ochłodzona „woda gorąca”, przepływa przez rotametr 7 i wraca do zbiornika wody powrotnej
2. Strumień tej wody jest regulowany za pomocą zaworu 7 znajdującego się za rotametrem.
Temperaturę wody gorącej zasilającej wymiennik reguluje się przez odpowiednie
zaprogramowanie temperatury wylotowej z podgrzewacza 1. W czasie normalnej eksploatacji
zbiornik wody powrotnej powinien być napełniony wodą do poziomiu 1/2÷3/4 swojej
objętości.
Wartości temperatury w poszczególnych punktach odczytywane są na mierniku
temperatury. Przełączanie pomiędzy poszczególnymi punktami odbywa się w sposób
automatyczny. Równocześnie istnieje możliwość obserwacji na monitorze komputera zmian
temperatury i ich rejestracji za pomocą komputerowego systemu zbierania danych.
Do załączania stanowiska używane są trzy włączniki, które powinny być załączane w
następującej kolejności: włącznik główny, włącznik pompy cyrkulacyjnej i włącznik
podgrzewacza wody. Wyłączanie stanowiska powinno być przeprowadzane w odwrotnej
kolejności.
Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego
1-elektryczny podgrzewacz wody, 2-zbiornik wody powrotnej, 3-pompa cyrkulacyjna, 4-zbiornik
wody gorącej, 5- sekcje wymiennika (rura zewnętrzna), 6-rotametr wody cyrkulującej, 7-zawór
regulacji przepływu wody gorącej, 8-wlot wody zimnej, 9- zawór stabilizacji ciśnienia wody, 10rotametr wody zimnej, 11- zawór regulacji przepływu wody zimnej, 12-układ zaworów
przełączających, 13-rura wewnętrzna sekcji wymiennika, 14-wylot wody, 15- wodowskaz, 16zawory serwisowe, 17-filtr
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
5
Rys. 3. Schematy przepływu wody w układzie wymiennika i odpowiadające im położenia
zaworów sterujących; I-przepływ przeciwprądowy, II -przepływ współprądowy,
III÷VIII –przepływy mieszane
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA, WILKOŚCI MIERZONE
Opiekun ćwiczenia powinien określić jaki schemat połączeń sekcji wymiennika powinien
być wybrany do pomiarów w czasie zajęć. Najbardziej typowym przypadkiem jest układ z
przeciwprądowym (wariant I, rys.3) i współprądowym (wariant II) przepływem strumieni
wody. W każdym z przypadków wielkościami mierzonymi są dwa strumienie wody oraz
wartości temperatury w wybranych punktach.
Poniżej przedstawiono przykładowe scenariusze realizacji ćwiczeń laboratoryjnych.
A1. Badanie wymiennika przeciwprądowego (wersja 1)
a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I,
b) Ustawić zalecone strumienie wody,
c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur
t1 , t 3 , t 4 , t 7 ,
d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika (równanie (1)) oraz
równanie dla wymiennika (równanie (4)).
A2. Badanie wymiennika przeciwprądowego (wersja 2)
a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I,
b) Ustawić zalecone strumienie wody,
c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur
t1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 , t 6 , t 7 ,
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
6
d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika jako całości oraz dla
każdej sekcji (równanie (1)). W podobny sposób sprawdzić spełnianie przez dane
pomiarowe równania dla wymiennika (równanie (4)).
B1. Badanie wymiennika współprądowego (wersja 1)
a) Zawory ustawić według schematy dla wariantu I,
b) Ustawić zalecone strumienie wody,
c) Po osiągnięciu stanu ustalonego odczytać wartości strumieni wody i temperatur
t1 , t 3 , t 4 , t 7 ,
d) Wykonać obliczenia sprawdzające bilans energii dla wymiennika (równanie (1)) oraz
równanie dla wymiennika (równanie (4)).
B2. Badanie wymiennika współprądowego (wersja 2)
Podobnie jak w scenariuszu A2 lecz dla przepływu współprądowego.
C1. Badanie układów wymienników (różne schematy przepływu)
a) Wybrać wskazany schemat przepływu czynników ustawiając zawory według rys. 3,
b) Wykonać czynności przedstawione w scenariuszu A2.
D. Badanie wpływu schematu przepływu czynników na temperaturę ścianki
a) Wybrać wskazany schemat przepływu czynników ustawiając zawory według rys. 3,
b) Wykonać czynności przedstawione w scenariuszu A2 mierząc dodatkowo temperatury
t8 , t9 , t10 , t11 .
Ogólnie przebieg ćwiczenia, dla każdego z wyszczególnionych scenariuszy, można
przedstawić w poniższych punktach.
a) Od opiekuna ćwiczenia pobrać dane dotyczące: schematu połączeń wymienników,
strumieni wody gorącej i zimnej zasilających wymiennik, temperatury wody gorącej
zasilającej 1-szą sekcję wymiennika oraz wykaz mierzonych temperatur.
b) Wybrać zalecony przez prowadzącego ćwiczenie schemat przepływu przez odpowiednie
ustawienie zaworów sterujących, rys. 3.
c) Włączyć przepływ „wody zimnej“ z sieci przez wymiennik.
d) Uruchomić stanowisko załączając kolejno włącznik główny, włącznik pompy
cyrkulacyjnej, włącznik podgrzewacza wody.
e) Nastawić zalecane strumienie wody zimnej i gorącej.
f) Na panelu sterowniczym podgrzewacza wody zaprogramować temperaturę „wody
gorącej” wlotowej do pierwszej sekcji wymiennika (temperatura t1). W momencie
uruchomienia podgrzewacza uaktywnia jest wartość zaprogramowana fabrycznie równa
60oC.
g) Sprawdzić czy wtyki termoelementów (numerowane od 1 do 9) są wetknięte do gniazd o
odpowiadających sobie numerach. Możliwe są (a czasem nawet konieczne) inne
połączenia (zwłaszcza, że liczba termoelementów jest większa od 9) w przypadku
prowadzenia bardziej zaawansowanych lub nietypowych eksperymentów.
h) Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego pracy wymiennika. Objawem osiągnięcia stanu
ustalonego jest ustabilizowanie się wartości mierzonych temperatur, głównie temperatur
wylotowych z poszczególnych sekcji. W celu stwierdzenia faktu osiągnięcia stanu
ustalonego należy notować co około 1 min wartości mierzonych temperatur, aż do
osiągnięcia stanu ustalenia się tych wskazań. Cały czas kontrolować stabilność strumieni
wody zimnej i gorącej.
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
7
i) Po osiągnięciu stanu ustalonego zanotować ostatecznie wartości wielkości mierzonych tj.
wskazanych przez opiekuna ćwiczenia wartości temperatur i strumieni wody.
j) Powtórzyć czynności poczynając od punktu (e) wybierając nowe wartości nastaw
stosownie do zaleceń opiekuna ćwiczenia.
k) Po realizacji programu ćwiczenia wyłączyć stanowisko wyłączając w kolejności najpierw
podgrzewacz wody (czerwonym przyciskiem), pompę cyrkulacyjną, wyłącznik główny.
Następnie zamknąć zaworem odcinającym dopływ wody sieciowej do stanowiska.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW
5.1. Opracowanie wyników pomiarów
Wyniki pomiarów należy zestawić w odpowiednich tablicach, z opisem podanych
wielkości i ich jednostek. Stosownie do zaleceń opiekuna ćwiczenia i wybranego wariantu
wykonać obliczenia sprawdzające.
W celu poprawy jakości otrzymywanych wyników pomiarów poprzez zmniejszenie
błędów pomiarów strumieni wody i temperatur przeprowadzono wzorcowanie układu
rotametrów i układu pomiaru temperatur. W załącznikach A i B przedstawiono odpowiednie
wykresy umożliwiające korektę wskazań rotametru „wody gorącej“ i wyników pomiaru
temperatury. Wartość poprawioną wyniku pomiaru otrzymuje się dodając wartość poprawki
odczytaną dla każdego z przyrządów (rotametru lub termoelementu) do wartości odczytanej z
przyrządu.
5.2. Sporządzenie sprawozdania
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sprawozdanie powinno zawierać:
Krótkie wprowadzenie teoretyczne,
Krótki opis stanowiska pomiarowego,
Opis przeprowadzonych pomiarów, specyfikacja wielkości pomiarowych,
Wyniki pomiarów,
Wyniki obliczeń,
Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe.
Literatura cytowana i uzupełniająca
[1] Kamiński A.: Badania testujące laboratoryjnych wymienników ciepła. Praca dyplomowa wyk.
pod kierunkiem T. Kruczka, Instytut Techniki Cieplnej, Gliwice, 2006.
[2] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998.
[3] Kostowski E., i inni: Zbiór zadań z przepływu ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998.
[4] Kalinowski E.: Przekazywanie ciepła i wymienniki. Oficyna Wyd. Pol. Wrocławskiej,
Wrocław, 1995.
[5] Wiśniewski S., Wiśniewski T.: Wymiana ciepła. WNT, Warszawa, 1997.
[6] Hobler T.: Ruch ciepła i wymienniki. WNT, Warszawa, 1979, 1986.
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
8
ZAŁĄCZNIK A
WYKRESY POPRAWEK
TERMOELEMENTÓW
OTRZYMANE
NA
DRODZE
WZORCOWANIA
Aby otrzymać poprawny wynik pomiaru temperatury należy wartość poprawki dodać do
wartości otrzymanej z pomiaru.
Termoelement 1
Poprawka, t
-2,5
-3
-3,5
20
30
40
50
60
70
o
Temperatura zmierzona, C
80
90
70
80
90
70
80
90
Termoelement 2
Poprawka, ∆t
-2,5
-3
-3,5
20
30
40
50
60
o
Temperatura zmierzona, C
Termoelement 3
Poprawka, ∆t
-3,5
-4
-4,5
20
30
40
50
60
o
Temperatura zmierzona, C
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
9
Termoelement 4
Poprawka, ∆t
-4
-4,5
-5
20
30
40
50
60
70
80
90
70
80
90
70
80
90
70
80
90
o
Temperatura zmierzona, C
Termoelement 5
Poprawka, ∆t
-3,5
-4
-4,5
20
30
40
50
60
Temperatura zmierzona, oC
Poprawka, ∆t
Termoelement 6
-3
-3,5
-4
20
30
40
50
60
o
Temperatura zmierzona, C
Poprawka, ∆t
Termoelement 7
-3,5
-4
-4,5
20
30
40
50
60
o
Temperatura zmierzona, C
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
10
ZAŁĄCZNIK B
WYKRESY POPRAWEK DLA ROTAMETRU WODY CIEPŁEJ
Aby otrzymać poprawny wynik pomiaru strumienia wody ciepłej do wyniku pomiaru
odczytanego z rotametru wody ciepłej należy dodać wartość poprawki odczytanej dla
rzeczywistej temperatury wody i odczytanego z rotametru strumienia wody (wartości
temperatury wody podano w legendzie).
Potrzeba korekty wynika ze zmiany temperatury przepływającej wody w stosunku do
warunków pierwotnego wzorcowania rotametru.
17
16
15
Poprawka dla strumienia−∆ G, kg/h
14
13
12
11
10
9
8
7
6
100
150
200
250
300
350
Wynik pomiaru strumienia w ody ciepłej - G , kg/h
30 oC
35 oC
40 oC
45 oC
50 oC
55 oC
60 oC
Wykres poprawek strumienia wody ciepłej, wymiar poprawki kg/h
Kruczek T.: Badania wymienników ciepła, v.1, 25.09.2006
11