Ellenáramú hőcserélő

Átírás

1 Ellenáramú hőcserélő Elméleti összefoglalás, emlékeztető A hőcserélő alapvető működésével és az egyszerűsített számolásokkal a Vegyipari műveletek. tárgy keretében ismerkedtek meg. A mérés elvégzéséhez az ott tanultak átismétlése szükséges. Az alábbiakban a legfontosabb tudnivalókat, képleteket gyűtöttük össze emlékeztetőként.. Hőtranszport típusai egy hőcserélőben (filmelmélet szerinti ábrázolás) λ α k szilárd anyag hővezetőképessége fluidum hőátadási tényezőe hőátbocsátási tényező W mk W m K W m K. Hővezetés (kondukció) Hőtranszport szilárd anyagokban. λ szilárd anyag hővezetőképessége W mk

2 Hővezetés sík falon keresztül: hőáram: Q A T s T ahol s falvastagság [m] a fal száma A a fal felülete [m ] T és T a belső fal belső oldalán illetve a külső fal külső oldalán mért hőmérséklet [ C vagy K]. Hővezetés hengeres falon keresztül Q L d ln d T T ahol L cső hossza [m] d átmérő [m] T és T a belső fal belső oldalán illetve a külső fal külső oldalán mért hőmérséklet [ C vagy K]..3 Hősugárzás (radiáció) T T Q C0 A ahol ε test relatív emissziós tényezőe (feketésig foka) [ ] C0 abszolút fekete test sugárzási együtthatóának () 0 8 -szorosa W 5,67 m K T és T a fal illetve a közeg hőmérséklete Kelvinben kifeezve. (Azért használuk a C0-t a helyett, hogy a negyedik hatványra emelésnél kezelhetőbb értékkel dolgozzunk.) A hőátadás analógiáára szokás sugárzási hőátadási együtthatót is definiálni: Q rad A T T ahol αrad sugárzási hőátadási együttható W m K. Hőátadás (konvekció) Q A T T W ahol α hőátadási együttható m K A a hőátadó felület [m ]

3 T és T a fal illetve a fluidum főtömegének hőmérséklete [ C vagy K]. Kényszeráramlás csőben Turbulens áramlás esetén alkalmazható a Sieder-Tate egyenlet, amely az átmeneti tartományra is kellőképpen ó becslést ad, ha Re>7000. a b c Nu C Re Pr Vis ahol Nu D Nusselt-szám [ ] D ellemző méret [m] C arányossági tényező [ ] D v Re Reynolds-szám [ ] ρ sűrűség [kg/m 3 ] η dinamikai viszkozitás [Pas] c Pr p cp Vis bulk fal Prandtl-szám [ ] falagos hőkapacitás (fahő) [J/(kg K)] viszkozitási index [ ] Turbulens tartományban C=0,03; a=0,8; b=/3; c=0,; nem viszkózus folyadékok esetében Vis. Az anyagi állandókat az átlagos hőmérsékleten kell venni. Víz, vizes oldatok esetén, valamint olyan anyagoknál, ahol a viszkozitás változása a hőmérséklet függvényében elhanyagolható Vis. Pr = 3 6 víz Pr > 3 6 más folyadékok (akár több nagyságrenddel is) Pr gáz Ha lehetséges, áramlás szempontából az átmeneti tartományt célszerű elkerülni. Amennyiben a hőátadási folyamatot átmeneti tartoményba esű áramlás mellett kell végezni, a számításokhoz pl a Gnielinski egyenlet használható: f F Nu,7 f F Re000 Pr.5 Hőátbocsátás Q k A T átl / / 3 Pr D L / 3 Vis 0,, ahol, ahol k hőátbocsátási tényező [W/(m K)] A hőátbocsátási felület [m ] T átl közepes logaritmikus hőmérsékletkülönbség [ C vagy K] Az egyes rétegek termikus ellenállásai összeadódnak: f F 3,6 lgre 3,8. 3

4 k i R i Ha két kényszeráramoltatott fluidum között n db szilárd réteg van (sík fal): k n s i.6 Közepes logaritmikus hőmérsékletkülönbség Hőmérsékletprofilok egyszerű hőcserélőkben (l a hőcserélő hossza). egyenáram ellenáram Hőmérsékletprofil, ha az egyik áram halmazállapota a hőátadás során változik (kondenzálódó gőz). Ilyenkor nincs értelme egyen-, illetve ellenáramról beszélni. A közepes logaritmikus hőmérsékletkülönbség: T átl Ta T Ta ln T b b

5 A mérés céla: A feladat céla megismekedni az ellenáramú cső a csőben hőcserélővel és saátosságaival, valamint a mért adatokból ki kell számolni a Reynolds számokat és a hőátbocsátási tényezőket, valamint becsülni a szennyezési ellenállás értékét. 3 A készülék leírása A képen látható készülék egy meleg-hideg vizes cső a csőben hőcserélő. A meleg víz áramát a -es vízóra, a Tbe, meleg hőmérsékletet. hőmérő, a Tki, meleg hőmérsékletet 3. hőmérő méri. A hideg víz áramát a 3-as vízóra, a Tbe, hideg értéket a 9. hőmérő, a Tköztes, hideg a 0. hőmérő és a Tki, hideg hőmérsékletet a. hőmérő méri. A meleg víz áramát az 5 csappal lehet állítani, míg a hideg víz áramát a 8-as szeleppel lehet szabályozni. A meleg víz felmelegítését az -es boler végzi. A hőcserélő adatai: köpeny külső átmérőe köpeny belső átmérőe (becsült) belső cső belső átmérőe belső cső külső átmérőe cső hővezetési tényezőe (rozsdamentes acél) a hőcserélő hossza 0,050 m 0,06 m 0,06 m 0,030 m 6 W m K m A mérés menete Először a falon megnyituk a központi csapot (nem látható az ábrán), mad a 6. és a 7. csapot telesen kinyituk. Az 5-ös csappal a meleg víz áramát állítsuk be úgy, hogy a térfogatáram kb. 0,36 m3 h legyen. A meleg víz térfogatáramát a -es elű vízórával mérük. Ezután az -es bolert áram alá helyezzük és 50 C-ra állítuk. Megváruk, amíg a. és a 3. hőmérő 5

6 állandósult értéket, körülbelül 50 C-ot mutat. Ezután kicsit kinyituk a 8-as elzésű szelepet és ezzel egy időben elindítuk a stopperórát. 0 percen keresztül percenként leolvassuk az összes hőmérő állását, vagy ha ez idő alatt nem állna be az állandósult állapot, akkor addig olvassuk le, amíg be nem áll. Valamint megmérük 3-as elzésű vízórával a hideg áram térfogatáramát. Állandósult állapotban percenként olvassák le az összes hőmérsékletet, és mérék meg a térfogatáramokat (5-5 adat). Számolák ki a Reynolds számot (mind a hideg mind a meleg oldalra). Ezután mindkét oldalon állítsanak be lehetőleg turbulens áramlást (ha ez nem lehetséges, részletesen indokolák a egyzőkönyvben, mellékelék a számítást, és a hőtani számításoknál a megfelelő áramlási tartományra vonatkozó képleteket használák) és az állandósult állapot eléréséig percenként mérék a hőmérsékleteket. Állandósult állapotban percenként olvassák le az összes hőmérsékletet, és mérék meg a térfogatáramokat (5-5 adat). Ezután változtassák meg a térfogatáramot. Minimum 3 állandósult állapotban mérenek. A mérés végeztével a bolert áramtalanítsák és várák meg amíg a készülék lehűl. Végül az összes csapot és szelepet gondosan zárák el. 5 Kiértékelés A mért hőmérsékleti értékekből számított átlaghőmérséklethez keressék ki a víz ellemzőit (sűrűség, falagos hőkapacitás, hővezetési tényező, dinamikai viszkozitás). Kiszámolandó (minden állandósult állapotban, a középértékek felhasználásával):. A Re-szám a hideg és a meleg oldalon.. Az átadott hőáram és a becsült hőveszteség. 3. A számított hőátbocsátási tényező.. Turbulens vagy átmeneti áramlás esetén a hőátadási tényező a hideg és meleg oldalon a megfelelő Re Nu összefüggés felhasználásával. 5. Turbulens/átmeneti áramlás esetén a szennyezések hőtani ellenállása. Vessék össze mekkora eltérést okoz, ha a hővezetés számításánál a hengeres, illetve a sík falra vonatkozó képleteket használák! A mérési leiratot a tanszéki munkaközösség korábbi munkáinak felhasználásával készítette: Székely Edit Ellenőrizte: Mizsey Péter 6