ΣΥΣΕΥΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 1η Ενότητα Οκτώβριος 2013 1. Εναλλάκτης σχεδιάζεται ώστε να θερμαίνει 2 kg/s νερού από τους 20 ο C στους 60 ο C. Το θερμό ρευστό είναι επίσης νερό, με θερμοκρασία εισόδου 95 ο C. Οι συντελεστές συναγωγής στους αυλούς και το κέλυφος είναι 2000 και 1000 W/m 2 ο C αντίστοιχα και η αντίσταση του τοιχώματος μπορεί να αγνοηθεί. Ζητούνται τα ακόλουθα: (α) Αν ο εναλλάκτης λειτουργεί κατ' ομορροή, ποια η ελάχιστη απαιτούμενη παροχή θερμού νερού και ποια η απαιτούμενη επιφάνεια επαφής για παροχή θερμού νερού 20% υψηλότερη της ελάχιστης; (β) Αν ο εναλλάκτης λειτουργεί κατ' αντιρροή, ποια η ελάχιστη απαιτούμενη παροχή θερμού νερού και ποια η απαιτούμενη επιφάνεια επαφής για παροχή θερμού νερού 20% υψηλότερη της ελάχιστης; (γ) Βρήτε την επιφάνεια που απαιτεί η λειτουργία κατ' αντιρροή αν η παροχή θερμού νερού είναι ίση με αυτήν που υπολογίστηκε για την ομορροή. 2. Εναλλάκτης θερμότητας χρησιμοποιείται για την θέρμανση πετρελαίου από 26 ο C σε 102 ο C. Η θέρμανση γίνεται με συμπύκνωση κορεσμένου ατμού 110 ο C και η ειδική θερμοχωρητικότητα του πετρελαίου είναι σταθερή και ίση με 2 kj/kg ο C. Αντίθετα, ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταβάλλεται αισθητά με την θερμοκρασία του πετρελαίου (λόγω μεταβολής των φυσικών ιδιοτήτων), και για τον υπόψη εναλλάκτη είναι γνωστές οι εξής τιμές: Θερμοκρασία, ο C: 26 35 43 54 71 88 102 U, W/m 2 ο C: 140 185 230 270 340 400 450 Με τα δεδομένα αυτά, καλείστε να υπολογίσετε την απαιτούμενη επιφάνεια επαφής, Α, του εναλλάκτη. 3. Εναλλάκτης αυτλών-κελύφους τύπου 1-1 και επιφάνειας 35 m 2 θα χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση νερού 35 ο C παροχής 40 kg/min. Ως θερμαντικο διατίθεται λάδι θερμοκρασίας 110 ο C, παροχής 171 kg/min και ειδικής θερμοχωρητικότητας 1,9 kj/kg ο C. Αν ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι 145 W/m 2 ο C, να υπολογιστούν οι θερμοκρασίες εξόδου των δύο ρευμάτων.
4. Εναλλάκτης διπλού σωλήνα συμπυκνώνει 113,7 kg/h ατμού σε σταθερή θερμοκρασία 50 ο C. Ως ψυκτικό χρησιμοποιείται υφάλμυρο νερό γεώτρησης (brackish water) παροχής 0,9 kg/s και θερμοκρασίας 10 ο C, το οποίο τροφοδοτείται στον εσωτερικό σωλήνα του εναλλάκτη. Ο σωλήνας είναι χαλύβδινος (k=45 W/m ο C) με OD=25,4 mm και ID=22,1 mm. Ο συντελεστής συναγωγής από την πλευρά του ατμού είναι =10000 W/m 2 ο C. (α) Υπολογίστε το μέγεθος του εναλλάκτη για καθαρές επιφάνειες εναλλαγής. (β) Υπολογίστε το μέγεθος του εναλλάκτη χρησιμοποιώντας τις τιμές θερμικής αντίστασης επικαθήσεων κατά ΤΕΜΑ. (γ) Υπολογίστε την απόκλιση από τις τιμές σχεδιασμού ως συνάρτηση της αντίστασης επικαθήσεων, καθώς ο εναλλάκτης τίθεται σε λειτουργία καθαρός και σταδιακά ρυπαίνεται. Εξετάστε τις στρατηγικές λειτουργίας με σταθερή παροχή νερού ψύξης και με σταθερό θερμικό φορτίο. 5. Επιδιώκεται η θέρμανση 9820 lb/h κρύου βενζολίου από τους 80 ο F στους 120 ο F σε εναλλάκτη διπλού σωλήνα, χρησιμοποιώντας θερμό τολουόλιο που ψύχεται από τους 160 στους 100 ο F. Είναι επιθυμητή η πρόβλεψη συντελεστή επικαθήσεων 1000 Btu/h ft 2 ο F για κάθε πλευρά της επιφάνειας εναλλαγής και η αποφυγή πτώσης πίεσης μεγαλύτερης των 10 psi. Αν διατίθενται χαλύβδινοι σωλήνες IPS μήκους 20 ft, να επιλέξετε κατάλληλες διαμέτρους ώστε η ταχύτητες ροής να είναι υψηλότερες από 3,3 ft/s (~1 m/s) και να υπολογίσετε τον αριθμό των σωλήνων που χρειάζονται.
Νοέμβριος 2013 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 2η Ενότητα 1. Νερό παροχής 40 kg/s θα θερμανθεί από τους 40 στους 55 ο C στους αυλούς (OD=19,05 mm, ID=16,57 mm) ενός εναλλάκτη αυλών-κελύφους. Στο κέλυφος, που θα έχει ένα πέρασμα, θα τοποθετηθεί το θερμαντικό μέσο, επίσης νερό παροχής 20 kg/s και θερμοκρασίας στην είσοδο 95 ο C. Ο ολικός συντελεστής συναγωγής εκτιμάται ίσος με 1400 W/m 2 ο C, και ισχύουν δύο περιορισμοί: (α) Η ταχύτητα του νερού στους αυλούς πρέπει να είναι περίπου 0,6 m/s, και (β) το μήκος των αυλών δεν μπορεί να ξεπερνά τα 2,5 m. Με βάση τα παραπάνω, υπολογίστε τον αριθμό περασμάτων, τον αριθμό αυλών ανά πέρασμα και το μήκος των αυλών. 2. Χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες συσχετίσεις, διαμορφώστε κανόνες γρήγορου υπολογισμού της επίδρασης σχεδιαστικών μεταβλητών στον συντελεστή συναγωγής και την πτώση πίεσης εναλλάκτη αυλών-κελύφους. Ειδικότερα: (α) Υπολογίστε πώς μεταβάλεται ο συντελεστής συναγωγής και η πτώση πίεσης από την πλευρά των αυλών, συναρτήσει της διαμέτρου και του πλήθους των αυλών. (β) Υπολογίστε πώς μεταβάλεται ο συντελεστής συναγωγής και η πτώση πίεσης από την πλευρά του κελύφους, συναρτήσει της απόστασης μεταξύ ανακλαστήρων. 3. Πετρελαϊκό κλάσμα, με παροχή 58,4 t/h και θερμοφυσικές ιδιότητες ρ=1000 kg/m 3, cp=1,8 kj/kg ο C, μ=0,002 kg/(m s), k=0,13 W/m ο C θα ψυχθεί από τους 72 στους 39 ο C χρησιμοποιώντας νερό που θερμαίνεται από τους 15 στους 30 ο C. Σχεδιάστε κατάλληλο εναλλάκτη θερμότητας αυλών-κελύφους, στους αυλούς του οποίου θα κυκλοφορεί το νερό με ταχύτητα u 1 m/s, ενώ η πτώση πίεσης δεν πρέπει να ξεπερνά σε καμμία πλευρά τα 0,5 bar.
ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 3η Ενότητα Νοέμβριος 2013 1. Υγροποιημένο μεθάνιο, πυκνότητας ρ=365 kg/m 3, θερμικής αγωγιμότητας k=0,130 W/(mK), ειδικής θερμοχωρητικότητας cp=3,95 kj/(kgk) και ιξώδους μ=52x10-6 Ns/m 2, κυκλοφορεί στην μία πλευρά εναλλάκτη πλακών-πτερυγίων με μαζική ταχύτητα 20 kg/m 2 s. Ο εναλλάκτης αποτελείται από πλάκες πάχους 1,5 mm με διάκενα ροής 6 mm. Τα πτερύγια που περιέχονται στα διάκενα είναι ορθογωνικά-διακοπτόμενα, έχουν πυκνότητα 710 πτερύγια/m, και αποτελούνται από έλασμα πάχους 0,2 mm και συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας 130 W/(mK). (α) Υπολογίστε από την πλευρά του μεθανίου τον συντελεστή συναγωγής, h1, και την πτώση πίεσης ανά μέτρο μήκους του καναλιού ροής. (β) Αν ο συντελεστής συναγωγής από την άλλη πλευρά είναι ίσος με h2=2500 W/(m 2 K), υπολογίστε τον ολικό ογκομετρικό συντελεστή μεταφοράς και εκτιμήστε το μέγεθος κυβικού εναλλάκτη που θα μεταφέρει θερμική ισχύ Q=600 kw με μέση διαφορά θερμοκρασίας 6 ο C. 2. Εναλλάκτης αυλών-πτερυγίων αποτελείται από 10 x 6 σειρές αυλών στη διεύθυνση κάθετα και παράλληλα προς την ροή του αέρα, σε τριγωνική διάταξη και βήμα 6 cm. Οι αυλοί είναι κυλινδρικοί, μήκους 2 m και εξωτερικής διαμέτρου 2 cm, και έχουν 200 χαλύβδινα κυκλικά πτερύγια ανά μέτρο, ύψους 15 mm και πάχους 2 mm (k=30 W/mK). (α) Υπολογίστε τον συντελεστή συναγωγής, αν η παροχή του αέρα είναι 30 kg/s και οι θερμοφυσικές του ιδιότητες ρ=1,2 kg/m 3, cp=1 kj/kgk, μ=1,7x10-5 Ns/m 2 και k=0,025 W/mK. (β) Πόσος πρέπει να είναι ο συντελεστής συναγωγής από την πλευρά των αυλών, ώστε οι θερμικές αντιστάσεις των δύο ρευστών να είναι ίσες; 3. Εναλλάκτης πλακών-πλαισίου αποτελείται από χαλύβδινες πλάκες (k=25 W/mK) πάχους 1 mm, μήκους 1 m και πλάτους 0,25 m, οι οποίες αφήνουν μεταξύ τους διάκενο 5 mm και περιέχουν αυλακώσεις τύπου chevron με γωνία β=45 ο ως προς τη διεύθυνση ροής. Ο εναλλάκτης θα φέρει σε αντιρροή δύο ρεύματα νερού με mh= 10 kg/s, Thi=95 ο C και mc= 5 kg/s, Tci=15 ο C, των οποίων οι θερμοφυσικές ιδιότητες μπορούν να ληφθούν όμοιες και ίσες με ρ=1000 kg/m 3, cp=4,18 kj/kgk, μ=5x10-4 Ns/m 2 και k=0,65 W/mK. Υπολογίστε τις θερμοκρασίες εξόδου των ρευμάτων και την πτώση πίεσης από την πλευρά του θερμού νερού για τις περιπτώσεις 31 και 61 πλακών (15 και 30 περάσματα αντίστοιχα για κάθε ρεύμα).
ΣΥΣΕΥΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 4η Ενότητα Νοέμβριος 2013 1. Συμπυκνωτής κλιματιστικής μονάδας αποτελείται από χαλκοσωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 8 mm και συνολικού μήκους 3,8 m. Αν το ψυκτικό μέσο είναι R22, εισέρχεται ως κορεσμένος ατμός σε θερμοκρασία 45 ο C με μαζική παροχή 0,038 kg/s και εξέρχεται ως κορεσμένο υγρό με υψομετρική διαφορά Δz=0,60 m: (α) Υπολογίστε την πτώση πίεσης λόγω υψομετρικής διαφοράς, τριβών και επιτάχυνσης. (β) Σχολιάστε την επίπτωση που θα έχει αυτή η πτώση πίεσης στην θερμοδυναμική απόδοση του συμπυκνωτή. (Ιδιότητες R22 στη θερμοκρασία εισόδου: ρ L =1106,2 kg/m 3, ρ G =75,5 kg/m 3, μ L =1,307x10-4 Pa s, μ G =1.361x10-5 Pa s, dt sat /dp sat =2,5) 2. Οριζόντιος εναλλάκτης αυλών κελύφους θα συμπυκνώνει στο κέλυφος παροχή 8 kg/s κορεσμένων ατμών βουτανίου θερμοκρασίας 48 ο C (P sat =4,7 bar), χρησιμοποιώντας ως ψυκτικό νερό θερμοκρασίας 30 ο C. (α) Σχεδιάστε τον εναλλάκτη, χρησιμοποιώντας αυλούς εξωτερικής διαμέτρου 20 mm και πάχους 2 mm, διαταγμένους τριγωνικά με βήμα PT=26 mm. (β) Αν ο εναλλάκτης λειτουργεί ως συμπυκνωτής του προϊόντος κορυφής στήλης κλασματικής απόσταξης, εκτιμήστε το ελάχιστο ύψος στο οποίο πρέπει να τοποθετηθεί ώστε η τροφοδοσία του ρεύματος επαναρροής να μην απαιτεί αντλία.
ΣΥΣΕΥΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 5η Ενότητα Δεκέμβριος 2013 1. Επίπεδη χάλκινη πλάκα είναι βυθισμένη σε νερό θερμοκρασίας 100 ο C σε πίεση 1 atm και θερμαίνεται ηλεκτρικά. Αν η τυπική διάσταση επιφανειακής μικροκοιλότητας είναι 5 μm και η σταθερά της συσχέτισης Rohsenow είναι για το σύστημα χαλκός-νερό Csf=0,013, υπολογίστε: (α) Την ελάχιστη υπερθέρμανση για έναρξη βρασμού με πυρηνογένεση, καθώς και την θερμορροή και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στις συνθήκες αυτές. (β) Την κρίσιμη θερμορροή, την υπερθέρμανση που την προκαλεί και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στις συνθήκες αυτές. 2. Ατμοπαραγωγός αποτελείται από αυλούς εσωτερικής διαμέτρου d=12 mm και μήκους L=2 m, και το νερό εισέρχεται σε πίεση 70 bar και θερμοκρασία 204 ο C με μαζική ταχύτητα G=2500 kg/m 2 s. Αν η θερμική φόρτιση κάθε αυλού είναι ομοιόμορφη σε όλο το μήκος του, υπολογίστε την μέγιστη ποιότητα που μπορεί να επιτευχθεί στην έξοδο του αυλού χωρίς το τοίχωμα να στεγνώσει (dryout). Συγκρίνετε την θερμορροή στις συνθήκες αυτές με την κρίσιμη θερμορροή για μετάπτωση σε βρασμό υμένα. Πώς μεταβάλονται τα παραπάνω αν το μήκος του αυλού αυξηθεί σε L=5,0 m και αν μειωθεί σε 0,5 m; 3. Αναβραστήρας τύπου κατακόρυφου θερμοσίφωνα αποτελείται από 80 αυλούς OD=25 mm, ID=21,8 mm και μήκους L=2,0 m. Ο αναβραστήρας τροφοδοτείται με κορεσμένο υγρό βουτάνιο σε πίεση 20 bar, και η θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας των αυλών διατηρείται ίση με 125 ο C, λόγω συμπύκνωσης ατμού από την πλευρά του κελύφους. (α)επιλέξτε ταχύτητα υγρού στους αυλούς και υπολογίστε την παροχή ατμού στην έξοδο. (β) Υπολογίστε την στάθμη υγρού στην στήλη απόσταξης, η οποία παρέχει την απαιτούμενη πτώση πίεσης. 4. Υγρό εξάνιο με θερμοκρασία κορεσμού 97 ο C τροφοδοτείται σε εξατμιστήρα υγρού υμένα, ο οποίος αποτελείται από 100 αυλούς εσωτερικής διαμέτρου 30 mm και μήκους 3 m. Η θερμοκρασία του τοιχώματος των αυλών είναι σταθερή και ίση με 100 ο C. Αν η παροχή εξανίου είναι ίση με 10 kg/s, βρήτε το ποσοστό της που εξατμίζεται και υπολογίστε τον μέσο συντελεστή μεταφοράς από την πλευρά της εξάτμισης.