Transcript wyklad XI

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
TEMAT XI: PRZEPONOWE WYMIENNIKI CIEPŁA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
WPROWADZENIE
REKUPERATORY RÓWNOLEGŁOPRĄDOWE
REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE
PAROWNIKI i SKRAPLACZE
SPRAWNOŚĆ (EKSTENSYWNOŚĆ) TERMICZNA
WYMIENNIKA CIEPŁA
ROZKŁAD TEMPERATUR WZDŁUŻ POWIERZCHNI
WYMIENNIKA
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.
PYTANIA DO WYKŁADU
1. Przedstaw przebieg temperatury dla rekuperatorów równoległoprądowych
gdy: w
1  w
2
2. Na podstawie schematu wyjaśnić bilans cieplny układu współprądowego
3. Na podstawie schematu wyjaśnić bilans cieplny układu przeciwprądowego
4. Podaj wartość średniej różnicy temperatur dla wymiennika krzyżowoprądowego
5. Dlaczego dla parowników i skraplaczy kierunek przepływu nie ma żadnego
znaczenia na średnią różnicę temperatur i według jakiego wzoru wyznacza
się średnią różnicę temperatur?
6. Kiedy płyn chłodzący nazywamy „słabym” a kiedy „silnym”
7. O czym informuje sprawność termiczna wymiennika ciepła?
8. Porównać sprawności rekuperatorów o różnych układach przepływowych i
określić kiedy różnice sprawności są duże a kiedy zbliżone.
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
…………
2. REKUPERATORY RÓWNOLEGŁO - PRĄDOWE
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.
Tśr 
t 't"
t '
ln
t"
Średnia różnica temperatur obydwu płynów
Tśr 
t 't"
t '
ln
t"
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
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)
3. REKUPERATORY POPRZECZNOPRĄDOWE
Dla celów inżynierskich potrzebna jest ŚREDNIA RÓŻNICA TEMPERATUR OBYDWU
PŁYNÓW:
Mnożnik poprawkowy
t 't"
Tśr   T  Tlog   T 
t '
ln
t"
t '  t1'  t"2śr
Średnie temperatury wylotowe
obydwu płynów
t"  t1"śr  t '2
 T
 t 2 w
 2 t1 
  1
 f (P, R )  f 
,

 1 t 2 
 t max w
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 = ……...
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".
?
Wymiennik przeciwprądowy
Wymiennik współprądowy
Prąd krzyżowy
Parownik lub skraplacz
Porównanie układów przepływowych wymienników ciepła
t"
1
t '
 k  T 
 i t"
w
1

 t '
w
t"
t '
w 
t"
1
t '
1
t"
t '
p 
 t"
w
1 i 
 t '
w
1
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)