PROTOKOLL SOOJUSVAHETI (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Keemiatehnika instituut
Laboratoorne töö õppeaines

Keemiatehnika alused

SOOJUSVAHETI

Tallinn
2015
KATSESEADME KIRJELDUS
Soojusülekandeprotsessi uurimiseks kasutatakse soojusvahetit, mis koosneb neljast sektsioonist (Joonis 1). Soojusvaheti on ühendatud kuuma ja külma vee torustikuga. Kuum soojuskandja liigub sisemises torus, külm soojuskandja sisemise ja välimise toru vahelises ruumis. Sisemine toru (1) on valmistatud valgevasest, läbimõõduga 16×1,2 mm, välimine toru (2) terasest, läbimõõduga 34×2,6 mm. Välimised torud on isoleeritud vahtpolüetüleenikihiga. Isolatsiooni välimine läbimõõt on 50 mm; ühe sektsiooni pikkus 1,2 m. Vahtpolüetüleeni soojusjuhtivusteguri väärtus on 0,035 kuni 0,040 W/m·K.
Külma vee torustikul on ventiilid (3 ja 4) vee juhtimiseks soojusvahetisse ning vee kulu reguleerimiseks. Külma vee kulu reguleeritakse rotameetri PC-5 (5) näidu järgi. Kuuma vee torustikul on ventiil (8) kuuma vee juhtimiseks soojusvahetisse, ventiil (7) vee kulu reguleerimiseks ja neljakäiguline jaotuskraan (9) voo suuna muutmiseks. Kuuma vee kulu reguleeritakse rotameetri PC-5 (6) näidu järgi. Vee kulu täpseks määramiseks mõõdetakse teatud aja jooksul äravoolust väljavoolanud vee kogus, mille järgi arvutatakse keskmine kulu.
Soojuskandjate temperatuuride mõõtmiseks, samuti ka välisseina (isolatsiooni välispinna) ja ümbritseva õhu temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse K-tüüpi termopaare, mis on ühendatud elektrilise sekundaarse mõõteriistaga.
Positsioonlüliti ümberlülitamisel mõõdetakse järgmised temperatuurid:
positsioon 0 – sooja vee temperatuur väljumisel (pärivoolu korral) või sisenemisel ( vastuvoolu korral),
1 – sooja vee temperatuur väljumisel (vastuvoolu korral) või sisenemisel (pärivoolu korral),
2 – külma vee temperatuur väljumisel,
3 – külma vee temperatuur sisenemisel,
4, 6 – temperatuur välimise toru seinal,
5, 7 – temperatuur isolatsiooni pinnal,
8, 9 – ümbritseva keskkonna (õhk torude vahel) temperatuur
ARVUTUSED
Aeg τ, min
kuuma vee kulu
külma vee kulu
 
temperatuurid ◦c
aeg,s
vee hulk, kg
Gs, kg/s
aeg,s
vee hulk, kg
Gk, kg/s
∆tkesk
Termopaaride nr:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
13
1
0,08
60
2,02
0,034
22,68
64
50
41
18
35
31
35
27
26
26
30
13
1
0,08
60
2,6
0,043
23,59
63
45
35
17
29
28
28
26
25
25
60
13
1
0,08
60
4,15
0,07
25,303
64
45
33
18
30
28
28
27
26
26
Iga statsionaarse oleku jaoks koostatakse katseandmete põhjal soojusbilanss
; (1)
, (2)
kus Gs, Gk – kuuma ja külma vee kulud, kg/s,
c – vee soojusmahtuvus vee keskmisel temperatuuril, J/(kg·K),
– sooja ja külma vee temperatuurid soojusvahetisse sisenemisel, 0C,
– sooja ja külma vee temperatuurid soojusvahetist väljumisel, 0C.
Qs=Gs*c(ts+-ts-)=0,007*4910*(64-50)= 4516,8 J/s
Qk=Gk*c(tk+-tk-)=0,034*4185*(41-18)= 3272,7 J/s
1. Qk=3272,7 J/s Qs=4516,8 J/s
2. Qk=3243,1 J/s Qs=5814,3 J/s
3. Qk=4404,8 J/s Qs=6137,3 J/s
Qkadu=Qs-Qk = 4516,8-3272,7=1244,15 J/s
1. Qkadu =1244,15 J/s
2. Qkadu=2571,21 J/s
3. Qkadu=1732,535 J/s

Soojuskaod arvutatakse soojusbilansivõrranditest (1) ja (2) ning valemist:
Qkadu=10,23*0,8199*(31-26)= 48,68425 J/s
1.Qkadu=48,68425 J/s
2. Qkadu=28,80525 J/s
3.Qkadu=19,0684 J/s
Summaarsed kaod:
Qkadu1=1244+49=1293 J/S
Qkadu2=2600 J/s
Qkadu3=1752 J/s
(3)
kus k on soojusülekandetegur seadme välispinnalt õhule, W/m2·K:
k=9,74+0,07(35-31)= 10,09 W/m2·K
1.k=10,23 W/m2·K
2.k=10,09 W/m2·K
3.k=9,95 W/m2·K
kus AV – soojusvaheti välispind, m2,
tsein – temperatuur isolatsiooni pinnal, 0C,
tõ – ümbritseva keskkonna (õhu) temperatuur, 0C.

Soojusbilansivõrrandite (1) ja (2) ning valemi (3) abil arvutatud soojuskadude põhjal leitakse isolatsioonmaterjali ligikaudne soojusjuhtivustegur :
, (5)
kus dsein – isolatsiooni välisläbimõõt, m,
d – välimise toru välisläbimõõt, m,
l – soojusvaheti sirge osa pikkus, m,
t – temperatuur välimise toru pinnal, 0C.
λ == =4,14
1.λ =4,14
2.λ =33,26
3.λ =11,30
5.4. Iga statsionaarse režiimi jaoks arvutatakse soojusläbikandeteguri väärtus (katseline) soojusläbikandevõrrandist:
Ukats== 717,797389 W/(m2*K)
1.Ukats=717,797389 W/(m2*K)
2.Ukats=888,319368 W/(m2*K)
7.Ukats=874,212075 W/(m2*K)
(6)
kus Q – kuuma vee poolt äraantud soojushulk , W,
A – soojusvahetuse pind, m2:
(7)
d – sisemise toru välimine diameeter , m,
Δtkesk – soojusläbikande keskmine liikumapanev jõud, st keskmine kuuma ja külma vee temperatuuride vahe, 0C.
ΔT=[(64-18)-(50-41)]/ln(46/9)= 22,67967 K
1.ΔT=22,67967 K
2.ΔT=23,59022 K
3.ΔT=25,30261 K
5.5. Iga statsionaarse režiimi jaoks arvutatakse soojusläbikandeteguri väärtus
(n-ö arvutuslik) lähtudes soojusülekandetegurite väärtustest vastavalt valemile (7)
, (8)
kus kk, ks – soojusülekandetegurid vastavalt külmas ja kuumas vees, W/(m2·K),
δ – sisemise toru seina paksus, m,
λ – sisemise toru materjali (valgevase) soojusjuhtivustegur, W/(m2·K),
∑rsaast – toru pinnale settinud saaste termiline takistus, m2·K/W.
T
V, kg/s
ρ, kg/m3
k, W/(m*K)
Pr
μ
Re
režiim
Nu
h
Uarv
64
0,077
980
0,663
2,78
0,0004
2049
Laminaarne
16,9282
623,429
 
41
0,034
992,3
0,631
4,368
0,0007
962,421
Laminaarne
9,59615
336,398
218,354
35
0,043
994,1
0,626
4,51
0,0007
1230 ,11
Laminaarne
10,5258
365,771
230,361
33
0,073
955,06
0,621
5,017
0, 0008
2029,94
Laminaarne
12,8881
444,469
259,274
Soe vesi: Re=2049
Külm vesi:
1.Re=962,421
2.Re=1230,11
3.Re= 2029,94
Soojale veele : Nu=16.92
Külmale veele:
= 1,86*(962,421*4,368*0392/1,2)^(1/3)=9,60
1.Nu=9,60
2.Nu=10,53
3.Nu=12,89
=9,60*0,631/0,018=336,398 W/(m2*K)
Soojale veele: h=623,429 W/(m2*K)
Külmale veele:
1.h=336,398 W/(m2*K)
2.h=365,771 W/(m2*K)
3.h=444,469 W/(m2*K)
1.Uarv=218,354 W/(m2*K)
2.Uarv=230,361 W/(m2*K)
3.Uarv=259,274 W/(m2*K)
Graafik 1.
Graafik 2.
Kokkuvõte:
Kõige suurem soojuskadu oli teises katses, kui Qsum =2600 J/s.
Soojusläbikandetegurid, mis olid saadud katseliselt ja arvutuslikult erinesid teineteisest üsna palju. Esimese katse puhul Uarv oli 218,35 W/(m2*K) ning Ukats 717,80 W/(m2*K). See võib olla tingitud katsetulemust ebatäpsest mõõtmisest ning külma vee kulu ebastabiilsest kulust.