WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI
CIEPŁA
Prof. M. Kamiński
Gdańsk 2015
PLAN
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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
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
C’
B
C”
Kilka rodzajów wymienników ciepła : A - spiralny, B - typu rura w rurze, C’, C” typu płaszczowo – rurkowego : trzybiegowy (C’), dwubiegowy (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 CIEPŁA
konwekcja 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 = 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;
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 = [m2]
Q = [J/S]=[W]
K=[W/ m2 K]
∆tzast=[K]
F = Q / K ∆tzast
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 CIEPLNE
w zakresie podczerwieni
Prawa fizyki / zasady wykorzystania w praktyce
Promieniowanie cieplne
-- zastosowanie w praktyce --