WYMIANA CIEPŁA

1. WYMIANA CIEPŁA Dr inż. Piotr Bzura Konsultacje: piątek godz. 10-12 pok. 602 f • KOLOKWIAM ZALICZAJĄCE • 08.05.2012 – WYMIENNIKI CIEPŁA • 15.05.2012 – POWTÓRZENIE MATERIAŁU • 14.05.2012 i 15.O5.2012 – KOLOKWIUM ĆWICZENIA • 22.05.2012 – KOLOKWIUM WYKŁAD • 24.05.2012 – KOLOKWIUM POPRAWKOWE TYLKO DLA OSÓB, KTÓRE MAJĄ MNIEJ NIŻ CZTERY NIEOBECNOŚCI

2. TEMAT XI:PRZEPONOWE WYMIENNIKI CIEPŁA • WPROWADZENIE • REKUPERATORY RÓWNOLEGŁOPRĄDOWE • REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE • PAROWNIKI i SKRAPLACZE • SPRAWNOŚĆ (EKSTENSYWNOŚĆ) TERMICZNA WYMIENNIKA CIEPŁA • ROZKŁAD TEMPERATUR WZDŁUŻ POWIERZCHNI WYMIENNIKA

3. Streszczenie Przedstawiono teorię rekuperatorowych wymienników ciepła opartą na założeniach stałości współczynnika przenikania ciepła „k” i stałości strumieni pojemności cieplnych ẁi. W jej wyniku do obliczeń powierzchni (lub przenoszonej ilości ciepła przy danej powierzchni) stosuje się średnią logarytmiczną różnicę temperatur. Dotyczy to zarówno współprądu jak i przeciwprądu, a także prądu krzyżowego z tym, że dla tego ostatniego trzeba wyznaczyć odpowiedni mnożnik poprawkowy ψΔt. W przypadku, gdy jeden z płynów podlega parowaniu lub skraplaniu przy stałej temperaturze, kierunki przepływu płynów nie mają już znaczenia dla przebiegu temperatury. Zdefiniowano pojęcie sprawności termicznej wymiennika ciepła. Jest ono związane z wielkością powierzchni w tym sensie, że większa powierzchnia pozwala w większym stopniu wykorzystać pierwotną różnicę temperatur obu płynów do przenoszenia ciepła w danym typie wymiennika. Wyprowadzono związki tej sprawności z charakterystycznymi stosunkami: „kAo/ẁi” i „ẁi/ẁ” dla poszczególnych typów wymienników i podano wykresy do jej wyznaczania. Posługując się sprawnością termiczną dokonano oceny efektywności głównych układów przepływowych wymiennika. Najkorzystniejszym okazał się wymiennik przeciwprądowy, dający przy tych samych powierzchniach największą sprawność, albo przy tej samej sprawności najmniejszą powierzchnię. Nieco gorsze rezultaty daje prąd krzyżowy, a najsłabsze współprąd. Przedstawiono również metodę wyznaczania punktów do wykreślania krzywej przebiegu temperatury wzdłuż powierzchni rekuperatora.

4. PYTANIA DO WYKŁADU • Przedstaw przebieg temperatury dla rekuperatorów równoległoprądowych gdy: • Na podstawie schematu wyjaśnić bilans cieplny układu współprądowego • Na podstawie schematu wyjaśnić bilans cieplny układu przeciwprądowego • Podaj wartość średniej różnicy temperatur dla wymiennika krzyżowo-prądowego • Dlaczego dla parowników i skraplaczy kierunek przepływu nie ma żadnego znaczenia na średnią różnicę temperatur i według jakiego wzoru wyznacza się średnią różnicę temperatur? • Kiedy płyn chłodzący nazywamy „słabym” a kiedy „silnym” • O czym informuje sprawność termiczna wymiennika ciepła? • Porównać sprawności rekuperatorów o różnych układach przepływowych i określić kiedy różnice sprawności są duże a kiedy zbliżone.

5. 1. WPROWADZENIE • Wymienniki (przenośniki) ciepła są aparatami służącymi do przenoszenia energii cieplnej od jednego płynu do drugiego. Rozróżniamy, ogólnie biorąc, trzy poniższe rodzaje wymienników ciepła: • REKUPERATORY - czyli wymienniki przeponowe ……… Działają w sposób ciągły, a pole temperatur jest w nich ustalone w czasie. • REGENERATORY - czyli wymienniki z wypełnieniem działają periodycznie……..Pole temperatur w regeneratorze jest nieustalone ulegając zmianom okresowym. • WYMIENNIKI KONTAKTOWE - przy bezpośrednim zetknięciu dwu płynów …………

6. 2. REKUPERATORY RÓWNOLEGŁO - PRĄDOWE

8. Bilans cieplny części wymiennika ograniczonej wlotem płynu (1) i powierzchnią grzejną aż do bieżącego przekroju x, w którym płyn wypływa (rys. OBOK), daje następujący zapis równości między energią doprowadzoną i wyprowadzoną: Analogiczny jest bilans energii dla płynu (2) Jest to, potrzebna nam, zależność spadku temperatury (między płynami) od powierzchni bieżącej Ax. W szczególności umożliwia ona obliczenie spadku temperatury Δt na końcu wymiennika o powierzchni Ao.

9. Średnia różnica temperatur obydwu płynów

10. 3. REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE Rozwiązania, w których kierunki przepływu obydwu płynów przecinają się pod pewnym kątem (przeważnie zbliżonym do prostego), są często stosowane ze względu na dogodność konstrukcji samego wymiennika oraz układu rurociągów z nim związanych. Przepływ skrzyżowany (prąd krzyżowy) Przepływy mieszane

11. 3. REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE We wszystkich tych przypadkach podstawową rolę odgrywa prąd krzyżowy i jego analiza zostanie przedstawiona na przykładzie wymiennika płytowego z rys. powyżej. Temperatury płynów są funkcjami miejsca na płaszczyźnie płyty oddzielającej obydwa płyny: oddającego ciepło t1 = f1(x, y) i przejmującego ciepło t2 = f2(x, y)

12. 3. REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE Dla celów inżynierskich potrzebna jest ŚREDNIA RÓŻNICA TEMPERATUR OBYDWU PŁYNÓW: Mnożnik poprawkowy Średnie temperatury wylotowe obydwu płynów

14. 4. PAROWNIKI I SKRAPLACZE • Jeżeli jeden z płynów podlega zmianie stanu skupienia przez parowanie czy skraplanie, to jego temperatura na tym odcinku wymiennika, na którym ta zmiana fazy występuje, nie ulega przeważnie zmianie (wtedy mianowicie gdy zmianie fazowej podlega ciecz lub para jednoskładnikowa). Różnicę temperatur w dowolnym miejscu (Δtx) określa wzór • Wzajemny kierunek przepływu nie ma w tym przypadku żadnego znaczenia, bowiem dla δt2 = 0 jest: P = δt2/tmax = 0, a dla δt1 = 0 jest: R= δt1/ δt2 = 0. Obydwa przypadki mimo przepływów skrzyżowanych prowadzą do ψΔt = ……... • Tak więc średnią różnicę temperatur oblicza się przy pomocy wzoru ………..

15. 5. SPRAWNOŚĆ (EFEKTYWNOŚĆ) TERMICZNA WYMIENNIKA CIEPŁA Sprawność termiczna wymiennika ciepła jest stosunkiem rzeczywiście przejętej (lub oddanej) przez strumień słabszy (tj. ten który mając mniejszą ẁi i doznaje większego δti) energii cieplnej, do ilości maksymalnie możliwej do przekazania przy danych temperaturach wlotowych obydwu strumieni: Wskaźnik „i” odnosi się do płynu słabszego - może nim być płyn oddający ciepło ( 1 ) lub przejmujący je ( 2 ), a więc niekoniecznie ten, na którym nam zależy. Np. w skraplaczu jest nim woda chłodząca, na podgrzewaniu której nam nie zależy. Dlatego czasami używane jest na „ε” określenie: charakterystyka ruchowa wymiennika ciepła - oznaczana wtedy przez Φ. Zaproponowano jeszcze jedną nazwę: „stopień wymiany".

16. ?

17. Wymiennik przeciwprądowy

18. Wymiennik współprądowy

19. Prąd krzyżowy • Parownik lub skraplacz

20. Porównanie układów przepływowych wymienników ciepła

21. 6. ROZKŁAD TEMPERATUR WZDŁUŻ POWIERZCHNI WYMIENNIKA Na podstawie bilansu cieplnego i równań Pécleta wyznaczone zostały równania obniżenia się temperatury od wlotu do dowolnego przekroju Ax strumienia 1 (1x) i strumienia 2 (2x)