WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

Prof. M. Kamiński

Gdańsk 2015

• Znaczenie procesowe wymiany ciepła i zasady ogólne • Pojęcia i definicje podstawowe• Ruch ciepła na drodze przewodzenia• Ruch ciepła na drodze konwekcji - swobodnej /

wymuszonej – konwekcyjne wnikanie ciepła• Ruch ciepła na drodze kondensacji pary nasyconej• Ruch ciepła na drodze wrzenia

PLAN

• Ruch ciepła na drodze wrzenia• Ruch ciepła na drodze promieniowania – emisja /

absorpcja promieniowania cieplnego („podczerwieni”)• Rodzaje • Wymienniki ciepła • Przebiegi zmian temperatury w wymiennikach ciepła

różnego typu• Przenikanie ciepła i obliczanie powierzchni wymiany

ciepła

A B

Kilka rodzajów wymienników ciepła : A - spiralny, B - typu rura w rurze, C’, C” -typu płaszczowo – rurkowego : trzybiegowy (C’), dwubiegowy (C”)

C’ C”

Skraplacze, wyparki

Przewodzenie ciepła przez ściankę – płaską – jednowarstwową / wielowarstwową

BILANS WYMIANY CIEPŁA

Każda operacja związana z wymianą ciepła

podlega prawu zachowania energii, wg zasady:

-- ciepło pobrane = ciepło oddane + ciepło utracone (straty ciepła) --

Straty ciepła mogą mieć miejsce na drodze wnikania lub promieniowania

WNIKANIE CIEPŁAkonwekcja swobodna / wymuszona / wrzenie /

kondensacja pary nasyconej

• Od płynu do ścianki / od ścianki do płynu

w różnych układach geometrycznych

w różnych stanach skupienia – ciecz, gaz, para,- bez zmiany stanu skupienia, albo ze zmianą stanu skupienia

• Od kondensującej pary nasyconej do ścianki

• Od ścianki do wrzącej cieczy Podstawowe liczby kryterialne uwzględniające zjawiska wnikania ciepła

w warunkach konwekcji wymuszonej, to:

Nu = α d / ƛ ; Re = u d ρ / ɳ;

Różniczkowe równanie wnikania ciepła

WNIKANIE CIEPŁA – analiza wymiarowa

• Konwekcja swobodna

• Ogólne równanie kryterialne opisujące wnikanie ciepła podczas konwekcji swobodnej (naturalnej) w przypadku płynu dla którego wartość liczby Pr 0,5 ma postać:

• Nu = C Gr Prn

• W równaniu tym oprócz wyjaśnionych wcześniej liczb kryterialnych Nusselta Nu i Prandtla Pr pojawia się liczba Grashofa Gr:

•

• gdzie: l charakterystyczny wymiar liniowy, m

• lepkość kinematyczna płynu, m2/s

• współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, K-1

t = T T różnica temperatury między temperaturą powierzchni ścianki a temperaturą • t = Tw T różnica temperatury między temperaturą powierzchni ścianki a temperaturą ośrodka, K

• Wszystkie parametry fizykochemiczne określa się dla średniej temperatury warstwy przyściennej płynu Tm obliczonej jako średnia arytmetyczna z temperatury powierzchni ścianki Tw i temperatury ośrodka T.

• Współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu dla gazów może być w przybliżeniu obliczony z zależności:

• β = 1/T

• natomiast dla cieczy wartość współczynnika należy odczytać z tablic danych fizykochemicznych.

• Charakterystyczny wymiar liniowy l występujący w liczbach Nusselta i Grashofa jest wymiarem pionowym danego elementu omywanego przez płyn, gdyż ruch płynu podczas konwekcji naturalnej zachodzi w kierunku przeciwnym niż oddziaływanie grawitacyjne.

-- WNIKANIE / PRZENIKANIE CIEPŁA –

Temperatury ściany / płynu / różnice temperatur

Zmiana temperatury ściany / płynu podczas wnikania / przenikania ciepła;wnikania / przenikania ciepła;

Pojęcie średniej temperatury ścianki / płynu podczas wnikania / przenikania ciepła;

Pojęcie efektywnych różnic temperatury podczas wnikania / przenikania ciepła;

WSPÓŁPRĄD============

============PRZECIWPRĄD

ZASTĘPCZA RÓŻNICA TEMPERATURY WYMIENNIKA CIEPŁA

gdy

∆tw/ ∆tm < 1.5 (2)

∆ te = (∆tw + ∆tm )/2

PRZENIKANIE CIEPŁA PRZEZ ŚCIANKĘ

POWIERZCHNIA WYMIANY CIEPŁA-- powierzchnia wymiennika ciepła --

F = Q / K ∆tzast F = [m2]Q = [J/S]=[W]K=[W/ m2 K]K=[W/ m K]∆tzast=[K]

Na podstawie wartości powierzchni wymiany ciepła można zaprojektować takie wymiary geometryczne wymiennika ciepła, takie jak, długość średnicę korpusu, liczbę i średnicę rurek wymiennika ciepła oraz inne wymiary, w tym średnice króćców doprowadzających i wyprowadzających czynnik grzejny oraz ogrzewany.

PROMIENIOWANIE CIEPLNEw zakresie podczerwieni

Prawa fizyki / zasady wykorzystania w praktyce

Promieniowanie cieplne-- zastosowanie w praktyce --