ΑEI ΠΕΙΡΑΙΑ(ΤΤ) ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ-ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΕΡΓ. ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 7 ΑΣΚΗΣΗ: ΕΝΑΛΛΑΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΟΜΟΚΕΝΤΡΩΝ ΣΩΛΗΝΩΝ ΜΕΘΟΔΟΣ LMTD Σκοπός τς άσκσς Ο υπολογισμός του μεταφερόμενου ποσού θερμόττας σε εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων, ο συνολικός θερμικός βαθμός απόδοσς, οι θερμοκρασιακές αποδόσεις των δύο ρευμάτων και ο υπολογισμός του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμόττας, U, με τ μέθοδο LMTD (Logaritmi Mean Temperature Differene), σε λειτουργία ομορροής και αντιρροής. Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Οι Εναλλάκτες θερμόττας είναι διατάξεις στις οποίες δύο ρεύματα ρευστών διαφορετικής θερμοκρασίας (ένα θερμό και ένα ψυχρό) ανταλλάσσουν μεταξύ τους θερμόττα, σε άμεσ ή έμμεσ επαφή. Η πιο απλή, κατασκευαστικά, μορφή εναλλάκτ θερμόττας, είναι αυτή των ομόκεντρων σωλήνων. Σχήμα : Σχματική απεικόνισ εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων αντιρροής Σε αυτό το είδος εναλλάκτ θερμόττας, διεύθυνσ ροής των δύο ρευμάτων είναι παράλλλ. Ανάλογα με τ φορά των ρευμάτων των δύο ρευστών, λειτουργία των εναλλακτών ομόκεντρων σωλήνων χαρακτρίζεται ως ομορροής ή αντιρροής. Στους εναλλάκτες ομορροής, τα δύο ρευστά εισέρχονται στν ίδια πλευρά και εξέρχονται από τν ίδια πλευρά του εναλλάκτ. T T i T T T To T Σχήμα : Διαγραμματική απεικόνισ εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων ομορροής Στους εναλλάκτες αντιρροής, ροή των δύο ρευστών είναι αντίθετς φοράς και τα ρευστά εισέρχονται από αντίθετ πλευρά και εξέρχονται κατά τν αντίθετ πλευρά τς διάταξς. L x rev. /06 Σελίδα
T T i T T T T o T Σχήμα : Διαγραμματική απεικόνισ εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων αντιρροής Στν περίπτωσ, που τα δύο ρευστά δεν υπόκεινται σε αλλαγή φάσς και οι ειδικές θερμοχωρτικόττες, C p, θεωρθούν σταθερές, τότε το μεταφερόμενο ποσό θερμικής ισχύος από κάθε ρεύμα ρευστού δίνεται από τ σχέσ (): T= T T ή Τ= T T όπου p L Qɺ = mc ɺ T () Σε ιδανικές συνθήκες (μδενικές απώλειες θερμόττας) λειτουργίας, το ποσό θερμόττας που απολλύει το θερμό ρεύμα, προσλαμβάνεται από το ψυχρό ρεύμα: = () Σε διαφορετική περίπτωσ, ορίζεται συνολική θερμική απόδοσ ως: Qɺ t = 00 Qɺ 0 ( 0 ) Η θερμοκρασιακή απόδοσ του θερμού ρεύματος δίνεται από τ σχέσ: = 00 ( ) 0 0 Η θερμοκρασιακή απόδοσ του ψυχρού ρεύματος δίνεται από τ σχέσ: = 00 ( ) 0 0 Η ακριβής αναπαράστασ τς μέσς θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ θερμού και ψυχρού ρεύματος σε κάθε σμείο του εναλλάκτ, δίνεται από τ μέσ λογαριθμική θερμοκρασιακή διαφορά ΔΤ lm : Ti T Tlm = Ti ln T Μια επιπλέον σμαντική σχέσ που συσχετίζει τ ροή θερμόττας με τ μέσ θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ θερμού και ψυχρού ρεύματος, είναι εξής: o o x () () () (6) Σελίδα
( T ) A Ti o Qɺ = = UA( Ti To) = UA Tlm (7) r + ln + r k r r i o όπου U ο συνολικός συντελεστής μετάδοσς θερμόττας. U r ln r k r r = + + (8) i o Οι εναλλάκτες ομόκεντρων σωλήνων χρσιμοποιούνται σε εφαρμογές παστερίωσς, χώνευσς, ανάκτσς θερμόττας, προθέρμανσς, ψύξς καυσαερίων. Επίσς, μπορούν να χρσιμοποιθούν σε πιέσεις έως 0barκαι σε εύρος θερμοκρασιών από -00 έως 700 C. Για τν οικονομία του χώρου, διαμορφώνονται σε σχήμα U.. Περιγραφή πειραματικής διάταξς: Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ο εναλλάκτς θερμόττας ομόκεντρων σωλήνων νερού-νερού περιλαμβάνει δύο ομόκεντρους αγωγούς, εντός των οποίων κυκλοφορεί νερό διαφορετικής θερμοκρασίας. Το θερμότερο των δύο ρευμάτων κυκλοφορεί στον εσωτερικό αγωγό, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα, ενώ το ψυχρότερο ρεύμα κυκλοφορεί στο διάκενο χώρο των δύο αγωγών. Ο εναλλάκτς θερμόττας τροφοδοτείται μέσω μιας μονάδας υπό μορφή πάνελ. Το θερμό ρεύμα διαμορφώνεται με λεκτρικούς θερμαντήρες εμβαπτισμένους σε εσωτερική δεξαμενή και παρέχεται στν είσοδο του εναλλάκτ από τν έξοδο HOT OUT στο πάνελ. Επιστρέφει στ δεξαμενή από τν είσοδο HOT RETURN. Το ψυχρό ρεύμα είναι νερό δικτύου και παρέχεται από τν έξοδο COLD OUT, ενώ επιστρέφει στν είσοδο COLD RETURN. Σχήμα : Φωτογραφία συσκευής Η0 (P.A. Hilton)και σχέδιο εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων σε διαμόρφωσ ομορροής Σελίδα
Η σύνδεσ του θερμού ρεύματος με τον εναλλάκτ πραγματοποιείται μέσω μεταλλικά επενδεδυμένου σωλήνα, ενώ αυτή του ψυχρού μέσω πλαστικού. Ο αγωγός του θερμού ρεύματος καταλήγει σε θλυκό βύσμα σε αντίθεσ με τον αγωγό του ψυχρού, όπου το βύσμα είναι αρσενικό. Η διαμόρφωσ περιλαμβάνει διευθέτσ ομορροής και αντιρροής. H αλλαγή σύνδεσς στο ψυχρό ρεύμα, γίνεται ακόμ και σε κατάστασ λειτουργίας του εναλλάκτ, για τν εναλλαγή μεταξύ ομορροής και αντιρροής. Τρία σταθερά θερμοζεύγτ, Τ, Τ είναι τοποθετμένα κατά μήκος του θερμού ρεύματος, στν είσοδο, στο μέσο και στν έξοδο του εναλλάκτ. Αντίστοιχα, τρία σταθερά θερμοζεύγτ, Τ 6, Τ είναι τοποθετμένα κατά μήκος του ψυχρού ρεύματος, στν είσοδο, στο μέσο και στν έξοδο του εναλλάκτ..διαδικασία Λήψς Μετρήσεων a. Τοποθετείστε τον εναλλάκτ ομόκεντρων σωλήνων στο πάνελ και συνδέστε τον σε διαμόρφωσ ομορροής. b. Πατήστε τον κεντρικό διακόπτ Main Swit, ώστε να τεθεί σε λειτουργία αντλία και το διακόπτ θέρμανσς Heater Swit, ώστε να ενεργοποιθεί ο λεκτρικός θερμαντήρας.. Ρυθμίστε τον ελεγκτή σε θερμοκρασία 60 C. d. Ρυθμίστε τν παροχή μάζας του ψυχρού ρεύματος στα 0g/s και του θερμού στα 0g/s. e. Βεβαιωθείτε ότι οι θερμοκρασίες εισόδου των δύο ρευμάτων παραμένουν σταθερές και καταγράψτε τις θερμοκρασίες T, T, T, T, T, T 6 καθώς και τις παροχές μάζας mɺ ot και mɺ old. f. Αυξήστε τ ροή μάζας του ψυχρού ρεύματος στα 0g/s (διατρώντας τ ροή μάζας του ψυχρού ρεύματος σταθερή) και περιμένετε να σταθεροποιθούν οι θερμοκρασίες T, T, T, T, T, T 6, οπότε και καταγράψτε τις τιμές τους, μαζί με τις ροές μάζας mɺ ot και mɺ old. g. Ομοίως και για τ ροή μάζας του ψυχρού ρεύματος 0g/s, 0g/s, 0g/s.. Κατόπιν, αλλάξτε τ διεύθυνσ ροής του ψυχρού ρεύματος, ώστε ο εναλλάκτς να λειτουργεί σε διαμόρφωσ αντιρροής. i. Αφού βεβαιωθείτε ότι οι θερμοκρασίες εισόδου των δύο ρευμάτων παραμένουν σταθερές, καταγράψτε τις θερμοκρασίες T, T, T, T, T, T 6 καθώς και τις ροές μάζας mɺ ot και mɺ old για τα ίδια ζεύγ ροής μάζας θερμού και ψυχρού ρεύματος.. Φύλλο Μετρήσεων & Υπολογισμών Να συμπλρωθούν οι Πίνακες Μετρήσεων. Σελίδα
Α) Ομορροή ΠΙΝΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Μέτρσ Α/Α Τ Τ Τ Τ Τ 6 Τ mɺ ot mɺ old Β) Αντιρροή Μέτρσ Α/Α Τ Τ Τ Τ Τ 6 Τ mɺ ot mɺ old Δεδομένα Εσωτερικός αυλός: Υλικό: ανοξείδωτος χάλυβας Εξωτερική διάμετρος: 0.0m Πάχος τοιχώματος: mm Ενεργό μήκος συναλλαγής θερμόττας: x 0.80m Επιφάνεια συναλλαγής θερμόττας: 0.098m Eξωτερικός αυλός: Υλικό: διαφανές ακρυλικό Εσωτερική διάμετρος: 0.0m Πάχος τοιχώματος: mm Γ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ. Να παρασταθεί γραφικά θερμοκρασία ως συνάρτσ του μήκους του εναλλάκτ και για τις δύο διαμορφώσεις (ομορροή, αντιρροή) σε διαφορετικά διαγράμματα, για τν πρώτ μέτρσ (μόνο) κάθε διαμόρφωσς.. Να υπολογισθεί ροή θερμόττας για τα δύο ρεύματα ρευστών. Σελίδα
. Να υπολογισθεί ολική θερμική απόδοσ του εναλλάκτ.. Να υπολογισθούν οι θερμοκρασιακές αποδόσεις του θερμού και του ψυχρού ρεύματος.. Να υπολογισθεί ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμόττας (U), με υπόψ το ποσό θερμόττας που απολλύει το ψυχρό ρεύμα. 6. Να συμπλρωθούν οι ακόλουθοι Πίνακες Υπολογισμών με τα παραπάνω αποτελέσματα. ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΟΜΟΡΡΟΗΣ Μέτρσ Α/Α t T lm T ot T old U (W/m K) ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΑΝΤΙΡΡΟΗΣ Μέτρσ Α/Α t T lm T ot T old U (W/m K) 7. Να παρασταθεί γραφικά μεταβολή θερμοκρασίας των δύο ρευμάτων ως συνάρτσ τς ροής μάζας του ψυχρού ρεύματος, για τ διαμόρφωσ ομορροής. 8. Να παρασταθεί γραφικά μεταβολή του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμόττας του εναλλάκτ ρευμάτων ως συνάρτσ τς ροής μάζας του ψυχρού ρεύματος για τ διαμόρφωσ ομορροής. 9. Να σχολιασθούν τα αποτελέσματα. Ποια διαμόρφωσ εναλλάκτ (ομορροής ή αντιρροής) είναι αποδοτικότερ και γιατί; Πότε αυξάνει ροή θερμόττας μεταξύ των ρευμάτων και γιατί; 0. Σε ποιες περιπτώσεις χρσιμοποιούνται οι εναλλάκτες ομόκεντρων σωλήνων; Υπάρχουν εφαρμογές στις οποίες προτιμώνται οι εναλλάκτες ομορροής; Σελίδα 6