Virtaukset & Reaktorit

Transkriptio

1 Virtaukset & Reaktorit Teollisuuden lämmönsiirtimet 1 Kertaus, lämmönsiirron perusteet Lämpöä siirtyy kolmella mekanismilla: 1) Johtuminen 2) Säteily 3) Konvektio 2

2 Kertaus, lämmönsiirron perusteet Lämmön johtumisessa lämmönsiirtovuo on suoraan verrannollinen lämmönjohtavuuteen ja lämpötilagradienttiin (Fourierin laki) q = -l dt dx Säteilytehoon kappaleiden välillä vaikuttavat: säteilevän kappaleen absoluuttisen lämpötilan neljäs potenssi säteilylähteen pinta-ala säteilylähteen näkyvyys 3 Kertaus, lämmönsiirron perusteet Lämmönsiirtokerroin määritellään verrannollisuuskertoimena: Sarjassa olevien lämmönsiirtovastusten vaikutus on muotoa = hadt = - DT S R i Lämmönsiirtokertoimia esitetään tyypillisesti dimensiottomien lukujen välisinä korrelaatioina: Nu = f(re, Pr) 4

3 Oppimistavoite tälle kerralle Kerrata lämmönsiirtomekanismit ja lämmönsiirtokertoimen käsite Tuntea lämmönsiirtokertoimien arvioinnin periaatteet korrelaatioita käyttäen Tuntea kiehumisen ja lauhtumisen vaikutus lämmönsiirrossa Tuntea teollisuuden tyypillisimmät lämmönsiirrintyypit Perehtyä lämmönsiirrinten laskentaan ja mitoitukseen - Energiataseet kylmälle ja kuumalle virralle - Lämmönsiirtoyhtälö, jossa logaritminen lämpötilaero 5 Konvektio Konvektiivisella lämmönsiirrolla tarkoitetaan yleensä sitä, kun lämpö siirtyy kiinteän aineen ja virtaavaan fluidin välillä Virtaava fluidi siirtää lämpöä lämpöpatterin läheltä huoneilmaan 6

4 Konvektion tyypit Vapaa konvektio ( luonnonkierto ): Fluidin virtaus tapahtuu lämmenneen materian tiheyden muutoksen vaikutuksesta Pakotettu konvektio: Fluidin virtaus esim. pumpulla 7 Konvektio Mitkä asiat vaikuttavat konvektiiviseen lämmönsiirtoon? virtaavan aineen nopeus (vaikuttaa rajakerroksen paksuuteen) aineominaisuudet - viskositeetti - tiheys - lämmönjohtavuus - ominaislämpökapasiteetti kiinteän kappaleen muoto, koko ja asento muut ympärillä olevat kappaleet (esim. putki vs. putkipakka) 8

5 Lämmönsiirtokerroin konvektiossa Pakotettu konvektio: Koetuloksista kehitetään riippuvuus dimensiottomien lukujen välille Nu = f (Re,Pr) Nusseltin luku Prandtlin luku Reynoldsin luku Nu = hd/l Pr = c p h/l Re = vdr/h Vapaassa konvektiossa on otettava mukaan sellaisia dimensiottomia lukuja, joissa on lämpölaajeneminen ja gravitaatio mukana, esim. Gr = D 3 r 2 gbdt/h 2 9 Esimerkkitehtävä Istut talvella liikkuvassa junassa. Millä edellytyksillä ikkunan sisäpuolelle tiivistyvä vesi jäätyy? Mitkä asiat tähän vaikuttavat ja miten? Miten asian voisi laskea? 10

6 Oletetaan joitain sopivia asioita, ja lasketaan onko lasin sisäpinnan lämpötila pakkasen puolella - Ilman kosteus junan sisällä on sellainen, että kastepiste on yli 0 o C - Lasi on pystysuora tasoseinä, jossa on kaksi kerrosta ja niiden välissä ilmarako - Lasin ulkopuolella lämpö siirtyy pakotetulla konvektiolla lasista ulkoilmaan - Lasin sisäpuolella lämpö siirtyy vapaalla konvektiolla junan sisäilmasta lasin pintaan 11 Tarvitaan korrelaatiot lämmönsiirtokertoimille. Näitä löytyy kirjallisuudesta eri geometrioille Esim. oheinen vapaasti ladattava kirja ww/ahtt.html Löytyy myös Knovelista: ex.v?host= 12

7 Tarvitaan korrelaatiot lämmönsiirtokertoimille. Näitä löytyy kirjallisuudesta eri geometrioille Ikkunan sisäpuolella vapaa konvektio (pystysuora tasoseinä) Nu L = Ra 1/ 4 L Ø Œ1 + Œº Ł Pr ł 9/16 ø œ œß -4 /9 Ikkunan ulkopuolella pakotettu konvektio (geometria?) Lämmönsiirtokertoimet näistä 1/ 4 Nu L = 0.664ReL Nu = hl L l Pr 1/3 L? c h Pr = p l Ikkunan vastus? 13 Aineominaisuudet ilmalle löytyvät kirjallisuudesta. Ilmalle: Tiheys 1.2 kg/m 3 Ominaislämpökapasiteetti 1 kj/kgk Viskositeetti Pas Lämpölaajenemiskerroin /K Lämmönjohtavuus W/mK Lisäksi: Lämmönjohtavuus pleksilasille 0.2 W/mK Lasien paksuudet yhteensä 4mm Ilmaraon paksuus 4 mm Ikkunan koko 1 1m Junan nopeus 80 km/h 14

8 Lisäksi oletetaan junan vauhti ja sopivat sisä- ja ulkoilman lämpötilat Ikkunan sisäpuolen lämmönsiirtokerroin riippuu Rayleighin luvusta, joka taas riippuu lämpötilaerosta. Arvataan ikkunan sisä- ja ulkopintojen lämpötilat, ja lasketaan lämmönsiirtovuot: q = h - sisä ikkuna sisä ( Tjuna Tikkuna,sisä ) ( Tikkuna,sisä Tikkuna,ulko ) ( T T ) q = h - ikkuna ikkuna q = h - ulko ikkuna,ulko ulkoilma Saadaan korrelaatioista Tiedetään Iteroidaan niin että vuot ovat samat 15 Juna lähes paikallaan 16

9 Juna liikkuu 80 km/h 17 Lauhtuminen Höyry nesteytyy kylmään pintaan Lauhtumistehon laskemiseksi tarvitaan lämmönsiirtokerroin samoin kuin aikaisemminkin = hadt 18

10 Lauhtuminen Esimerkkejä arkielämästä? (aamu) kaste huurteiset ikkunat sumu 19 Lauhtuminen Höyry voi lauhtua kylmälle pinnalle kahdella tavalla: filminä tai pisaroina Pisaralauhtumisessa lämmönsiirtokerroin 5-8 kertaa suurempi kuin filmilauhtumisessa Mukana voi olla myös lauhtumattomia kaasuja 20

11 Pisaralauhtuminen 21 Lika Ohut, jopa alle 1 mm paksu likakerros pudottaa lämmönsiirtokertoimen murto-osaan alkuperäisestä Oleellinen kaikissa lämmönsiirtotehtävissä, mutta etenkin lauhtumisessa ja kiehumisessa, kun lämmönsiirto on muuten tehokasta = R - DT + R + R

12 Kiehuminen Kiehumisessa kuumalle pinnalle muodostuu kuplia samaan tapaan kuin lauhdutuksessa pisaroita Kiehuminen tai höyrystyminen sitoo runsaasti energiaa Kuumalle pinnalle kertyy helposti likaa, esimerkiksi kiteytyviä sakkoja 23 BURKEITE SCALE AND WASHED SURFACE Na 2 CO 3 2Na 2 SO 4 24

13 Kiehuminen Miksi koeputkeen laitetaan keitinkiviä? Tietyissä olosuhteissa vesi, maito tai muu neste voi ylikuumeta paikallisesti ja sitten yhtäkkisesti höyrystyä kuohuen runsaasti Kiehuminen vaatii kupla-alkioita 25 Kiehuminen Lämpötilaero kuumennuspinnan ja kiehuvan nesteen välillä ei saa olla liian suuri, korkeintaan ºC tavanomaisessa kuplakiehumisessa Mitä liian suuri lämpötilaero voi aiheuttaa? 26

14 Kiehuminen Liian suuri lämpötilaero aiheuttaa lämpöä eristävän höyryfilmin kuumennuspinnalle Esim. kuumalle keittolevylle pudonnut neste saattaa leijailla höyrykerroksen päällä melko pitkäänkin ennen kuin häviää ns. Kriittinen lämpövuo 27 Kiehuminen Miksi ruoan valmistus korkealla vuoristossa on hitaampaa kuin merenpinnan tasolla? Miksi painekattilassa ruoka kypsyy nopeammin? 28

15 Kiehumislämpötila riippuu paineesta. Esim. vedelle Kiehumislämpötila kasvaa paineen kasvaessa. Kiehumislämpö (höyrystymisentalpia) pienenee hieman. höyrynpaine (kpa) Kiehuminen s p 3965,413 = exp 23, s Pa T 232,9445+ o Ł C ł lämpötila (C) Kiehuminen Käyttämällä alipainetta voidaan välttää lämpöherkkien aineiden pilaantuminen kuumuuden vaikutuksesta Esim. elintarvikkeet raskaat molekyylit, joiden normaali kiehumispiste on hyvin korkea 30

16 Lämmönsiirtimet Yleisimmät prosessikäytössä olevat lämmönsiirrintyypit ovat putkilämmönsiirrin ja levylämmönsiirrin Joskus käytetään myös lämmönsiirtimiä, joiden toiminta riippuu ajasta. Lämmönsiirtopinnan yli johdetaan vuorotellen kylmä ja kuuma virta. Näitä kutsutaan regeneraattoreiksi. Esimerkki? 31 Savusauna Teollinen esimerkki 32

17 Virtaustapa Lämmönsiirtimissä pyritään virtaukset järjestelemään siten, että kuuma ja kylmä virta kulkevat toisiaan vastaan Käytännössä rakenteellisista syistä lämmönsiirtimet kannattaa tehdä sellaiseksi, ettei tämä aivan toteudu Putki ja/tai vaippapuolen virtaus kulkee usein monta kertaa lämmönsiirtimen läpi 33 Virtaus vaipassa 1-2 putkisiirrin Putkilämmönsiirtimille annetaan virtaustavan mukaan kaksi numeroa siten, että ensimmäinen numero kuvaa sitä, montako kertaa vaippapuolen fluidi kulkee siirtimen läpi ja toinen numero sitä, montako kertaa putkipuolen fluidi 34

18 Laske kaverisi kanssa, mikä on seuraavien siirrinten tyyppi 35 Kattilakiehutin Pumpataan poistopadon jälkeen nestettä, joka ei kiehu (kupli), mutta on kiehumispisteessään 36

19 Levylämmönsiirrin Kuuma ja kylmä virta kulkevat levyjen välissä vuorotellen Hyvä lämmönsiirtokyky, melko huono paineensietokyky Pienikokoinen ja helppo laajentaa 37 Lisätyt lämmönsiirtopinnat Lämmönsiirron tehostamiseksi tai siirrinten koon ja hinnan pienentämiseksi putkiin voidaan lisätä levyjä tai ripoja (ripaputkisiirtimet) Lämmönsiirtopinta-ala voi olla huomattavasti suurempi kuin putken pinta-ala 38

20 Lisätyt lämmönsiirtopinnat 39 Säiliöiden lämmitys ja jäähdytys Usein säiliöiden lämpötilaa pitää hallita, esimerkiksi sekoitusreaktoreissa reaktiolämmön takia. Voidaan toteuttaa joko jäähdytysvaipan tai putkipakan (koili) avulla 40

21 Energiataseet T c,a a b T c,b T c,a a b T c,b T h,a c p,c T h,b ( T T ) = m& c - h p,h c,o c,i ( T T ) = m& c - h,i h,o T h,a Kylmän virran vastaanottama lämpöteho Kuuman virran luovuttama lämpöteho T h,b Indeksit i ja o (in ja out) riippumatta siitä, onko myötä- vai vastavirtasiirrin 41 Lämmönsiirron yhtälöt T c,a a b T c,b T c,a a b T c,b T h,a c p,c = UADT ( T T ) = m& c - h p,h c,o c,i ( T T ) = m& c - h,i T h,b T h,a h,o Ei lämpöhäviöitä siirtimen ulkopuolelle T h,b Kuuman virran luovuttama lämpö on sama kuin kylmän virran vastaanottama. Tämä riippuu edelleen kokonaislämmönsiirtokertoimesta 42

22 Lämmönsiirtoyhtälö virtojen välillä T c,a T h,a a b T c,b T h,b lämmönsiirtokerroin lämmönläpäisykerroin yhdistetty lämmönsiirtokerroin kokonaislämmönsiirtokerroin pinta-ala = UADT Lämmönsiirtoyhtälö pinnan läpi kulkevalle lämpöenergialle (teholle) keskimääräinen (efektiivinen) lämpötilaero 43 Kokonaislämmönläpäisykerroin = UADT Likakerrokset putken sisä- ja ulkopuolella Putkimateriaali Konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet putken sisä- ja ulkopuolille Vastukset sarjassa, A laskettuna putken ulkopinnan mukaan U o = 1 h di D D o i + 1 h do D h D i o i x + l p D D o L + 1 h o 44

23 Vastukset rinnan? Esimerkiksi osa putkesta eristetty 1 = U1A1DT q 1 2 = U2A2 DT2 Jokaisesta osasta oma lämpövirta energiataseeseen. Lämpötila osien välillä tässä tuntematon. Miten se voidaan ratkaista? Energiatase kirjoitetaan molemmille osille erikseen; taseissa jätetään välilämpötila tuntemattomaksi. Ratkaistaan tuntematon lämpötila osien välissä taseista & 45 Lämpötilaprofiilit T c,a a Vastavirta b T c,b T c,a a Myötävirta b T c,b T h,a T h,b T h,a T h,b Hahmottele parin kanssa virtojen lämpötilaprofiilit ja virtojen välinen lämpötilaero laitteessa myötä- ja vastavirtatilanteissa. Voiko kylmä virta poistua kuumempana kuin kuuma? 46

24 Keskimääräinen (tehollinen tai efektiivinen) lämpötilaero T c,a T h,a a b T c,b T h,b DT 1 T h DT T c DT 2 = UADT LMTD = DT Tehollinen keskimääräinen lämpötilaero Oletuksia logaritmisen keskiarvon johdossa: Ominaislämmöt ja lämmönsiirtokerroin vakioita Puhdas myötä- tai vastavirta 0 q LM = DT a ln - DT DTa DT b b 47 Kertaus Konvektiomekanismeja on kaksi: pakotettu ja vapaa Vapaassa konvektiossa lämpölaajeneminen saa fluidin liikkeelle Lämmönsiirtokertoimella voidaan kuvata lämmönsiirron nopeutta eri tilanteissa = hadt 48

25 Kertaus Lämmönsiirtokertoimien korrelaatiot muodostetaan yleensä dimensiottomien lukujen avulla Korrelaatioita on paljon, ja ne ovat geometriakohtaisia Kiehumisessa ja lauhtumisessa lämmönsiirrolla on tärkeä merkitys 49 Kertaus Yleisimmät lämmönsiirrintyypit ovat putki- ja levylämmönsiirtimet Lämmönsiirtimen laskenta perustuu energiataseisiin Kylmälle virralle Kuumalle virralle Lämmönsiirtopintaa kuvaavalle tehoyhtälölle 50

26 Kertaus Vasta- ja ristivirtavaihtimille on energiataseessa huomioitava efektiivinen lämpötilaero DT LM = DT a ln - DT DTa DT b b Useat sarjassa olevat lämmönsiirtovastukset huomioidaan lämmönläpäisykertoimella U = 1 1 h i 51