FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Laboratorij za termoenergetiko

LABORATORIJSKA VAJA

Karakteristike prenosnikov toplote

Predmet: Energetski stroji

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

1

CILJ VAJE

Cilj te vaje je pokazati

- energijsko bilanco prenosnikov toplote,

- razliko med protitočnim in istotočnim režimom obratovanja,

- razliko med posameznimi prenosniki toplote.

UVOD

Najpogosteje uporabljeni prenosniki toplote, ki se uporabljajo v industrijski praksi so:

a) Cevno paketni prenosnik toplote;

b) Prenosnik toplote cev v cevi;

c) Lamelni prenosnik toplote;

Cevno paketni prenosnik toplote

Cevno-paketni prenosnik toplote (slika 1) je sestavljen iz večjega števila vzporednih cevi, ki so

zaprte v valjasto ohišje. Prenos toplote je vzpostavljen, kadar obstaja temperaturna razlika med

toplim in hladnim tokom fluida. Hladna voda, ki teče po notranjih vzporednih cevkah se greje,

medtem ko se topla voda, ki teče okrog cevk, hladi.

Slika 1: Cevno paketni prenosnik toplote.

Prenosnik toplote cev v cevi

Prenosnik toplote cev v cevi (slika 2) je najenostavnejša oblika prenosnika toplote. Sestavljen je iz

dveh koncentričnih cevi, po katerih tečeta topli in hladni fluid. Pri normalnem delovanju hladni

fluid vstopa v notranjo kovinsko cevko, topli fluid pa v obroč med notranjo kovinsko cevko in

zunanjo akrilno cevko. Prenos toplote je vzpostavljen, kadar obstaja temperaturna razlika med

toplim in hladnim fluidom.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

2

a – notranja kovinska cevka, b – zunanja

cevka, c – plastično ohišje s senzorji in

priključki za vodo.

Slika 2: Prenosnik toplote cev v cevi.

Lamelni prenosnik toplote

Lamelni prenosnik toplote (slika 3) je zelo vsestransko uporabljen prenosnik toplote. Veliko se

uporablja v prehrambeni in kemični industriji. Sestavljen je iz paketa lamel (1) v ohišju med fiksno

ploščo (2) in premično ploščo (3). Topel in hladen fluid tečeta po kanalih na različnih straneh

posamezne lamele. Prenos toplote je vzpostavljen, kadar obstaja temperaturna razlika med toplim in

hladnim fuidom.

Slika 3: Lamelni prenosnik toplote.

Cevno-paketni prenosnik toplote in prenosnik toplote cev v cevi lahko glede na smer tokov

hladnega in toplega fluida obratujeta:

a) protitočno: Smer toka toplega fluida skozi prenosnik toplote je nasprotna smeri toka hladnega

fluida.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

3

b) istotočno: Smeri tokov toplega in hladnega fluida skozi prenosnik toplote sta enaki.

Lamelni prenosnik toplote z razliko od prenosnika toplote cev v cevi in cevno-paketnega

prenosnika toplote ne more biti nikoli popolnoma protitočni oziroma istotočni, ampak je tokovni

režim v njem istočasno tako protitočni kot istotočni.

OPIS ENOTE ZA IZVEDBO VAJE

Osnovna enota (HT30X) je sestavljena (slika 4) iz

• plastičnega podstavka (1), na katerem sta:

- glavno stikalo (1a) in

- iztočni ventil (1b),

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

4

Slika 4: Osnovna enota HT30X za izvedbo vaje.

• kontrolne enote (2), (slika 5), kjer so:

- zgornji zaslon za prikaz temperature tople vode, ob katerem je stikalo ON/OFF za pogon črpalke

in grelca (2a),

- srednji zaslon za prikaz pretoka tople in hladne vode (2b),

- spodnji zaslon za spremljanje temperatur ( )4321 ,,, TTTT (2c) na vstopu in izstopu iz cevno-

paketnega prenosnika toplote.

• črpalno-grelne enote (3), (slika 6), ki jo sestavljajo:

- črpalka (3a), ki omogoča pretoke od 0,5 l/min do 3 l/min,

- električni grelec za toplo vodo (3a), ki sestoji iz dveh 1 kW elementov,

- osnovna posoda (3b), ki služi za dolivanje sveže vode (destilirane) v sistem in hkrati omogoča,

da se iz tople vode v obtoku izloča zrak.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

5

Slika 5: Kontrolna enota.

Slika 6: Črpalno grelna enota.

• regulacijske enote (4) s priključki, (slika 7):

Hladna voda

- vtok hladne vode iz vodovodnega omrežja (4a),

- tlačni regulator (4b), ki zmanjša vpliv nihanja tlaka v vodovodnem omrežju,

- ventil za nastavitev pretoka hladne vode (4c),

- merilnik pretoka hladne vode (4d),

- vstop hladne vode v prenosnik toplote (4e).

Topla voda

- iztok tople vode iz prenosnika toplote (4f),

- vračanje tople vode v črpalko (4g),

- iztok tople vode iz črpalke (4h),

- obtočni ventil za nastavitev pretoka tople vode (4i),

- merilnik pretoka tople vode (4j),

- vodenje tople vode (4k) v osnovno posodo (3b),

- iztok tople vode (4l) iz osnovne posode,

- vstop tople vode (4m) v prenosnik toplote.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

6

Slika 7: Merilni del osnovne enote.

• prenosnika toplote (5), (slika 8):

- vzporedne cevke (5a), po katerih teče hladna voda,

- priključki za hladno vodo (5b),

- priključki za toplo vodo (5c),

- temperaturna tipala (5d).

Slika 8: Cevno-paketni prenosnik toplote s priključki.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

7

TEORETIČNE OSNOVE

Temperaturni Profil

Padec temperature toplega fluida

titvt TTT −=∆ (1)

dvig temperature hladnega fluida

hvhih TTT −=∆ (2),

kjer so

tvT - vstop tople vode v prenosnik toplote, tiT - izstop tople vode iz prenosnika toplote,

hvT - vstop hladne vode v prenosnik toplote, hiT - izstop hladne vode iz prenosnika toplote.

Oddani toplotni tok toplega fluida

ttodd hmQ ∆⋅= && (3)

Prejeti toplotni tok hladnega fluida

hhprej hmQ ∆⋅= && (4)

Izguba v okolico

prejoddizg QQQ &&& −= (5)

V primeru brez toplotnih izgub bi bila oddQ& in prejQ& enaka, vendar se lahko temu približamo samo v

teoriji. V dejanskih razmerah pa je prisoten izgubljen toplotni tok v okolico. Tako lahko definiramo

uspešnost prenosa toplote z energijskim izkoristkom, ki je definiran

odd

izg

odd

prej

Q

Q

Q

Q

&

&

&

&

−==η 1 (6)

Uničen eksergijski tok pri prenosu toplote je definiran kot razlika med eksergijama oddanega in

prejetega toplotnega toka

−⋅−

−⋅=

mh

okprej

mt

okodduni

T

TQ

T

TQE 11 &&& (7),

kjer je okT temperatura okolice, mtT srednja temperatura odvoda toplote in mhT srednja temperatura

dovoda toplote.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

8

titv

titvmt

ss

hhT

−

−= in

hvhi

hvhimh

ss

hhT

−

−= (8)

Potrebne podatke za izračun dobite v prilogi 1.

Zelo dobro merilo prenosnika toplote je učinkovitost prenosnika toplote. Ta je definirana kot

razmerje med dejansko prejetim toplotnim tokom in največjim toplotnim tokom, ki bi se lahko

prenesel pri teh temperaturah.

( )

( ) ( )hvtv

hvhihh

TTcm

TTcm

−⋅⋅

−⋅=ε

min

·

&

& (9),

kjer je tc specifična toplota toplega fluida, hc specifična toplota hladnega fluida in ( )mincm ⋅&

najmanjši produkt masnega toka in specifične toplote izmed obeh fluidov, ki tečeta skozi prenosnik

toplote. Specifične toplote določite tako, da jih odčitate pri povprečnih temperaturah (priloga 1).

Ker temperaturna razlika med toplim in hladnim tokom vzdolž prenosnika toplote ni konstantna, je

potrebno določiti srednjo temperaturno razliko, s katero lahko računamo prenos toplote. Ta srednja

temperaturna razlika se imenuje srednja logaritemska temperaturna razlika

∆

∆

∆−∆=∆

2

1

21

T

Tln

TTT

ln (10),

kjer sta za protitočni prenosnik toplote

Ttv

Thi

Tti

Thv

∆T

2

∆T

1

Tt,vm

Th,vm

dolžina

hvtihitv TTTTTT −=∆−=∆ 21 in (11)

in za istotočni prenosnik toplote

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

9

Ttv

Thi

Tti

Thv

∆T

2

∆T

1

Tt,vm

Th,vm

dolžina

hitihvtv TTTTTT −=∆−=∆ 21 in (12)

Najpomembnejša karakteristika prenosnika toplote pa je koeficient prenosa toplote, ki ga

izračunamo iz naslednje enačbe

Km

W2

ln

odd

TA

Qk

∆⋅=

&

(13),

kjer je A površina prenosa toplote v m2.

IZVEDBA VAJE

Ko ste namestili prenosnik toplote, vključili računalnik, zagnali ustrezen program (vaja B), prižgite

osnovno enoto HT30X in pričnite z izvedbo vaje.

Temperatura tople vode mora biti nastavljena na 40 °C.

PAZI:

� Pazi, da pravilno priključiš hladno vodo, sicer bodo rezultati slabi.

� Pri cevno paketnem in prenosniku toplote cev v cevi hladna voda teče po kovinskih ceveh

znotraj prenosnika toplote.

� Pri vsaki izvedbi moramo počakati kar nekaj časa, da se temperature stabilizirajo.

� Pri vsaki meritvi moramo v razmaku 20 sekund zajeti 6 vzorcev.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

10

I. Primerjava protitočnega in istotočnega režima pri prenosniku toplote cev v cevi.

a) Nameščen mora biti prenosnik toplote cev v cevi in sicer tako, da teče hladna voda po notranji

kovinski cevki.

b) 2=hm& l/min; 2=tm& l/min;

c) Izvedite vajo enkrat tako, da bo tokovni režim istotočni, drugič da bo tokovni režim protitočni.

II. Primerjava delovanja različnih prenosnikov toplote

Ko ste naredili vajo pod rimsko št. I, naredite še enako vajo za cevno paketni in lamelni prenosnik.

Opomba: Za cevno paketni prenosnik toplote naredite vajo samo za protitočni tokovni režim. Pri

lamelnem prenosniku toplote je tokovni režim mešan (ne protitočni, ne istotočni), zato

prav tako naredimo samo eno vajo.

NALOGA IN DISKUSIJA

Rezultate posameznik preizkusov imate shranjene na disketi v naslednji obliki.

LAMELNI IN CEVNO-PAKETNI PRENOSNIK TOPLOTE Sample No. Hot Water Flow

Rate [l/min]

Cold Water Flow

Rate, [l/min]

T1, [°C] T2, [°C] T3, [°C] T4, [°C]

PRENOSNIK TOPLOTE CEV V CEVI Sample No. Hot Water Flow

Rate [l/min]

Cold Water Flow

Rate [l/min]

T1, [°C] T2, [°C] T3, [°C] T4, [°C] T5, [°C] T6, [°C]

Iz rezultatov za vse štiri preizkuse, izračunajte naslednje:

1. Iz šestih vzorcev najprej izračunajte povprečne vrednosti za temperature ( tvT , tiT , hvT , hiT ) in

pretoke tople ter hladne vode ( hm& , tm& ).

2. S pomočjo podanih enačb v teoretičnih osnovah izračunajte:

- energijski izkoristek prenosa toplote η ,

- učinkovitost prenosnika toplote ε in

- koeficient prenosa toplote k .

Opombe:

Pazi, da pretoke pretvoriš v ustrezne enote (kg/s).

Ustrezne gostote, specifične toplote, entalpije ter entropije poišči v prilogi 1.

Površina prenosa toplote je =A 0,02 m2.

3. Razmislite in odgovorite na naslednja vprašanja

- Kateri režim delovanja pri prenosniku toplote cev v cevi (protitočni ali istotočni) se je

izkazal za boljšega. Primerjavo naredite na podlagi ε in k. Narišite tudi diagrama

(T-dolžina) poteka temperature za prenosnik toplote cev v cevi.

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

11

- Na podlagi izračunanega η , ε in k naredite primerjavo med posameznimi prenosniki

toplote. Kateri se izkaže za najboljšega?

- Če primerjamo prenosnik toplote cev v cevi s cevno paketnim vidimo, da je razlika

prisotna. Zakaj se pojavi ta razlika, čeprav je princip delovanja zelo podoben (enaka

prenosna površina, enaki pretoki, cev)?

- Zakaj je izguba v okolico v primeru cevno paketnega in prenosnika toplote cev v cevi tako

velika in posledično nizek energijski izkoristek? Kako bi izkoristek zvišali ne da bi

spreminjali geometrijo prenosnika toplote ali pretoka tople in hladne vode?

KARAKTERISTIKE PRENOSNIKOV TOPLOTE

12

Priloga 1: Termodinamične lastnosti vode pri tlaku 1 bar. T h s ρ cp T h s ρ cp

°C kJ/kg kJ/kgK kg/m3

kJ/kgK °C kJ/kg kJ/kgK kg/m3

kJ/kgK

0 0.0597 -0.0001 999.8424 4.2195 50 209.4173 0.7038 988.0345 4.1813

1 4.2774 0.0153 999.9012 4.2161 51 213.5988 0.7167 987.5789 4.1816

2 8.4920 0.0306 999.9423 4.2130 52 217.7806 0.7296 987.1169 4.1819

3 12.7036 0.0459 999.9665 4.2102 53 221.9627 0.7424 986.6484 4.1823

4 16.9124 0.0611 999.9742 4.2075 54 226.1452 0.7552 986.1736 4.1826

5 21.1186 0.0763 999.9660 4.2050 55 230.3279 0.7680 985.6925 4.1830

6 25.3225 0.0913 999.9423 4.2028 56 234.5111 0.7807 985.2052 4.1833

7 29.5242 0.1064 999.9036 4.2006 57 238.6946 0.7934 984.7118 4.1837

8 33.7239 0.1213 999.8504 4.1987 58 242.8785 0.8061 984.2123 4.1841

9 37.9216 0.1362 999.7830 4.1969 59 247.0628 0.8187 983.7067 4.1845

10 42.1176 0.1511 999.7018 4.1952 60 251.2476 0.8313 983.1952 4.1850

11 46.3120 0.1659 999.6073 4.1936 61 255.4328 0.8438 982.6778 4.1854

12 50.5048 0.1806 999.4997 4.1922 62 259.6184 0.8563 982.1546 4.1859

13 54.6963 0.1953 999.3794 4.1908 63 263.8045 0.8688 981.6255 4.1863

14 58.8865 0.2099 999.2468 4.1896 64 267.9911 0.8812 981.0907 4.1868

15 63.0756 0.2244 999.1020 4.1885 65 272.1781 0.8936 980.5502 4.1873

16 67.2635 0.2390 998.9454 4.1874 66 276.3657 0.9060 980.0041 4.1878

17 71.4504 0.2534 998.7774 4.1865 67 280.5538 0.9183 979.4524 4.1884

18 75.6365 0.2678 998.5980 4.1856 68 284.7425 0.9306 978.8951 4.1889

19 79.8216 0.2822 998.4077 4.1848 69 288.9317 0.9429 978.3323 4.1895

20 84.0061 0.2965 998.2065 4.1841 70 293.1215 0.9551 977.7640 4.1901

21 88.1898 0.3107 997.9949 4.1834 71 297.3118 0.9673 977.1904 4.1907

22 92.3729 0.3249 997.7729 4.1828 72 301.5028 0.9794 976.6113 4.1913

23 96.5554 0.3391 997.5408 4.1822 73 305.6944 0.9916 976.0269 4.1919

24 100.7374 0.3532 997.2988 4.1818 74 309.8866 1.0037 975.4372 4.1925

25 104.9189 0.3672 997.0470 4.1813 75 314.0795 1.0157 974.8423 4.1932

26 109.1000 0.3812 996.7858 4.1809 76 318.2730 1.0278 974.2421 4.1939

27 113.2808 0.3952 996.5152 4.1806 77 322.4673 1.0397 973.6367 4.1946

28 117.4612 0.4091 996.2354 4.1803 78 326.6622 1.0517 973.0262 4.1953

29 121.6414 0.4229 995.9465 4.1800 79 330.8578 1.0636 972.4105 4.1960

30 125.8213 0.4367 995.6489 4.1798 80 335.0542 1.0755 971.7898 4.1968

31 130.0010 0.4505 995.3425 4.1796 81 339.2513 1.0874 971.1640 4.1975

32 134.1806 0.4642 995.0275 4.1795 82 343.4493 1.0992 970.5332 4.1983

33 138.3600 0.4779 994.7042 4.1794 83 347.6479 1.1111 969.8974 4.1991

34 142.5394 0.4915 994.3725 4.1793 84 351.8474 1.1228 969.2566 4.1999

35 146.7187 0.5051 994.0327 4.1793 85 356.0478 1.1346 968.6108 4.2007

36 150.8979 0.5186 993.6849 4.1792 86 360.2489 1.1463 967.9602 4.2016

37 155.0772 0.5321 993.3292 4.1792 87 364.4510 1.1580 967.3047 4.2025

38 159.2564 0.5456 992.9657 4.1793 88 368.6539 1.1696 966.6443 4.2034

39 163.4357 0.5590 992.5945 4.1793 89 372.8577 1.1812 965.9790 4.2043

40 167.6151 0.5724 992.2158 4.1794 90 377.0625 1.1928 965.3090 4.2052

41 171.7946 0.5857 991.8296 4.1795 91 381.2681 1.2044 964.6341 4.2062

42 175.9742 0.5990 991.4360 4.1796 92 385.4748 1.2159 963.9545 4.2071

43 180.1539 0.6122 991.0353 4.1798 93 389.6824 1.2275 963.2702 4.2081

44 184.3338 0.6254 990.6273 4.1800 94 393.8910 1.2389 962.5811 4.2091

45 188.5138 0.6386 990.2123 4.1801 95 398.1007 1.2504 961.8873 4.2102

46 192.6941 0.6517 989.7903 4.1803 96 402.3114 1.2618 961.1888 4.2112

47 196.8745 0.6648 989.3615 4.1806 97 406.5232 1.2732 960.4857 4.2123

48 201.0552 0.6778 988.9258 4.1808 98 410.7360 1.2846 959.7779 4.2134

49 205.2361 0.6908 988.4835 4.1811 99 414.9500 1.2959 959.0654 4.2145