OPPGAVE NR.

Bioteknologi og kjemiprogrammet

TILGJENGELIGHET

Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 OSLO

Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo

Telefon: 22 45 32 00 Telefax: 22 45 32 05

HOVEDPROSJEKT OPPGAVENS TITTEL

Utvikle og kvalitetssikre ulike varmevekslere ved kjemisk laboratorium, Ingeniørutdanningen, Høgskolen i Oslo.

DATO

25 Mai 2009

ANTALL SIDER / BILAG

44/9 FORFATTER

Mimoun Amara og Bjørn Hjelmerud INTERN VEILEDER

Sturla Rolfsen og Astrid Oust Janbu

UTFØRT I SAMARBEID MED

-----------------------------------------

EKSTERN VEILEDER

-------------------------------------

SAMMENDRAG

Kalibrering og optimalisering av dobbeltrørs-, plate-, og mangerørsvarmeveksler fra Armfield ltd, ble utført med hensyn til bruk som undervisningsverktøy på kjemisk laboratorium ved Høgskolen i Oslo. Støyproblemer knyttet til vannpumpe ble redusert. Årsaken til støyproblemet ble identifisert som designfeil i pumpen som ikke kunne løses innenfor tidsrammen til prosjektet. Laboratorieoppgaver, bruksanvisninger og datalagringsprosedyrer ble skrevet for å lette den praktiske bruken av utstyret. Varmeoverføringsegenskapene til varmevekslerne ble kartlagt og regneark for analyse av måleresultater ble utviklet som et biprodukt av databehandlingen.

3 STIKKORD

Varmeveksler

Optimalisering

Kalibrering

2

Forord I vårsemesteret i tredje klasse ved Høgskolen i Oslo (HiO), Avdeling for ingeniørutdanning (IU), Bioteknologi og kjemiprogrammet, blir det gjennomført et avsluttende hovedprosjekt. Dette prosjektet skal gi studentene erfaring i å gjennomføre et større prosjekt. Prosjektet gir 20 studiepoeng, og strekker seg over hele vårsemesteret. Prosjektet avsluttes med en prosjektrapport og en muntlig fremføring. Rapporten ble utført på kjemisk laboratorium ved IU, HiO av Bjørn Hjelmerud og Mimoun Amara. Hovedveiledere var Sturla Rolfsen og Astrid Oust Janbu. Vi vil takke Sturla Rolfsen og Astrid Oust Janbu for veiledning og hjelp i løpet av prosjektet.

Sammendrag Hensikten med prosjektet var å kalibrere og optimalisere varmevekslerne som brukes i undervisningen ved kjemisk laboratorium, IU, HiO. En rekke problemer knyttet til pumpestøy, programvare og beregninger sto i veien for en hensiktsmessig bruk av utstyret. Tre forskjellige varmevekslere var tidligere innkjøpt til bruk på en felles hovedenhet med tilhørende programvare fra Armfield Ltd, via deres norske forhandler. -Hovedenhet HT30X er platform for vannpumpe, varmeelement, sensorer og elektronikk knyttet til dataoverføring og annet. Problemet var hovedsaklig knyttet til pumpestøy og årsak ble funnet å være designfeil i selve pumpehuset. Bytte av pumpe ble funnet å være den eneste fullgode løsning på problemet. Støy ble noe redusert ved mindre tiltak og termosensorer ble kalibrert. -Dobbeltrørsvarmeveksler HT36 er ment å belyse de grunnleggende prinsipper bak varmevekslere og generell varmeoverføring, og er enkel å forstå for studentene som ofte har lite teknisk bakgrunn. Problemet var store avvik i eksperimentelle og teoretiske beregningsresultater. Man ønsket også å utforske effekten av isolering av kaldtvannskretsen. Avvik i oppgitte og virkelige dimensjoner ble funnet å være årsaken til beregningsproblemet. Isolering viste at redusert varmeutveksling med rommet bedret samsvar mellom avgitt og motatt varme i varmeveksleren. For å få fullt utbytte av HT36 i undervisningen bør vannpumpen byttes da volumstrømmer på over 3 l/min på varmtvannskretsen gir høyt støynivå. HT36 oppnår fullt utviklet turbulent strømning i området 3-5 l/min for begge væskekretsene. -Platevarmeveksler HT37 skal gi forståelse av blandt annet strømningsmønsteret i denne type varmeveksler som er i utstrakt bruk i industrien. HT37 hadde opprinnelig 20 plater (12 effektive) og 10 termosensorer. Man ønsket å evaluere alternative konfigurasjoner. Nye konfiguasjoner med 21 plater (19 effektive) og 17 plater (15 effektive) med kun 4 termosensorer, ble utprøvd og vurdert å fungere godt til bruksområdet. -Mangerørsvarmeveksler HT33 skal gi forståelse av strømningsmønsteret i denne mye brukte varmevekslertypen. Man ønsket å kalibrere HT33. Varmeoverføringsegenskapene til HT33 ble kartlagt. Ellers fungerte HT33 tilfredstillende. -Metode: Temperaturer og væskestrømmer ble målt for alle tre varmevekslere for å kartlegge deres egenskaper og begrensninger ut fra beregninger av varmeoverføring mellom strømmer og varmeutveksling med omgivelsene. Dette ble også utført etter ombygning for HT36 og HT37 for å vise effekt av optimalisering. -Programvare: Man ønsket datalagringsprosedyrer utviklet. Slike prosedyrer ble skrevet og regneark for videre arbeid med varmevekslerne ble laget som et biprodukt av databehandlingen. -Utvikling av laboratorieoppgaver: Man ønsket å få laget nye laboratorieoppgaver til undervisningsbruk bassert på erfaringer med utstyret. Dette ble utført med hensyn til hvilke grunnleggende prinsipper man antas å ville demonstrere med utstyret og innenfor de begrensninger utstyret har pr dags dato. -Konklusjon: Utstyret ble funnet å fungere godt til formålet og hensikten med prosjektet ble i stor grad oppnådd. Støyproblemet ble redusert, men ikke i ønsket grad. -Forslag til forbedringer: Dersom støy fortsatt oppleves som et problem vil skifte av pumpe være eneste fullgode løsning. For HT36 vil fjerning av overflødige termosensorer og isolering av varmtvannskrets gi bedre samsvar mellom avgitt og motatt varme.

3

Det anbefales å bytte vannpumpe for å kunne nå væskehastigheter med HT36 der beregninger av varmegjennomgangskoeffisient, og dermed også teoretisk varmegjennomgangstall, er nøyaktige nok til å gi en sterk kobling til matematikkfagene som studentene gjennomfører i løpet av utdanningen. Forutsatt at pumpeproblemet blir løst, foreslås det å tilføre laboppgaven til dobbeltrørsvarmeveksler HT36, et punkt hvor studentene skal lage et mer avansert regneark for varmeoverføringsberegninger for å styrke kunnskapen om bruk av moderne dataverktøy til databehandling, og til å koble varmeveksleroppgaven tettere til 2- og 3-årets matematikkundervisning.

4

Innholdholdsfortegnelse 1 Innledning.................................................................................................................................. 5 2 Teori............................................................................................................................................. 5 2.1 Generell varmevekslerteori............................................................................................ 5 2.2 Strømning i rør................................................................................................................ 6 2.2.1 Reynolds tall........................................................................................................... 6 2.2.2 Strømningsegenskaper.......................................................................................... 7 2.3 Dobbeltrørsvarmeveksler................................................................................................ 8 2.4 Platevarmeveksler............................................................................................................ 9 2.5 Mangerørsvarmeveksler (Shell & Tube)........................................................................ 10 3 Matrialer og metoder.............................................................................................................. 12 3.1 Hovedenhet HT30X........................................................................................................... 12 3.1.1 Beskrivelse................................................................................................................. 12 3.1.2 Problembeskrivelse.................................................................................................. 13 3.1.3 Metode....................................................................................................................... 13 3.2 Programvare...................................................................................................................... 14 3.2.1 Beskrivelse................................................................................................................ 14 3.2.2 Problembeskrivelse.................................................................................................. 15 3.2.3 Metode....................................................................................................................... 15 3.3 Dobbeltrørsvarmeveksler HT36....................................................................................... 15 3.3.1 Beskrivelse................................................................................................................. 15 3.3.2 Problembeskrivelse................................................................................................... 16 3.3.3 Metode........................................................................................................................ 16 3.4 Platevarmeveksler HT37.................................................................................................... 18 3.4.1 Beskrivelse.................................................................................................................. 18 3.4.2 Problembeskrivelse................................................................................................... 18 3.4.3 Metode........................................................................................................................ 18 3.5 Mangerørsvarmeveksler HT33.......................................................................................... 21 3.5.1 Beskrivelse.................................................................................................................. 21 3.5.2 Problembeskrivelse.................................................................................................... 22 3.5.3 Metode......................................................................................................................... 22 3.6 Utvikling av laboratorieoppgaver..................................................................................... 23 3.7 Utvikling av regneark for databehandling...................................................................... 23 4 Resultat ....................................................................................................................................... 24 4.1 Hovedenhet HT30X........................................................................................................... 24 4.2 Dobbeltrørsvarmeveksler HT37....................................................................................... 24 4.3 Platevarmeveksler HT37................................................................................................... 27 4.4 Mangerørsvarmeveksler HT33......................................................................................... 27 4.5 Programvare....................................................................................................................... 28 5 Diskusjon...................................................................................................................................... 28 6 Konklusjon................................................................................................................................... 30 Symbolliste...................................................................................................................................... 31 Litteratur......................................................................................................................................... 31 Bilagsliste......................................................................................................................................... 31

5

1 Innledning Rapporten er rettet mot lesere som har teknisk bakgrunn. For å ha fullt utbytte av rapporten er det en fordel å ha grunnleggende kjennskap til varmetransport. Rapporten er levert med en del vedlegg. Disse vedleggene omfatter også forslag til nye laboratorieoppgaver for alle tre varmevekslere, samt brukerveiledninger med datalagringsprosedyrer. Regnearkene som ble utviklet er levert inn på Fronter og kan brukes til å analysere egenskapene til disse tre varmevekslerne eller varmevekslere med andre dimensjoner. Da oppgaven omfattet flere, tildels meget forskjellige problemstillinger, er denne rapporten oppdelt i mindre deler for å lette forståelsen av de enkelte emnene. Vi håper at denne inndelingen ikke gjør at ”den røde tråden” forsvinner. Resultatene, diskusjonen og konklusjonene er samlet til slutt for å gi en mer helhetlig forståelse av prosjektet. Hensikten med forsøket var å kalibrere og optimalisere varmevekslerne samt løse praktiske problemer knyttet til deres tiltenkte bruksområde. Dette er en meget vanlig problemstilling i industrien da feil dimensjonerte eller feil utformede varmevekslere kan gi store problemer med hensyn til energibruk, avleiringer og varmeoverføringskapasitet. For eksempel kan for lave strømningshastigheter gi avleiring fra prosessvæsker i varmeveksleren, som krever hyppigere vedlikehold og rensing, noe som direkte påvirker driftskostnader. En feil dimensjonert varmeveksler kan også gi problemer med varmeoverføringskapasitet og føre til unødig energibruk.

2 Teori 2.1 Generell varmevekslerteori 1 Varmeoverføringen i en varmeveksler skjer mellom to væske-/gass-strømmer av forskjellig temperatur der strømmene ikke blandes. Varmevekslerne som omfattes av oppgaven overfører varme fra en væskestrøm til en annen væskestrøm, så videre vil væsker være hovedfokus for teorien selv om mange av de samme prinsipper også gjelder for gasser. Praktiske eksempler på bruksområder for varmevekslere er gjenvinning av varme fra prosesstrømmer og fra ventilasjonsluften i større bygninger. Varmeveksler finnes i alle størrelser, de kan være små og enkle som radiatoren i personbiler, eller store og kompliserte som varmevekslere i olje- og gass industrien. Ved valg av varmeveksler må man ta hensyn til strømmenes størrelse og væskenes/gassenes egenskaper. Dessuten må ikke trykktapet over varmeveksleren bli for høyt av økonomiske grunner. Varmevekslere brukes ofte også til å fordampe væsker eller kondensere gasser/damp. Varmemengden (C), i væskestrømmene beskrives ved ligning 1: Cvv = wvv · Cp vv og Ckv = wkv · Cp kv (1) der vv står for den varme væsken, kv står for den kalde væsken, w er massestrøm i kg/s og Cp er den spesifike varmekapasiteten i kJ/kg · °C Hvis man antar at ingen varme tapes fra eller tilføres systemet, er overført varme per mellom væskene uttrykt ved varmeovergangsraten Q ( J/s eller Watt), der avgitt og motatt varme uttrykkes ved ligning 2 og 3. Qavgitt = wvv · cp · ∆Tvv = Cvv · (Tvv inn - Tvv ut) (2) Qmotatt = wkv · cp · ∆Tkv = Ckv · (Tkv inn - Tkv ut) (3) hvor w er massestrømmen av væske i kg/s. I praksis vil det alltid være varmeutveksling med omgivelsene for begge væskekretsene. Denne varmeutvekslingen er proporsjonal med temperaturdifferansen til omgivelsene og det areal som er

6

tilgjengelig for denne varmeoverføring, samt at det avhenger av matrialet som varmen overføres gjennom. Dette søkes ofte minimert ved isolasjon og/eller hindring av fri konveksjon på varmevekslerens overflate. Selv om Q beskriver varmemengden som overføres, beskriver den ikke hvor stor varmeveksleren må være for å få til dette. Størrelsen på varmeveksleren kan beskrives ved ligning 4. Q = hvv · A · Tlm = hkv · A · Tlm (4) der arealet er (A = m2) tilgjengelig for varmeoverføring mellom væskene, varmeovergangskoeffisienten er (h = W/m2 · °C) og Tlm er den logaritmiske temperaturdifferansen mellom innløps- og utløpstemperaturen for væskestrømmene målt i Celsius eller Kelvin, gitt ved ligning 5.

( ) ( )( )ln( )

VVut KVinn VVinn KVutlm

VVut KVinn

VVinn KVut

T T T TT T TT T

− − −∆ =

−− (5)

Temperaturavhengige variabler som termisk konduktivitet (k = W/m · °C), spesifik varmekapasitet (cp), densitet (ρ = kg/m3) og dynamisk viskositet (µ = 10-3 Pa/s) beregnes etter hver enkelt væskestrøms gjennomsnittstemperatur. Teoretisk varmegjennomgangstall U (J/m3 · °K· s), ofte referert til ytre overflate for varmtvannsrøret, beregnes ut fra ligning 6 eller 7.

U QA Ty

y m

=

⋅

∆ (6)

der Ay er den ytre overflaten til varmtvannsrøret for rørvarmevekslere. For platevarmevekslere er arealet til varm og kald side like.

1 1 1U h

x

k DD

h DD

y y m

yi

i

y

= + + (7)

der Di, Dm og Dy er henholdsvis indre, midlere og ytre diameter av røret. hi og hy er varmeovergangskoeffisienten til den stillestående væskefilmen i henholdsvis indre og ytre strøm. Væskefilmens egenskaper og betydning utdypes i kapittel 2.2. Varmevirkningsgraden (η), gitt ved ligning 8, er et mål på energibalansen i varmeveksleren og dens varmeutveksling med omgivelsene. η= (Qmotatt / Qavgitt)·100 (8) η >100 vil si at varmeveksleren mottar varme fra omgivelsene. η <100 vil si at varmeveksleren taper varme til omgivelsene. 2.2 Strømning i rør 3

2.2.1 Reynolds tall Væskestrømmer oppfører seg ”strømlinjet” og er dermed laminære ved lave hastigheter, men endrer seg til turbulent når hastigheten passerer en viss kritisk grense. Overgangen fra laminær til turbulent skjer ikke plutselig, men over et visst hastighetsintervall der strømningen veksler mellom turbulent og laminær på en tilfeldig måte, før en fullt utviklet turbulent strømning oppstår. Reynolds tall er en dimensjonsløs størrelse som gjør at vi kan tallfeste grensene mellom forskjellige strømningstyper.

7

For sirkulære rør er Reynolds tall definert ved ligning 9.

Re m mV D V Dv

ρµ

= = (9)

der den midlere væskehastigheten er (Vm = m/s), den indre diameteren til røret er (D = m), og den kinematiske viskositeten til væsken er v = µ/ρ. Densiteten til væsken (ρ) og den dynamiske viskositeten (µ) er temperaturavhengige variabler som nevnt i kapittel 2.1 og derfor vil også Reynoldstall være temperaturavhengig. For ikke-sirkulære rør er Reynolds tall definert etter hydraulisk diameter (Dh) etter ligning 10. Dh = 4S/O (10) der S er strømningstverrsnittet til røret og O er den fuktede omkretsen. For sirkulære rør blir hydraulisk diameter lik virkelig diameter. For rektangulære rør benyttes ligning 11.

42( )h

abDa b

=+ (11)

der a og b er sidene i det rektangulære tverrsnittet. I praksis kan vi regne med at strømningen i et rør er: laminær ved: Re < 2300, blandet strømning ved: 2300 ≤ Re ≤ 10000, fullstendig turbulent ved: Re > 10000 Væskehastigheten der strømningen går fra laminær til blandet og fra blandet til fullt utviklet turbulent strømning kalles gjerne grensehastigheten for væskekretsen og avhenger av temperatur. Strømningstypen kan derfor endre seg fra en ende av en varmeveksler til den andre som følge av at varme overføres. I helt glatte rør kan man likevel oppretholde laminær strømning ved mye høyere Reynolds tall hvis man unngår forstyrrelser i strømmen og vibrasjoner i røret. 2.2.2 Strømningsegenskaper Når en væske flyter gjennom et rør vil væskepartiklene nærmest rørveggen bremses opp på grunn av friksjon med veggen. Denne væskefilmen vil i sin tur bremse opp nærliggende væskelag og hastigheten til væsken i senter av røret øker for å kompansere. Slik oppstår det et hastighets-grenseskjikt som vist i figur 1.

Figur 1. Utviklingen av hastighets-grenseskjiktet i et rør. Lengden som behøves for at hastighetsprofilen skal utvikle seg kalles den hydrodynamiske inngangs-regionen. I praksis vil lengde-diameter forhold i røret gjøre denne regionen så liten i sett i forhold til varmeveksleren totale lengde, at vi kan se bort ifra dette når vi beregner varmeoverføring i de aller fleste tilfeller.

8

I den hydrodynamisk, fullt utviklede region vil hastighetsprofilen være parabolisk i form for laminær strømning, og noe flatere for turbulent strømning på grunn av eddy-virvler i radial retning. Når væsken flyter forbi en vegg med forskjellig temperatur vil det også oppstå et termisk grenseskjikt nær veggen, viss utvikling og egenskaper er allegoriske med hastighet-grenseskjiktet og hastighetsprofilen. Denne inngangsregionen kan vi også se bort ifra når vi beregner varmeoverføring da den vanligvis er liten i forhold til rørets totale lengde. Når både hastighetsprofilen og den termiske profilen er fullt utviklet, kalles strømmen for fullt utviklet. Ofte regnes lengden på denne inngangsregionen til ti ganger rørets diameter. Graden av varmeveksling mellom to væsker gjennom en vegg, avhenger av tykkelsen til den stillestående væskefilmen som oppstår pga av væskenes friksjon med veggens overflate, og derved også av de lokale strømningsforholdene. For å få effektiv varmeoverføring søker man derfor å redusere tykkelsen på denne væskefilmen ved å benytte væskehastigheter som gir fullt utviklet, turbulent strømning. I en laminær væskestrøm vil varmeoverføringen skje mest ved konduksjon, mens i en turbulent væskestrøm vil varmeoverføringen skje mest ved konveksjon. Forholdet mellom de to typene varmeoverføring, konvektiv- delt på konduktiv varmeoverføring, angis ved Nusselts tall, gitt ved ligning 12 Nu =h · D/k (12) Varmeovergangskoeffisienten (h) er et mål på hvor effektiv varmeoverføringen er mellom vegg og væsken. I motsetning til varmeledningsevnen så er varmeovergangskoeffisienten h ikke en materialkonstant. Varmeovergangskoeffisienten vil avhenge av en rekke ulike faktorer som bl.a. veggflatens form og ruhet, væskens egenskaper og strømningstype. Flere dimensjonsløse størrelser brukes for å beregne varmeovergangskoeffisienten, og en god korrelasjon mellom Nusselts tall, Reynolds tall og Prandtls tall, er nødvendig for å gi beregninger av god nok nøyaktighet. Prandtls tall er en egenskap av væsken og er et mål på hvor raskt varmen diffunderer gjennom væsken. Dette tallet beregnes ved ligning 13. Pr = Cp.µ/k (13) Slike gode empiriske korrelasjoner mellom Reynolds og Nusselts tall finnes for laminære og for fullt utviklede, turbulente strømmer i rør. For blandede strømmer i overgangen mellom laminære og fullt utviklede, turbulente strømmer er det foreslått flere korrelasjoner som gir brukbare tilnærminger for mange bruksområder. Ved Høgskolen i Oslo (HiO), Avdeling for ingeniørutdanning (IU), Bioteknologi og kjemiprogrammet, brukes en kurve (vedlegg 6) for å bestemme varmeovergangskoefissienten. For platevarmevekslere vil utforming av platene ha stor innvirkning slike korrelasjoner, men teori omkring dette er utenfor rammen av denne oppgaven. For mangerørsvarmeveksler er strømningsegenskapene mer kompliserte for den ene væskekretsen, men slike beregninger ligger utenfor rammene til dette prosjektet.. 2.3 Dobbeltrørsvarmeveksler 1 Dette er et svært enkelt design hvor man har ett rør inni et annet, hvor man lar den varme væsken strømme gjennom det indre røret, mens den kalde væsken strømmer i det ringformede rommet mellom de to rørene. En prinsippskisse for dobbeltrørsvarmeveksler med motstrøms varmeveksling er vist i figur 2.

Figur 2 Motstrøms varmeveksling i dobbeltrørsvarmeveksler.

9

2.4 Platevarmeveksler 1 En platevarmeveksler består av et antall korrugerte plater adskilt med pakninger slik at det dannes kanaler mellom dem hvor kald og varm væske strømmer i adskilte kretser. En prinsippskisse av strømningsmønsteret i den aktuelle platevarmeveksleren er vist i figur 3, men mange flere forskjellige strømningsarrangement kan benyttes ut ifra behovet. De fleste større platevarmevekslere har både inn- og utstrømmer på samme side av veksleren av praktiske hensyn. Et typisk strømningsmønsteret for platevarmevekslere er vist i figur 4. Varmeoverføringen skjer gjennom platematrialet og korrugeringen sørger for å opprettholde turbulent strømning selv ved lave Reynoldstall, samt at det øker arealet til platene. Platene holdes sammen ved at de monteres i en kraftig stålramme.

Figur 3. Prinsippskisse av strømningsmønsteret i platevarmeveksler HT37.

10

Figur 4. Typisk strømningsmønster til en platevarmeveksler. 4

Platevarmevekslere er meget kompakte og er enkle å demontere for rengjøring og reparasjon, men de er begrenset til bruksområder med lave væsketrykk. De kan også tilpasses varmeoverføringsbehovet ved at flere eller færre plater settes inn i rammen. Den enkle konstruksjonen gjør at korrosjonsdyktige metallegeringer kan brukes for spesielt krevende prosessvæsker. Den enkle demonteringen og regjøringen gjør at de ofte brukes i for eksempel matvareindustrien der væsker som melk, juice og lignende skal oppvarmes i forbindelse med pasturisering og nedkjøles igjen. Pakningene i platevarmevekslere er alltid utformet slik at prosessvæskene ikke skal kunne blandes ved en eventuell lekkasje. 2. 5 Mangerørsvarmeveksler (Shell & Tube) 2 Dette er en av de viktigste og mest vanlige varmeveksleren i prosessindustrien og energiproduksjon. Den er relativt billig, lett å produsere og reparere, litt vanskeligere å rengjøre enn en platevarmeveksler, men har stor varmegjennomgangskoeffisient, stor kapasitet og kan tåle høye trykk. Mangerørsvarmevekslere har oftest en sylinderisk form og består av mange parallelle rør omsluttet av et skall slik vist i figur 5. Det finnes flere varianter av disse, men felles er at de har flere tynne rør, ofte opptil flere hundre, som den varme væsken strømmer gjennom slik som vist i figur 6. Det brukes i praksis alltid spjeld for å lede den kalde væsken på tvers av rørene. Dette gjøres for å oppnå bedre betingelser for varmeutveksling. Slike varmevekslere gir derfor ikke ren mot- eller medstrøms varmeutveksling.

Figur 5 Prinsippskisse av mangerørsvarmeveksler i medstrøm.

11

Figur 6. Varmtvannskrets til en typisk mangerørsveksler. 5

Da forsøket er utformet for å bedre utstyrets brukegenskaper som undervisningsverktøy, er benyttet teori forsøkt hovedsaklig knyttet til det som undervises i faget kjemiteknikk ved HiO.

12

3 Matrialer og metoder 3.1 Hovedenhet HT30X 3.1.1 Beskrivelse Hovedenheten, heretter kalt HT30X, vist i figur 7, består av en plastenhet med reservoar for varmtvann med termostatstyrt varmeelement. HT30X er også plattform for pumpehus med motor til varmtvannskretsen, trykkregulator til kaldtvann og flowmetere til vannkretsene. HT30X har et oppsamlingskar for spillvann med drenering, samt all nødvendig elektronikk for hastighetsstyring av motor og signalprosessering. HT30X kobles via USB-kabel til en PC der programvare styrer pumpehastighet for varmtvann og elektronisk ventil for kaldtvann. Varmeelement styres også fra PC og alle måledata fra temperatursensorer og flowmetere vises i programvinduet. Tannhjulspumpen vist i figur 8 virker i begge retninger. Motstrøm- /medstrøms-flow oppnås ved endring av motorens rotasjonsretning. Spesifikasjonene for HT30X er oppgitt i tabell 1.

Figur 7. HT30X hovedenhet. 6

13

Figur 8. Tannhjulspumpe med motor Tabell 1. Spesifikasjoner for HT30X hovedenhet. 6

Effekt, varmeelement 2000W Maks volumstrøm, Varmt vann HT36 5 l/min Maks volumstrøm, Kaldt vann HT36 5 l/min Maks volumstrøm, Varmt vann HT37* 4 l/min Maks volumstrøm, Kaldt vann HT37* 4 l/min Maks volumstrøm, Varmt vann HT33 5 l/min Maks volumstrøm, Kaldt vann HT33 5 l/min Usikkerhet, termosensorer 0,1°C * Gjelder orginal konfigurasjon med 12 effektive plater. 3.1.2 Problembeskrivelse Oppdragsgiveren, Ingeniørutdanningen ved Høgskolen i Oslo, ønsket å redusere pumpestøy fra enheten slik at laboratorieoppgaver kunne kjøres ved de hastigheter den var bygget for. Pumpe med motor hadde en øvre kapasitet på 5 l/min (HT36), mens støy ble veldig plagsom faktor allerede ved 2 l/min. 3.1.3 Metode Ved demontering av pumpehus og ved generell feilsøking ble problemet identifisert som vibrasjoner mellom tannhjulene, samt mellom tannhjulene og pumpehuset. Pumpehusdeksel var erodert, ripet og hadde et tynt belegg vist i figur 9. Pumpehusdeksel var identisk på begge sider og ble derfor motert igjen med den skadde siden utover, noe som reduserte støy til en viss grad. Vibrasjonsdempende gummipakning med tykkelse 4mm ble utprøvd mellom pumpehus og plastdekselet til hovedenheten, men dette hadde liten effekt. Nye tannhjul ble skaffet fra leverandør og disse passet bedre på akslingene pga mindre toleranser, men for lang akselavstand i pumpehuset gjør at vibrasjonene mellom tannhjulene

14

fortsatt forårsaker støy. Pumpehusdekselet viste små groper ved inn/utgang til pumpen som er forenlig med det som skapes ved kavitasjon i væsken.

Figur 9. Skader på pumpehusdeksel. Under kjøring ved høye væskehastigheter med kaldtvann ble det avdekket at drenering fra oppsamlingskar ikke var tilstrekkelig og at spillvann må ledes direkte i avløp når maks væskestrøm skal kjøres på kaldtvannskrets. Termosensorene ble kalibrert mot isvann og kokende vann. I isvann viste alle sensorer 0,0°C og i kokende vann viste alle sensorene 99,7°C. Kalibrering av væskestrømsmålerne ble utprøvd men metoden manglet tilstrekkelig sikkerhet til å tas med i rapporten. For å lette skifte av varmeveksler på hovedenheten var det montert hurtigkoblinger av typen ”Gardena” med enveisventil på plastslangene. Ved væskehastigheter rundt 3 l/min forårsaket dette bobledannelse i varmtvannskretsen pga brå tversnittsåpning etter ventilen. Dette problemet ble løst når ventilene ble fjernet fra alle hurtigkoblingene. 3.2 Programvare 3.2.1 Beskrivelse Programvaren er tilnærmet identisk for de tre typene varmeveksler, men har forskjeller i hvordan måleserier lagres. Programvindu for HT36 er vist i figur 10.

15

Figur 10. Programvindu for HT36 3.2.2 Problembeskrivelse Oppdragsgiver ønsket lagringsprosedyrer utviklet for eksport av datafiler til Microsoft Exel for alle tre varmevekslertyper. 3.2.3 Metode Mulighet for eksport av kun relevant data ble funnet i orginal programvare. Det ble oppdaget beregningsfeil i ”Lecture mode” knyttet til usikkerhet i måledata for temperatur og væskehastighet, samt gjennomsnittstemperatur ved bruk av færre termosensorer. . 3.3 Dobbeltrørsvarmeveksler HT36 3.3.1 Beskrivelse Rørvarmeveksleren, heretter kalt HT36, består av fire dobbeltrørsvekslere koblet i serie med ventiler og sensorer montert slik at én til fire rør kan benyttes i målingene. Kun bruk av alle fire rør i serie var aktuellt i sammenheng med oppgaven og senere bruk. Figur 11 viser HT36 i orginal konfigurasjon. For teori vedrørende dobbeltrørsvarmeveksler henvises det til generell varmevekslerteori i kapittel 2.1 og strømningsteori i kapittel 2.2. Spesifikasjoner: 7

Antall rør: 4 Lengde pr. rør: 670mm Total lengde, rør: 2680mm Stålrør Ytre diameter: 9,50mm Stålrør Indre diameter: 7,90mm Indre diameter, ytre rør: 14mm

16

Figur 11. Rørvarmeveksler HT36 i orginal konfigurasjon. 3.3.2 Problembeskrivelse Oppdragsgiver ønsket å finne årsak til hvorfor praktisk varmeovergangskoeffisient (U) avvek fra teroretisk U med opptil. 400%. Oppdragsgiver ønsket kun å bruke 4 av de 10 termosensorene på HT36. Det ble også uttrykt ønske om å prøve ut isolering av rørseksjonene. 3.3.3 Metode Lengde for hver rørseksjon som ble oppgitt i vekslerens manual7 (0,33m), og som dermed også ble brukt i beregninger, viste seg å være ca halvparten av reell lengde (0,67m) ved kontrollmåling av rørdimensjoner. Det ble avdekket at programvaren til HT36 beregner gjennomsnittstemperatur på væskestrømmer bassert på alle 10 termosensorer og at dette gir feilaktige beregninger i ”Lecture mode” (Lærermodus). Da isolasjon av varmevekslere generelt sett vil være fordelaktig når man studerer varmeoverføringen mellom væskene, ble det lagt mest vekt på å studere egenskapene til HT36 etter ombyggingen. Målinger av temperatur og volumstrømmer for uisolert og isolert HT36 ble utført ved forskjellige kombinasjoner av kalde og varme væskestrømmer i området som er aktuelt for bruken i undervisningssammenheng og med hensyn til støynivået. 5 paraleller ble kjørt etter at varmeveksleren hadde oppnådd stabile temperaturer på væskekretsene for hver av kombinasjonene. Hensikten var først og fremst å kartlegge hvor stor varmeoverføringen var til/fra omgivelsene, effekten av isolering og varmeoverføringsegenskapene til HT36. Kombinasjoner av væskestrømmer, før og etter isolering, som ble undersøkt er oppgitt i tabell 2 til 5 med beregninger av varmeoverføringsegenskapene. Forklaring til tabell 2 til 5: Temperaturer (T) er oppgitt i Celsius og forkortelsen vv og kv står for henholdsvis varmtvann og kaldtvann. Teoretisk og praktisk U-verdi er oppgitt i J/m3 · °K · s.

17

∆Tm er logaritmisk midlere temperauturdifferanse. Volumstrømmer er forkortet til VV og KV for henholdsvis varmtvann og kaldtvann i l/min. Varmeoverføringsgrad (η) er oppgitt i prosent. Varme avgitt og motatt (Q) er oppgitt i Watt. Tabell 2. Dobbeltrørsvarmeveksler, medstrøms kalibrering (Uisolert)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt(Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

Uy Praktisk

Uy Teoretisk

42,6 27,6 5,1 19,2 1,63 1,84 1687 1803 106,9 19,5 1119 1408 62 27 4,1 16,5 0,73 2,03 1760 1756 99,8 27,8 789 653

57,8 22,8 4,2 12,5 0,72 2,95 1746 1712 98,1 26,3 821 660 51,5 37,6 5 30,3 1,69 1,03 1620 1810 111,7 21,2 1010 1497 51,4 44,4 7,4 38,9 3,11 0,82 1518 1789 117,9 18,5 1113 1682

Tabell 3. Dobbeltrørsvarmeveksler, motstrøms kalibrering (Uisolert)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt(Watt)

Qmottat(Watt) η(%) ∆Tm

Uy Praktisk

Uy Teoretisk

42,2 33,2 5,4 31,7 3,01 1,05 1862 1913 102,7 17,8 1325 1910 37,4 23,3 5 23,3 1,97 2,01 1910 1894 99,1 16,1 1472 1754 46,5 17,9 4,1 12,3 1 3,08 1974 1768 89,6 22,5 1038 870 49,2 22,6 5,6 18 1 1,97 1836 1702 92,7 23,4 943 896 43,5 30,6 4,9 29,5 2 1,06 1780 1813 101,9 19,3 1163 1613

Tabell 4. Dobbeltrørsvarmeveksler, medstrøms kalibrering (isolert)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt(Watt)

Qmottat(Watt) η(%) ∆Tm

Uy Praktisk

Uy Teoretisk

48,1 36,4 5,1 28,6 2 1,05 1624 1719 105,9 20,6 1014 1601 45,3 37,1 5,8 29,8 2,93 1,09 1666 1825 109,6 19,1 1141 1897 49 24,2 5,2 18,1 1,01 1,9 1732 1710 98,7 19,1 1123 971

38,7 26 4 17 1,94 1,98 1713 1798 105,0 19 1150 1874 4801 21,3 3,3 11,7 0,98 3,03 1824 1784 97,8 22,8 958 855

Tabell 5. Dobbeltrørsvarmeveksler, motstrøms kalibrering (isolert)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt(Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

Uy Praktisk

Uy Teoretisk

24,0 48,9 5,3 18,1 1,01 1,93 1743 1722 98,7 24,2 893 893 18,9 46,0 4,4 12,4 0,93 2,99 1749 1671 95,5 22,8 938 782 35 43,4 6,2 31,9 2,95 1,03 1699 1832 107,8 18,8 1169 1842

23,3 36 5 17,3 1,94 2,05 1710 1757 102,7 18,5 1168 1717 35,2 47,9 7,2 33,3 2 1,03 1747 1883 107,8 20,6 1101 1668

18

3.4 Platevarmeveksler HT37 3.4.1 Beskrivelse Platevarmeveksleren, heretter kalt HT37, består av en stålramme med strammeskrue der platene står i 4 grupper på 5 korrugerte plater adskilt med 3 plastblokker til termosensorene. HT37 i orginal konfigurasjon er vist i figur 12 HT37 hadde også en regenereringsmodul som ikke ble vurdert i denne oppgaven pga tidsbegrensninger. For teori vedrørende platevarmeveksler henvises det til generell varmevekslerteori i kapittel 2.1 og strømningsteori i kapittel 2.2. Spesifikasjoner: 8

Antall plater: 20 Platedimensjoner: 75mm x 115mm Antall effektive plater: 12 Hydraulisk diameter: 3mm Veggtykkelse, plate: 0,5mm Fuktet omkrets: 153mm

Figur 12. HT37 Platevarmeveksler i orginal konfigurasjon (12 effektive plater) 3.4.2 Problembeskrivelse Oppdragsgiver ønsket en alternativ og mer realistisk konfigurasjon av plater utviklet ved fjerning av de 6 termosensorene og avstandsblokkene av plast som befant seg mellom de to endene av HT37 enheten. Kalibrering av den ombygde HT37 var hovedfokus for oppgaven. 3.4.3 Metode Målinger av temperaturer og væskestrømmer ble utført på den orginale konfigurasjonen og de alternative konfigurasjonene ved forskjellige kombinasjoner av kalde og varme væskestrømmer som var aktuelle for bruken i undervisningssammenheng.

19

Optimalisering besto i fjerning av tre avstandsblokker med termosensorer T2, T3, T4, T7, T8 og T9. Før ombygning hadde HT37 20 plater, der kun 12 var effektive plater. To alternative konfigurasjoner med henholdsvis 19 effektive plater og 15 effektive plater ble utprøvet. Den ombygde HT37 er vist i figur 13.

Figur 13. Platevarmeveksler HT37 i ny konfigurasjon (19 effektive plater). 5 paraleller ble kjørt etter at varmeveksleren hadde oppnådd stabile temperaturer på væskekretsene for hver av kombinasjonene. Kombinasjoner av væskestrømmer som ble undersøkt er oppgitt i tabell 6 til 11 med beregninger av varmeoverføringsegenskapene. Forklaring til tabell 6 til 11: Temperaturer (T) er oppgitt i Celsius og forkortelsen vv og kv står for henholdsvis varmtvann og kaldtvann. Praktisk U-verdi er oppgitt i J/m3 · °K · s. ∆Tm er logaritmisk midlere temperauturdifferanse. Volumstrømmer er forkortet til VV og KV for henholdsvis varmtvann og kaldtvann i l/min. Varmeoverføringsgrad (η) er oppgitt i prosent. Varme avgitt og motatt (Q) er oppgitt i Watt.

20

Tabell 6. 12 effektive plater, medstrøm kalibrering (Orginal konfigurasjon) Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

47,9 36,4 7,0 36,1 2,14 0,94 1697 1884 111 8,5 2034 33,7 21,2 5,9 20,4 2,09 1,97 1822 1986 109,1 7,6 2424 41,0 13,1 3,0 12,5 0,96 2,96 1863 1954 104,9 9 2041 48,3 18,9 4,3 18,4 0,90 1,98 1854 1943 104,8 9,9 1855

Tabell 7. 12 effektive plater, motstrøm kalibrering (Orginal konfigurasjon)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

34,5 6,3 3,3 12,2 1,0 3,0 1892 1883 99,6 9,6 1889 36,5 8,3 3,5 17,1 0,98 2,01 1910 1902 99,6 10,4 1766 35,0 22,2 4,8 31,0 2,02 1,02 1790 1848 103,3 9,1 1941 25,8 11,9 3,7 17,8 1,93 1,97 1865 1931 103,6 8,1 2254

Tabell 8. 19 effektive plater, medstrøm kalibrering (21 plater)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

57,5 15,8 6,0 15,4 0,67 2,96 1921 1946 101,3 10,5 1124 51,5 32,1 5,2 31,7 1,24 1,00 1658 1839 110,9 9,9 1076 41,0 17,8 3,6 17,3 1,14 2,08 1837 1980 107,8 8,5 1368 63,5 18,6 3,1 18,1 0,62 1,94 1912 2044 106,8 12,5 965

Tabell 9. 19 effektive plater, motstrøm kalibrering (21 plater)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

41,3 5,1 3,5 16,7 0,73 2,02 1843 1855 100,7 8,3 1354 42,0 4,2 3,1 12,4 0,71 2,89 1856 1857 100,1 8,7 1307 37,6 16,0 5,6 33,1 1,23 0,97 1843 1855 100,7 7 1611 31,6 8,0 4,9 19,4 1,19 2,00 1960 2019 103 6,7 1809 36,2 21,0 5,4 34,4 1,75 0,96 1845 1937 105,0 6,4 1802

Tabell 10. 15 effektive plater, medstrøm kalibrering (17 plater)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

57,7 18,9 4,8 18,3 0,70 2,02 1864 1892 101,5 11,9 1220 52,1 11,9 4,1 11,3 0,65 3,03 1816 1513 83,3 10,8 1185 59,0 38,7 8,0 38,2 1,21 0,91 1700 1913 112,5 10,9 1283 45,4 20,6 5,1 19,9 1,12 2,00 1934 2060 106,5 9,6 1596 39,4 28,1 5,3 27,6 1,85 1,04 1444 1610 111,5 7,9 1482

Tabell 11. 15 effektive plater, motstrøm kalibrering (17 plater)

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

41,4 7,4 4,3 17,0 0,76 2,01 1784 1779 99,7 10,3 1336 40,3 5,9 3,7 11,7 0,73 3,00 1742 1687 96,8 10,3 1291 37,8 17,8 6,2 31,2 1,25 1,04 1745 1817 104,1 8,8 1557 31,9 9,8 4,9 18,1 1,19 2,00 1826 1847 101,2 8,6 1653 35,6 21,7 6,2 32,2 1,77 1,03 1706 1867 109,5 8,0 1718

Ved kjøring opp mot ca. 4 l/min kaldvann, som er maksimum flow for orginalkonfigurasjonen, ble det oppdaget lekkasje fra kaldtvannskrets til varmtvannskrets. For 15 effektive plater kom lekkasjer ved ca.

21

2,6 l/min, og for 19 effektive plater kom lekkasjer ved ca.1,6 l/min. Det kunne kjøres høyere væskestrømmer i motstrøm enn i medstrøm, noe som sannsynligvis skyldes utformingen av platene. 3.5 Mangerørsvarmeveksler HT33 3.5.1 Beskrivelse Mangerørsvarmeveksleren, vist i figur 14, heretter kalt HT33, består av et ytre ”shell” av akryl. Akryl er valgt for å gi studentene mulighet til å se oppbygningen av varmeveksleren, samt at akryl også er en dårlig varmeleder, oe som gir mindre varmeutveksling med omgivelsene enn for eksempel metall. Varmtvannet strømmer gjennom syv rør av rustfritt stål og passerer gjennom veksleren 1 gang (single pass). Rørene er plassert slik at det er en 60° vinkel mellom sentrene (forsatte rør). Kaldtvannet ledes på tvers av varmtvannsrørene ved hjelp av to spjeld slik at væskehastigheten over varmtvannsrørene økes. Strømningsmønsteret i en slik varmeveksler vil være en kombinasjon av medstrøm-tverrstrøm og motstrøm-tverrstrøm. For teori vedrørende mangerørsvarmeveksler henvises det til generell varmevekslerteori i kapittel 2.1 og strømningsteori i kapittel 2.2.

Figur 14. HT33 Mangerørsvarmeveksler (Shell & Tube) Spesifikasjoner: 9 (se figur 15 for tegnforklaring) Antall rør: 7 Lengde pr. rør: 150mm Effektiv vamreoverføringslengde pr. rør: 145mm Total effektiv lengde, stålrør: 1015mm Stålrør Ytre diameter (Dy): 6,35mm Stålrør Indre diameter (Di): 5,9mm Stålrør Veggtykkelse : 0,225mm Indre diameter, Shell (Ds): 39mm Senteravstand mellom rør (Pt): 11,45mm Høyde, Indre vegger (As): 35mm

22

Figur 15. Tegnforklaring, HT33 sett fra enden. 3.5.2 Problembeskrivelse Oppdragsgiver ønsket kalibrering av HT33. 3.5.3 Metode Målinger ble utført ved forskjellige kombinasjoner av kalde og varme væskestrømmer som var aktuelle for bruken i undervisningssammenheng. 5 paraleller ble kjørt etter at varmeveksleren hadde oppnådd stabile temperaturer på væskekretsene. Kombinasjoner av væskestrømmer som ble undersøkt er oppgitt i tabell 12 og 13 med beregninger av varmeoverføringsegenskapene. Forklaring til tabell 12 og 13: Temperaturer (T) er oppgitt i Celsius og forkortelsen vv og kv står for henholdsvis varmtvann og kaldtvann. Praktisk U-verdi er oppgitt i J/m3 · °K · s. ∆Tm er logaritmisk midlere temperauturdifferanse. Volumstrømmer er forkortet til VV og KV for henholdsvis varmtvann og kaldtvann i l/min. Total virkningsgrad (η) er oppgitt i prosent. Varme avgitt og motatt (Q) er oppgitt i Watt.

23

Tabell 12. Shell & tube, medstrøms kalibrering Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmotatt (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

60,1 47,1 3,3 8,3 1,04 3,02 935 1057 113,3 047,2 1042 60,0 47,7 4,1 11,4 1,07 1,91 897 978 109,1 045,4 1041 60,1 51,7 4,1 14,1 2,01 1,90 1162 1320 113,6 046,2 1325 60,0 53,4 3,5 15,8 3,08 1,90 1392 1636 117,6 046,4 1580 60,5 53,1 4,3 19,2 1,98 1,06 1002 1099 109,7 044,1 1196

Tabell 13. Shell & tube, motstrøms kalibrering

Tvv inn

Tvv ut

Tkv inn

Tkv ut

VV (l/min)

KV (l/min)

Qavgitt (Watt)

Qmotatt (Watt) η(%) ∆Tm

U Praktisk

60,0 46,0 3,4 8,0 0,99 2,97 953 966 101,5 047,2 1063 59,9 47,8 3,5 10,5 1,20 1,93 939 938 099,7 046,8 1057 60,0 51,4 3,5 12,5 2,05 1,93 1221 1214 099,4 047,5 1354 60,1 52,8 4,6 19,4 2,07 1,00 1030 1034 100,4 044,3 1223 60,0 54,3 5,0 22,1 3,03 1,00 1189 1187 099,9 043,4 1442

3.6 Utvikling av laboratorieoppgaver. Oppdragsgiver ønsket å få utviklet nye laboratorieoppgaver bassert på erfaring med de tre varmevekslertypene under arbeidet. Laboratorieoppgavene skulle belyse effektene av laminær og turbulent væskestrøm, samt effekten av forskjellige væskehastigheter på varmeoverføring. Disse ble skrevet både under og etter forsøkene med varmevekslerne. 3.7 Utvikling av regneark for databehandling. For å lette behandlingen av måledata og pga beregningsfeil i programvaren for varmeveksleren, ble det utarbeidet et regneark i Microsoft Excel (Vedlegg 7). I regnearket var det mulighet for å legge inn temperaturer og volumstrøm for 5 paraleller. Alle relevante ligninger for varmevekslere ble lagt inn for å beregne teoretisk og praktisk varmeovergangskoeffisient (U), samt avvik mellom disse. Virkningsgrad (η) for varmtvann, kaldtvann, midlere virkningsgrad og total virkningsgrad ble også beregnet. Temperaturavhengige variabler som densitet, dynamisk viskositet, spesifik varmekapasitet og termisk konduktivitet for vann ble beregnet fra tabellverdier10 ved hjelp av polynom regresjon. Termisk konduktivitet for rør/plater ble ikke justert i forhold til temperatur da avviket fra benyttet verdi (16W/m ·°K) er lite for det aktuelle temperaturområdet. Nu · Pr-1/3 for Re>10000 ble beregnet fra Sieder-Tate3 korrelasjonen for rør, ligning 14. Nu = 0,027Re0,8 · Pr0,33 · (µ/µw)0,14 der (µ/µw)0,14 ≈ 1 (14) For Reynolds tall i det blandede strømningsområdet ble Nu · Pr-1/3 avlest fra vedlegg 6, og var dermed påvirket av usikkerhet ved avlesningen, noe som gir stort utslag i beregning av teoretisk varmeovergangskoeffisient. Avvik mellom teoretisk og praktisk varmeovergangskoeffisient har dermed størst sikkerhet i det fullt utviklede turbulente strømningsområdet.

24

4 Resultat 4.1 Hovedenhet HT30X Pumpestøy ble redusert ved å reversere pumpehusdekselet og montere nye tannhjul i pumpehuset. Fra før var pumpestøy ved bruk dobbeltrørsvarmeveksler HT36 plagsom ved ca. 2 l/min, men etter reperasjon og bytte av tannhjul ble denne øvre grense flyttet til 3 l/min, bassert på rent subjektive vurderinger. Lignende reduksjon av pumpestøy ble også observert med de andre varmevekslertypene. Maksimum volumstrøm som pumpen skal kunne gi på varmtvannskretsen ved bruk av HT36 er 5 l/min, noe som ville økt utbyttet av utstyret undervisningsmessig. Tegn på kavitasjon på pumpehusdeksel ved inn/utgang til pumpen ble funnet, men det er tvilsomt om dette er et nevneverdig bidrag til støyen. Kalibrering av væskestrømsmålerne med nok nøyaktighet til å være av noen verdi, ble vurdert å kreve konstruksjon av et testverktøy, og ble derfor utelatt av tidsmessige hensyn. Kalibrering av temperatursensorer mot kjente temperaturer viste at disse fungerte tilfredstillende. Problemer med avløp ved store væskestrømmer i kaldtvannkretsen ble funnet og ekstra avløp ble montert for å løse dette. Vanlig vedlikehold av filter og bytte av termosensorer ble også gjennomført forut for måleseriene. 4.2 Dobbeltrørsvarmeveksler HT37 Lengde for hver rørseksjon som ble oppgitt i manual 7 (0,33m), og som dermed også ble brukt i beregninger, viste seg å være ca halvparten av reell lengde (0,67m) ved kontrollmåling av rørdimensjoner. Dette ble identifisert som årsaken til beregningsproblemene. Oppdragsgiver ønsket kun å benytte 4 termosensorer på denne varmeveksleren. Det ble funnet at dette ikke utgjør et problem sålenge ikke utregninger bassert på gjennomsnittstemperatur tas fra programvaren. Man kan forvente å få best samsvar mellom teoretisk U-verdi og praktisk U-verdi når forutsetningene for effektiv varmeutveksling mellom væskestrømmene er mest mulig optimal og en god nok korrelasjon mellom Reynolds tall og Nusselts tall benyttes. Da støyproblemet ikke lot seg løse innenfor tidsrammen av prosjektet, kunne ikke disse forutsetningene oppfylles. Isolering av kaldtvannskretsen slik oppdragsgiver ønsket, resulterte i mindre varmeutveksling med omgivelser slik som forventet ut fra teorien i kapittel 2.1 og 2.2. To par av noenlunde sammenlignbare volumstrømmer er vist i tabell 14 for å belyse effekten av slik isolering. Varmeoverføringsgrad (η) vil i et totalt isolert system være 100%. Ut fra varmeoverføringsgraden til disse utvalgte eksemplene ser vi at systemet mottar varme fra rommet, men at dette reduseres ved isolering av kaldtvannskretsen. Tabell 14. Effekt av isolering av kv-krets på varmeoverføring.

medstrøm VV

(l/min) KV

(l/min) Qavgitt (Watt)

Qmottat (Watt) η(%)

uisolert rør 3,11 0,82 1518 1789 117,9 isolert rør 2,93 1,09 1666 1826 109,6 uisolert rør 1,63 1,84 1687 1804 106,9 isolert rør 1,94 1,98 1713 1798 105,0

Ut fra måleseriene som ble utført, ble det laget grafiske fremstillinger av inn- og uttemperaturer for begge væskekretser og deres væskehastigheter mot kurver som viser grensehastigheten for de forskjellige strømningstypene (figur 16a til 19b). Tallmaterialet bak disse figurene finnes i vedlegg 1. De temperaturavhengige egenskaper til vann ble utregnet via polynom regresjon i MS Excel fra tabellverdier10, se vedlegg 1. Temperaturkurver for disse variablene finnes i vedlegg 2-5. I figur 16a til 19b er Re =2300 og Re=10000 plottet inn som funksjoner av væskens temperatur og hastighet for henholdvis varmtvanns- og kaldtvannskretsens strømningstverrsnitt. Tabellverdier er vedlagt i vedlegg 1. Stolpene i diagrammet viser inn-, ut- og snitt-temperatur for måleseriene i varmeveksleren før og etter isolering av kaldtvannskretsen. Hvert par av figurer må sees i sammenheng

25

med hverandre da temperaturen og væskehastigheten i den ene kretsen, av naturlige grunner påvirker temperaturen i den andre kretsen. Stolpene i hvert diagram som har samme farge, hører til samme serie av 5 paraleller.

HT3 6 ui sol e r t

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,20 1,20 2,20 3,20 4,20 5,20 6,20

l / mi n V ar mt vann

Tur bulent væskestr øm Re>10000

LaminærVæskestr øm

Re<2300

Blandet væskestr øm

Re 2300-10000

Re = 2300

Re = 10000

HT36 uisolert

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,10 0,60 1,10 1,60 2,10 2,60 3,10

l/min Kaldtvann

Tem

p

Laminær væskestrøm

Re<2300

Blandet væskestrøm

Re 2300-10000

Turbulent væskestrøm Re>10000

Re = 10000Re = 2300

Figur 16a og 16b. HT36 uisolert, medstrøm.

HT3 6 ui sol e r t

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,20 1,20 2,20 3,20 4,20 5,20 6,20

l / mi n V ar mt vann

Tur bulent væskestr øm Re>10000

LaminærVæskestr øm

Re<2300

Blandet væskestr øm

Re 2300-10000

Re = 2300

Re = 10000

HT3 6 ui sol e r t

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,10 0,60 1,10 1,60 2,10 2,60 3,10

l / mi n Kal dt vann

Laminær væskestr øm

Re<2300

Blandet væskestr øm

Re 2300-10000

Tur bulent væskestr øm Re>10000

Re = 10000Re = 2300

Figur 17a og 17b. HT36 uisolert, motstrøm

HT36 Isolert

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,20 1,20 2,20 3,20 4,20 5,20 6,20

l/min Varmtvann

Tem

p

Turbulent væskestrøm Re>10000

LaminærVæskestrøm

Re<2300

Blandet væskestrøm

Re 2300-10000

Re = 2300

Re = 10000

HT3 6 I sol e r t

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,10 0,60 1,10 1,60 2,10 2,60 3,10

l / mi n Kal dt vann

Laminær væskestr øm

Re<2300

Blandet væskestr øm

Re 2300-10000

Tur bulent væskestr øm Re>10000

Re = 10000Re = 2300

Figur 18a og 18b. HT36 isolert, medstrøm

HT3 6 I sol e r t

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,20 1,20 2,20 3,20 4,20 5,20 6,20

l / mi n V ar mt vann

Tur bulent væskestr øm Re>10000

LaminærVæskestr øm

Re<2300

Blandet væskestr øm

Re 2300-10000

Re = 2300

Re = 10000

HT36 Isolert

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,10 0,60 1,10 1,60 2,10 2,60 3,10

l/min Kaldtvann

Tem

p

Laminær væskestrøm

Re<2300

Blandet væskestrøm

Re 2300-10000

Turbulent væskestrøm Re>10000

Re = 10000Re = 2300

Figur 19a og 19b. HT36 isolert, motstrøm

26

Som man ser fra figur 16a til 19b har de væskestrømmene vi valgte å bruke og som er aktuelle å bruke med hensyn til støyproblemene, gitt strømningsforhold som befinner seg til stor grad i det blandede området 2300<Re<10000. Korrelasjonen mellom Reynolds tall og Nusselts tall i dette området er vanskelig å finne noe annet enn empiriske tilnærminger til. Til undervisningsbruk benyttes kurven i vedlegg 6, noe som også ble benyttet til dette forsøket. Avlesning av slike kurver gir stor margin for feil som gir store utslag i beregnet teroretisk U-verdi. Teoretisk U-verdi er derfor beheftet med en ukjent usikkerhet. Temperaturen i varmtvannskretsen begrenses oppad av den varme som tilføres fra varmeelementet, og nedad av den varme som overføres til kaldtvannskretsen. Ved lave hastigheter på kaldtvann og høye hastigheter på varmtvann er det mulig å få fullt utviklet turbulent strømning i hele rørets lengde. Temperaturen på kaldtvann inn i varmeveksleren viser noe variasjon fra dag til dag, og kan forventes å variere litt med årstidene, samt etter forbruket av vann i bygningen. Laminær strømning vil bare opptre ved hastigheter under ca.0,5 l/min ved normale vanntemperaturer i bygningen. Fullt utviklet, turbulent strømning opptrer kun ved volumstrømmer over 3 l/min. Det antas at det vil være mulig å oppnå fullt utviklet turbulent strømning i begge væskekretser hvis begge volumstrømmer er over 3 l/min. Det vil da være mulig å få en korrekt teoretisk U-verdi ut fra Sieder Tate korrelasjonen (ligning 14) som kan sammenlignes med praktisk U-verdi hvis dette skulle være ønskelig i undervisningssammenheng. Kjøring av volumstrømmer over 3 l/min på varmtvannskretsen avhenger av støynivået man er villig til å tolerere, eventuelt en utskiftning av vannpumpe. Figur 20 viser områder på HT36 der varme utveksles med omgivelsene.

Figur 20. Områder på HT36 der varme utveksles med omgivelsene grunnet manglende isolering. Ved ombygning av HT36 ble kaldtvannskretsen isolert med ekspandert polymer-matriale av den typen som ofte brukes ved isolasjon av vannrør slik vist i figur 21.

27

Figur 21. HT36 med isolert kaldtvannskrets.

4.3 Platevarmeveksler HT37 Da HT37 fungerte tilfredstillende forut for ombygningen og hesikten med ombygningen var å få en mer realistisk konfigurasjon, ble det ikke gjort noen sammenligning av varmeoverføringsgrad eller varmeoverførings til omgivelser før og etter. Kalibreringsmålinger av HT37 etter ombygning viste som forventet utfra teori at total varmeoverføring og trykktap gjennom varmeveksleren øker ved økende antall plater. Det ble oppdaget lekkasjer fra kaldtvannskrets til varmtvannskrets under bruk av utstyret, men det var ikke mulig å hindre lekkasje ved stramming av skruen ved væskestrømmer over ca. 4 l/min for orginalkonfigurajonen. For 15 effektive plater kom lekkasjer ved ca. 2,6 l/min, og for 19 effektive plater kom lekkasjer ved ca.1,6 l/min. Det kunne kjøres høyere væskestrømmer i motstrøm enn i medstrøm, noe som sannsynligvis skyldes utformingen av platene. At lekkasjer oppstår ved lavere volumstrømmer dess flere plater man setter inn, stemmer med hensyn til det økte trykktapet som oppstår i kretsen. Platevarmevekslere er begrenst til bruksområder med lave væsketrykk slik det er nevnt i kapittel 2.4. Målinger på alternative konfigurasjoner med 17 plater (15 effektive) og 21 plater (19 effektive), viste at disse konfigurasjonene fungerer tilfredstillende til undervisningsformål. 4.4 Mangerørsvarmeveksler (Shell & Tube) HT33 Oppdragsgiver ønsket kun kalibrering av HT33. Målinger ble utført ved forskjellige kombinasjoner av kalde og varme væskestrømmer som var aktuelle for bruken i undervisningssammenheng. Varmeoverføringsegenskapene ble kartlagt. Måleresultatene viste at varmeveksleren fungerte godt og er egnet til sitt bruk.

28

4.5 Programvare Erfaringer ved bruk av programvaren viser at man ikke kan bruke den orginale programvaren i ”Lecture mode” til å avlese andre verdier enn flow og temperaturer pga beregningsmåten til dataprogrammet for både HT36 og HT37. Prosedyrer for bruk, og datalaringsprosedyrer for de tre varmevekslerne er beskrevet i vedlegg 7. 5 Diskusjon HT30X: For dobbeltrørsvarmeveksler HT37 er støy fra vannpumpen en hindring for optimal bruk som undervisningsverktøy og man bør vurdere å bytte pumpen for å kunne bruke væskestrømmer i det fullt utviklede, turbulente strømningsområdet der en god matematisk korrelasjon mellom Reynolds og Nusselts tall, muliggjør mer eksakte beregninger av teoretisk varmegjennomgangstall. Termosensorer ble kalibrert mot isvann og kokende vann, og funnet å ha usikkerhet som stemmer bra nok med den oppgitte usikkerheten til å kunne godtas ved den praktiske anvendelsen av utstyret. Vanntemperatur i bygget: Variasjoner i temperaturen til kaldtvannet er ikke noe alvorlig problem med hensyn til den aktuelle bruken, men det gir effekt på strømningsforholdene som man bør være oppmerksom på. Dokumentasjon fra produsent: Dokumentasjon i form av brukermanualer som fulgte med utstyret hadde store mangler i forhold til dimensjonene på varmevekslerne hos både dobbeltrørsvarmeveksleren HT37 og mangerørsvarmeveksleren HT33. Dobbeltrørsvarmeveksler HT36: For dobbeltrørsvarmeveksler HT36 ble det uttrykt ønske om å prøve ut isolering av kaldtvannskrets med hensyn på varmeutveksling med rommet. Kaldtvannskretsen ble isolert med ekspandert skumstrømpe av typen som brukes på vanlige vannrør og det ble funnet som forventet, mindre varmeutveksling med rommet, spesielt ved lave væskehastigheter. Kontakt mellom inner- og ytterrør ble vurdert å ikke utgjøre et særlig stort problem siden dette kun dreier seg om et lite område med endret strømningmønster og varmeoverføringsegenskaper. Fjerning av overflødige termosensorer og isolering av varmtvannskrets foreslås som fremtidige forbedringer. Varmevekslerens varmeoverførings- og strømningsegenskaper ble kartlagt før og etter isolering. Platevarmeveksler HT37: Oppdragsgiver ønsket en mer realistisk konfigurasjon av HT37 ved fjerning av mellomliggende termosensorer. Det ble utprøvd to forskjellige konfigurasjoner med henholdsvis 19 og 15 effektive plater i forhold til de opprinnelige 12 effektive platene. Laboratorieoppgaven ble bassert på den med 19 effektive plater. Varmeoverføringsegenskapene og øvre trykkgrense ble kartlagt for både den orginale og de nye konfigurasjonene. Mangerørsvarmeveksler HT33: Oppdragsgiver ønsket kun kalibrering av HT33 da det var ingen kjente problemer med denne. Varmeoverføringsegenskapene ble kartlagt og HT33 ble funnet å fungere tilfredstillende. Programvare: Oppdragsgiveren ønsket prosedyrer for datalagring til Microsoft Excel utviklet. Programvaren er kun laget for bruk med alle termosensorer på dobbeltrørsvarmeveksler HT36 og platevarmeveksler HT37, noe som gir beregningsfeil i ”lecture mode” (Lærer-modus) når færre sensorer benyttes. Da brukermanualene foreslår bygging av alternative varmevekslere som elevøvelse, burde det være naturlig å opplyse om beregningsgrunnlaget i ”lecture mode”. Usikkerhet i hovedenhetens måleutstyr ble ikke tatt hensyn til i beregningene programvaren gjorde. Eksport av måleresultater til Excel vil fungere tilfredstillende hvis de nye brukerveiledningene benyttes.

29

Et avansert Excel regneark ble utviklet som kan brukes til analyse av måleresultater fra disse og lignende varmevekslere. Det ble funnet matematiske uttrykk for temperaturavhengige variabler og varmeoverføringsegenskaper som med fordel kunne brukes istedet for tabeller og grafer der avlesningsfeil og manglende sikkerhet kan gi store avvik i beregnede verdier. Laboratorieoppgaver: Nye laboratorieoppgaver bassert på praktiske erfaringer med varmevekslerne ble ønsket utviklet. Disse ble skrevet innenfor de begrensninger utstyret har pr dags dato, med hensyn til pumpeproblemet. Forutsatt at pumpeproblemet løses kan laboratorieoppgavene knyttes tettere til bruk av dataverktøy og de matematiske fagene ved studiet.

30

6 Konklusjon Samlet sett virker varmevekslerutstyret til å være av god design hvis man ser bort ifra vannpumpen og dens feil i akselavstand. Pumpestøy ble redusert, men ikke i ønsket grad. Man bør vurdere å bytte vannpumpe for å få fullt utbytte av dobbeltrørsvarmeveksler HT36. Dobbeltrørsvarmeveksler HT36 viste forbedrede egenskaper etter isolering av kaldtvannskrets. Isolering av varmtvannskrets anntas ikke å ville gi betydlige forbedringer. To alternative konfigurasjoner for platevarmeveksler HT37 ble utviklet og fungerte etter hensikten. Mangerørsvarmeveksler HT33 fungerte godt uten endringer. Dokumentasjon i form av brukermanualer som fulgte med utstyret hadde store mangler i forhold til dimensjonene på varmevekslerne hos både dobbeltrørsvarmeveksleren HT37 og mangerørsvarmeveksleren HT33. Brukerveiledninger til utstyret ble skrevet der korrekte dimensjoner er oppført sammen med datalagringsprosedyrer. Flere småfeil og problemer ble avdekket med den orginale programvaren, men dette utgjør ikke et problem ved vanlig bruk. Regneark ble utviklet for behandling av måledata og kan være nyttig i videre arbeid med utstyret. Dette ble levert til intern veileder. Laboratorieoppgaver ble skrevet for å reflektere endringene i utstyret. Forbedringer til laboratorieoppgavene er foreslått for å knytte kjemiteknikkoppgavene tettere til 2- og 3-årets matematikkundervisning.

31

Symbolliste Symboler/forkortelse Forklaring A Areal (m2) cp Spesifik varmekapasitet ved konstant trykk (J/kg · °K) D Diameter (m) h Varmegjennomgangskoeffisient (W/m2 · °K) k Termisk konduktivitet (W/m · °K) L Lengde (m) S Strømningstverrsnitt (m2) V Gjennomsnittlig lineær væskehastighet (m/s) x Tykkelsen av vegg (m) µ Dynamisk viskositet (kg/m · s) ρ Densitet (kg/m3) ∆T Temperaturforskjell, varmeveksler (°K) ∆Tlm Logaritmisk midlere temperaturdifferanse (°K) Q Varmeovergangsrate (J/s), (J/s = Watt) U Varmegjennomgangstall (J/m3 · °K · s) q Volumstrøm (l/min) w Massestrøm (kg/s)

Litteratur

1. Lund A. og Rolfsnes N. A., 2001, Termodynamikk for maskinfag, Fagbokforlaget, s.33-41 2. Stensaas L., 2001, Varme og strømningslære, Gyldendal, s.196-210 3. Cengel Y. A., 2003, Heat Transfer - A Practicle Approach 2nd ed, McGraw Hill, s.667-702 4. Brau J., 2006, Transferts de Masse et Echangeurs de Chaleur, INSA de Lyon, Dép. Génie

Civil et Urbanisme. 5. http://www.petrochemind.com/utube.jpg 6. Instruction Manual HT30X, Armfield ltd. 7. Instruction Manual HT36, Armfield ltd. 8. Instruction Manual HT37, Armfield ltd. 9. Instruction Manual HT33, Armfield ltd. 10. CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th ed, CRC Press, Section 6-2.

Bilagsliste 1: Temperaturavhengige fysiske egenskaper til vann10. 2: Temperaturkurve for termiske konduktiviteten til vann. 3: Temperaturkurve for dynamisk viskositet til vann. 4: Temperaturkurve for densiteten til vann 5: Temperaturkurve for spesifik varmekapasitet for vann. 6: Kurve for bestemmelse av varmeovergangskoefissienten (ukjent opphav) 7: Microsoft Excel regneark som er levert til intern veileder. 8: Bruksanvisning for varmeveksler. 9: Laboppgaver i varmeveksling.

32

Vedlegg 1

Temperaturavhengige fysiske egenskaper til vann plottet mot temperatur fra 4 - 70°C etter tabellverdier10

og grenseverdier (l/min) for strømningstyper i HT36 beregnet ved hjelp av polynom regresjon. T Cp ρ µ l/min vv (Re2300) l/min vv (Re10000) l/min kv (Re2300) l/min kv (Re10000) 4 4,21 999,99 1,58 1,42 6,19 0,77 3,356 4,20 999,95 1,49 1,34 5,83 0,73 3,168 4,20 999,85 1,40 1,26 5,49 0,68 2,98

10 4,20 999,70 1,32 1,19 5,18 0,65 2,8112 4,19 999,49 1,25 1,12 4,88 0,61 2,6514 4,19 999,24 1,18 1,06 4,61 0,57 2,5016 4,19 998,94 1,11 1,00 4,35 0,54 2,3618 4,18 998,59 1,05 0,95 4,12 0,51 2,2320 4,18 998,20 0,99 0,90 3,89 0,49 2,1122 4,17 997,76 0,94 0,85 3,69 0,46 2,0024 4,17 997,28 0,89 0,80 3,50 0,44 1,9026 4,16 996,76 0,85 0,76 3,32 0,41 1,8028 4,14 996,21 0,80 0,73 3,15 0,39 1,7130 4,13 995,62 0,76 0,69 3,00 0,37 1,6332 4,11 994,99 0,73 0,66 2,86 0,36 1,5534 4,08 994,32 0,69 0,63 2,73 0,34 1,4836 4,05 993,62 0,66 0,60 2,60 0,32 1,4138 4,01 992,90 0,63 0,57 2,49 0,31 1,3540 3,97 992,13 0,60 0,55 2,38 0,30 1,2942 3,92 991,34 0,58 0,52 2,28 0,28 1,2444 3,86 990,52 0,55 0,50 2,18 0,27 1,1846 3,79 989,67 0,53 0,48 2,09 0,26 1,1348 3,71 988,79 0,51 0,46 2,00 0,25 1,0850 3,62 987,89 0,48 0,44 1,91 0,24 1,0452 3,52 986,95 0,46 0,42 1,83 0,23 0,9954 3,41 985,99 0,44 0,40 1,75 0,22 0,9556 3,28 985,00 0,42 0,38 1,66 0,21 0,9058 3,14 983,99 0,40 0,36 1,58 0,20 0,8560 2,98 982,95 0,37 0,34 1,49 0,19 0,8162 2,81 981,89 0,35 0,32 1,39 0,17 0,7664 2,61 980,80 0,33 0,30 1,30 0,16 0,7066 2,40 979,68 0,30 0,28 1,20 0,15 0,6568 2,17 978,54 0,27 0,25 1,09 0,14 0,5970 1,92 977,37 0,24 0,22 0,97 0,12 0,53

33

Vedlegg 2.

y = -4E-08x3 - 4E-06x2 + 0,002x + 0,5609

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64

0,66

0,68

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatur

Term

isk

kond

uktiv

itet (

k) v

ann

Temperaturkurve for den termiske konduktiviteten til vann i intervallet 0-70°C, bassert på tabellverdier og polynom regresjon via Microsoft Excel. Termisk konduktivitet er oppgitt i W/m · °C.

34

Vedlegg 3

y = -5E-06x3 + 0,0008x2 - 0,0535x + 1,7836

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatur

Visk

osite

t

Temperaturkurve for den dynamiske viskositeten til vann i intervallet 0-70°C, bassert på tabellverdier og polynom regresjon via Microsoft Excel. Dynamisk viskositet er oppgitt i 10-3 Pa/s.

35

Vedlegg 4

y = -2E-07x4 + 5E-05x3 - 0,0079x2 + 0,0549x + 999,89

975

980

985

990

995

1000

1005

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatur

Den

site

t

Temperaturkurve for densiteten til vann i intervallet 4-70°C, bassert på tabellverdier og polynom regresjon via Microsoft Excel. Densiteten er oppgitt i kg/m3.

36

Vedlegg 5

y = 2E-12x6 - 4E-10x5 + 5E-08x4 - 4E-06x3 + 0,0002x2 - 0,0038x + 4,2176

4,18

4,18

4,19

4,19

4,20

4,20

4,21

4,21

4,22

4,22

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatur

Cp

Temperaturkurve for den spesifike varmekapasitet til vann i intervallet 0-70°C, bassert på tabellverdier og polynom regresjon via Microsoft Excel. Spesifik varmekapasitet er oppgitt i kJ/kg · °C

37

Vedlegg 6

38

Vedlegg 8

Bruksanvisning for varmevekslere (Armfield) Hovedenheten:

1. Fyll varmtvannstanken med destillert vann. 2. Sjekk at vannslangene er tilkoblet riktig (disse er merket) og at

avløpsslanger (kaldt vann ut) er forsvarlig festet til utslagsvasken. 3. Åpne ventilene for varmt vann inn og ut . 4. Skru på hovedbryteren på varmeveksleren. kople USB ledningen til

PC’n. 5. Gå inn i programmet for varmevekslerenheten som skal kjøres.

(rørvarmeveksler HT36, plate HT37, shell & tube HT33) 6. Ledningene til termosensorene må være koblet riktig, kontroller dette

mot bildet i programvinduet. 7. Skru kaldtvannskranen forsiktig opp. 8. La kaldtvann kjøres et stund for å få til en stabil temperatur. 9. Følg deretter bruksanvisning for den varmeveksleren du skal benytte.

NB! ( For platevarmeveksler må man passe på at det ikke er lekkasje og følge med på om nivået i varmtvannstanken stiger, gjør den det, stram skruen eller be om hjelp). Bytte av varmeveksler:

1. Steng ventilene på varmt vann inn og ut 2. Trekk ut de grønne kontaktene (hold i selve kontakten, IKKE i ledningen når de

dras ut) 3. Løsne slangekoblingene for kaldt og varmt vann. Pass på at vann som er igjen på

slangene havner på avløpssrenna på hovedenheten. 4. Løft forsiktig av enheten og sett den andre på plass. Koble til vannslangene og

avløpsslange (kaldt vann ut), og de grønne ledningene til termosensorene. 5. Åpne ventilene til varmt vann inn og ut.

Rørvarmeveksler HT 36: 1. Start programmet for HT36. 2. Velg ”project work”, så velger du strømningsretning. Motstrøm kjøres alltid først

hvis du er førstemann til å benytte varmeveksleren slik at systemet tømmes for luftbobler.

3. Velg ”View diagram” i programvinduet for å se prinsippskissen av rørvarmeveksleren. a) Trykk på ”PID2” b) Sett ”mode of operation” på ”automatic”. c) Sett ”set point ” på 60 °C, klikk deretter på ”apply” og ”ok”.

4. ”Controls”: Trykk på ”power on”

39

5. ”Indicator”: Hvis lampen lyser rødt, etterfyll varmtvannstanken med destillert vann.

6. ”Controls”: Sett ”cold water” på 50% og ”hot water” på 50% i ca. 1-2 min for å utlufte systemet.

7. ”Controls”: Still ”cold water” og ”hot water” til de verdiene de som er gitt i lab oppgaven, følg med på hot og cold flowrate for å finjustere den ønskede volumstrømmen.

8. Trykk på ”sample – configure”, sett ”sampling operation” på ”manuel” og trykk ”ok”.

9. Vent til at temperaturene til varmt og kaldtvann ut har stabilisert seg. 10. Ta målingene ved å trykke på ”GO”, for hver ny måling. 11. Trykk på ”view table” for å se målingene 12. Resultater lagres ved å gå til ”File -save as”. Som filtype velger man ”Excel 5.0 file

[*xls]”, deretter navngis filen og lagres i den ønskede mappen. 13. ”Controls”: Sett ”hot water” og ”cold water” på 0%. Trykk på ”power off”. 14. Trykk på ”File –load new experiment” for å bytte til annen strømningsretning. 15. Gjenta prosessen….. til punkt 13.

Platevarmeveksler HT 37 1. Start programmet for HT37 2. Gå til ”project work”, så velger du strømningsretning. Motstrøm kjøres alltid først

hvis du er førstemann til å benytte varmeveksleren slik at systemet tømmes for luftbobler.

3. Velg ”View diagram” i programvinduet. a. Trykk på ”PID 1” b. Sett ”control variable” på ”heater control” c. Sett ”process variable” på ”T1” d. Sett ”mode of operation” på ”automatic”. e. Sett ”set point” til 60°C deretter ”apply” og ”ok”.

4. ”Controls”: Trykk på ”power on” 5. ”Indicator”: Hvis lampen lyser rødt, etterfyll varmtvannstanken med destillert

vann. 6. ”Flow Rate Controls”: Sett ”pump setting” til 50% og ”valve setting” på 50% i ca.

1-2 min for å utlufte systemet. 7. Still deretter inn verdiene som er gitt i lab oppgaven med ”pump setting”(varmt) og

”valve setting” (kaldt). Følg med på ”fluid flow rate” for å finjustere den ønskede volumstrømmen.

8. Trykk på ”sample –configur”sett ”sampling operation” på ”manuel” og trykk ”ok”. 9. Vent til at temperaturene av varmt og kaldtvann ut har stabilisert seg. 10. Ta målingene ved å trykke på ”GO”, for hver ny måling. 11. Trykk på ”view table” for å se målingene. 12. Resultater lagres ved å gå til ”File -save as” som filtype velger man ”Excel 5.0 file

[*xls]” deretter navngis filen og lagres på ønskede mappen. 13. ”Flow Rate Controls”: Still ”pump setting” og ”valve setting” på 0%. Trykk

deretter på ”power off”. 14. Trykk på ”File –load new experiment” for å bytte til annen strømningsretning. 15. Gjenta prosessen….. til punkt 12.

40

Mangerørsvarmeveksler HT 33: 1. Start programmet for HT33 og velg strømningsretning. Motstrøm kjøres alltid

først hvis du er førstemann til å benytte varmeveksleren slik at systemet tømmes for luftbobler..

2. Velg ”View diagram” i programvinduet. a) Trykk på ”control” under ”temperatur T1” b) Sett “Mode of operation” til ”Automatic”. c) Sett “Set point” til 60°C. d) Klikk på ”apply” og ”ok”.

3. ”Controls”: trykk på ”power on”. 4. ”Indicator”: Hvis lampen lyser rødt, etterfyll varmtvannstanken med destillert

vann. 5. Still ”hot water flow” og ”cold water flow” på 50% i ca. 1-2 minutter for å utlufte

systemet. 6. Still inn verdiene som er oppgitt på lab heftet og finjuster til man får den ønskede

volumstrøm. 7. Trykk på ”sample –configure”sett ”sampling operation” på ”manuel” og trykk

”ok”. 8. Vent til at temperaturene til varmt og kaldtvann har stabilisert seg. 9. Ta målingene ved å trykke på ”GO”, for hver ny måling. 10. Trykk på ”view table” for å se målingene. 11. Resultater lagres ved å gå til ”File -save as” som filtype velger man ”Excel 5.0 file

[*xls]” deretter navngis filen og lagres i den ønskede mappen. 12. Still ”hot water flow” og ”cold water flow” på 0% og trykk på ”Power off”. 13. Trykk på ”File –load new experiment” for å bytte til annen strømningsretning. 14. Gjenta prosessen….. til punkt 12.

Avslutning: Ta med lagrede målingene på USB minnebrikke. Skru igjen kaldtvannskranen og skru av strømbryteren på hovedenheten. Steng ventilene til varmtvann. Hvis ingen skal bruke utstyret etter deg så tøm vannbeholderen. Slå av PCen. Tørk opp vannsøl.

41

Vedlegg 9

Kjemiteknikk

Laboratorieoppgave i Varmeveksling

Mimoun Amara og Bjørn Hjelmerud

2009

42

Viktig informasjon Laboratorieoppgaven i varmeveksling er obligatorisk og må være godkjent før du har anledning til å gå opp til eksamen (jfr. Studiehåndboka). Dersom du ikke kan møte til oppsatt tid, må du gi beskjed om dette på forhånd, på telefon 22453352 eller til ekspedisjonen 22453200. Det er ingen selvfølge å få ny tid for å utføre en oppgave etter å ha uteblitt uten å melde fra. Forventede forkunnskaper Bruk av Excel og Word til resultatbearbeiding, beregninger med grafisk fremstilling og rapportskriving. Laboratoriejournal For alt som utføres i laboratoriet skal det skrives laboratoriejournal. Journalen skal ha stive permer og være i A4 format. Utforming av laboratoriejournaler skal følge de retningslinjer som er gitt i kompendiet ”Rapportskriving” av Ragnhild Augustson.

• Følgende deler skal skrives før du går på laboratoriet:

o Forsøksnummer og -start o Tittel på forsøket o Hensikt med forsøket o Materialer – en liste over kjemikalier, løsninger og utstyr som skal benyttes. o HMS- informasjon for kjemikalier og løsninger som skal brukes. Dette punktet legges under

Materialer og inneholder bare de viktigste forholdsreglene for håndteringen av stoffene. (Se eget punkt om HMS-datablader.)

Disse punktene i journalen skal godkjennes før arbeidet i laboratoriet kan starte.

• Følgende skal skrives samtidig med arbeidet i laboratoriet:

o Metode Her skal du skrive det du gjør på laboratoriet, parallelt med arbeidet. Innveiinger, utregninger og andre observasjoner som gjøres før og under forsøket, skal alltid skrives inn i journalen under dette punktet. Metodedelen gjøres ferdig før laboratoriet forlates for dagen. Dette kontrolleres av laboratorieingeniør eller veileder.

Se for øvrig kapitlene ”Laboratoriejournaler” og ”Viktige råd og tips” kompendiet ”Rapportskriving” av Ragnhild Augustson. Bilag 1 i kompendiet viser et eksempel på en journal. HMS Ingen helsefarlige kjemikalier benyttes i varmeveksleroppgavene. Unngå vannsøl på gulvet pga skli-fare. Laboratorierapport Det skal skrives rapport for laboratorieoppgaven i kjemiteknikk. Utforming av laboratorierapport skal følge de retningslinjer som er gitt i kompendiet ”Rapportskriving” av Ragnhild Augustson. Se kapittelet om rapportskriving og dessuten punktet ”Viktige råd og tips”. I bilagene vises eksempler på rapporter.

43

Laboratorierapporten leveres inn for godkjenning 2 uker etter utført oppgave. Den leveres via Fronter.

En rapport som ikke godkjennes ved første gangs innlevering, skal rettes opp og leveres inn på nytt. Dersom rapporten ikke godkjennes ved 3. gangs innlevering, regnes oppgaven som ikke gjennomført. Om mulig kan oppgaven gjøres på nytt. For rapporter gjelder at dersom avskrift fra andre rapporter oppdages, så vil rapporten ikke bli godkjent og må skrives om igjen. Innleveringsfrister må overholdes! Følger ved for sen levering i emner med laboratoriekarakter: Inntil 3 dager for sent: Trekk av 10 poeng (av 100) Inntil 2 uker for sent: Trekk av 30 poeng (av 100) Mer enn 2 uker: Trekk av 50 poeng (av 100) Det er mulig å få utsettelse ved sykdom (utsettelse på mer enn en uke krever sykemelding). For å få utsettelse må en sende en e-post til Sturla.Rolfsen@iu.hio.no. Det vil bli satt en ny innleveringsfrist. Studenter med spesielle behov bes kontakte fagkoordinator for å få et tilpasset opplegg. Karakterpoeng på rapport settes på bakgrunn av det første innleverte utkast. Endelig godkjenningsfrist Laboratoriejournalen og prosjektrapport må være godkjent innen 14.november kl. 12.00 for at man skal kunne gå opp til eksamen høsten 2007.

44

VARMEVEKSLING

1. FORMÅL I dette forsøket skal man se nærmere på tre typer varmevekslere for å belyse i praksis den teoridelen som ble gjennomgått i kjemiteknikkundervisning. 2.TEORI Varmeoverføringen i en varmeveksler skjer mellom to væske-/gass-strømmer av forskjellig temperatur. Ofte lar man varme overføres fra en prosesstrøm til en annen for å spare på energiutgiftene. Det finnes flere typer av varmevekslere, men i hovedprinsippet fungerer de på samme måte. Væskene/gassene som skal varmeveksles ikke kommer i direkte kontakt og blandes ikke, men strømmer i rør eller på hver sin side av en plate i varmeledende materiale. Det vises til det til Kjemiteknikk I, av Arnvid S Roald1 for øvrig teori. Formlene (1)-(3) kan være til hjelp ved beregningene av det praktisk varmegjennomgangstall: For å beregne varmemengde avgitt fra varmtvann (Qavgitt) brukes ligning 1 Qavgitt = wvarmtv. cp ∆Tvarmtv. (1) Tilsvarende for Qmottatt av kaldtvann

Qmottatt = wkaldtv. cp ∆Tkaldtv. (2) Hvis det ikke utveksles varme med omgivelsene (isolert system) vil Qavgitt være lik Qmottatt. Praktisk varmegjennomgangstall Uy er gitt ved ligning 3

U QA Ty

y m

=

⋅

∆ (3)

hvor Q er gjennomsnittet av Qmottatt og Qavgitt Ay er areal av ytre overflate av varmvannsrøret

mT∆ er midlere temperaturdifferanse over varmeveksleren, gitt ved:

mT∆ = 1 2

1

2

ln

T TTT

∆ −∆∆∆

∆T1 og ∆T2 er temperaturdifferansen mellom varmtvann og kaldtvann på hver ende av varmeveksleren. For den teoretiske beregning benyttes også ligning 4 og 5: Teoretisk varmegjennomgangstall Uy , referert til ytre overflate for varmtvannsrøret beregnes ut fra:

1 1 1U h

x

k DD

h DD

y y m

yi

i

y

= + + (4)

der: x: varmtvannsrørets tykkelse

45

k: varmeledningsevne for rørmaterialet Dm: midlere diameter av røret Dy: ytre diameter av varmtvannsrøret Di: indre diameter av varmtvannsrøret hy og hi : varmeovergangskoeffisient for henholdsvis ytre og indre væskefilm. Disse beregnes ut fra ligning 5.

NuLD

hk

Dc

kLDh

p⋅ =

⇒ =

⋅

⋅

−Pr Re, Re,13

13

Φ Φµ

(5)

der: Nu: Nussels tall = h·D/k Pr: Prandtls tall= cp·µ/k L: lengden av røret k: væskens varmeledningsevne cp: væskens varmekapasitet µ: væskens viskositet ved gjennomsnittstemperaturen, her for henholdsvis varmt vann og for kaldt vann.

L Re, D

Φ

uttrykker en funksjon av Reynolds tall og forholdet Lengde/Diameter for røret. Denne verdien

finner du ved hjelp av kurven i vedlegg 4. Øvrige data som behøves til beregningene finnes i vedlegg 1-3. 3. APPARATUR, OG MÅLINGER SOM SKAL GJENNOMFØRES Del 1 – Rørvarmeveksler Rørvarmeveksleren består av to rør, hvor stålrøret med varmt vann ligger inne i et ytre plastrør hvor kaldt vann strømmer som vist i figur 1. Vi kan tenke oss at det er en varm væske fra en prosess som skal avgi varme til den kalde væsken før den enten slippes ut (spillvarme) eller går videre til et annet prosesstrinn (forvarming).

46

Figur 1: Prinsippskisse for rørvarmeveksleren som vises på skjermen under forsøket I dette laboratorieoppsettet er kun temperaturene inn og ut ( T1 og T5 for varmt vann og T6og T10 for kaldt vann), og volum strømmene som er gjeldende. De mellomliggende sensorene benyttes ikke her. Man må også notere disse verdiene i journalen under forsøket. Se bruksanvisning for varmeveksleren som ligger på laben. Følgende skal utføres: Motstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 1 l/min og kaldt vann 2 l/min. II. Varmt vann 2 l/min og kaldt vann 2 l/min.

Medstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 1 l/min og kaldt vann 2 l/min. II. Varmt vann 2 l/min og kaldt vann 2 l/min.

Etter at temperaturene har stabilisert seg, tas det fem målinger slik det er beskrevet i bruksanvisningen. Notér verdiene i labjournalen og lagre som excel regneark.

Alle vannstrømmer slås av og rørvarmeveksleren byttes ut med platevarmeveksleren (se bruksanvisning for skifte av varmeveksler). Del 2 – Platevarmeveksler Platevarmeveksleren er satt sammen av plater hvor varmt vann går på den ene siden av platen og kaldt vann på den andre siden, enten i medstrøm eller i motstrøm varmeveksling. Figur 2 viser det programviduet som skal vises hvis du/dere har fulgt bruksanvisningen for varmeveksleren.

47

Figur 2. Skjermbilde for platevarmeveksler. Som for rørvarmeveksleren, er det også her mulig å registrere temperaturen i vannet ved flere punkter på varmeveksleren som figur 2 viser (fra T1 til T10). I denne oppgaven er kun temperaturene inn og ut som gjelder da varmeveksleren er ombygd i forhold til hvordan den ble levert fra leverandør. T1 og T5 er varmt vann og T6og T10 er kaldt vann. For varmtvann vil inn-og ut-sensor avhenge av hvilken strømningsretning som velges. Dette vil fremgå av temperaturene på skjermen. Følgende skal utføres: Motstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 0,7 l/min og kaldt vann 1,6 l/min. II. Varmt vann 1,6 l/min og kaldt vann 0,7 l/min.

Medstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 0,7 l/min og kaldt vann 1,6 l/min. II. Varmt vann 1,6 l/min og kaldt vann 0,7 l/min.

Etter at temperaturene har stabilisert seg, tas det fem målinger slik det er beskrevet i bruksanvisningen. Notér verdiene i labjournalen og lagre som excel regneark. Alle vannstrømmer slås av og platevarmeveksleren byttes ut med mangerørsvarmeveksleren (se bruksanvisning for skifte av varmeveksler). Del 3 – Mangerørsvarmeveksler (Shell & Tube) Mangerørsvarmeveksleren, består av et ytre ”shell” av akryl. Varmtvannet strømmer gjennom syv rør av rustfritt stål og passerer gjennom veksleren 1 gang (single pass). Rørene er plassert slik at det er en 60° vinkel mellom sentrene (forsatte rør). Kaldtvannet ledes på tvers av varmtvannsrørene ved hjelp av to spjeld slik at væskehastigheten over varmtvannsrørene økes. Figur 3 viser prinsippskisse av mangerørsvarmeveksleren fra skjermbildet.

48

Figur 3. Prinsippskisse for mangerørsvarmeveksler som vises på skjermen under forsøket. Følgende skal utføres: Motstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 1 l/min og kaldt vann 2 l/min. II. Varmt vann 2 l/min og kaldt vann 1 l/min.

Medstrøms varmeveksling. Via dataprogrammet innstilles følgende verdier

I. Varmt vann 1 l/min og kaldt vann 2 l/min. II. Varmt vann 2 l/min og kaldt vann 1 l/min.

Etter at temperaturene har stabilisert seg, tas det fem målinger slik det er beskrevet i bruksanvisningen. Notér verdiene i labjournalen og lagre som excel regneark. 4. RESULTATER Beregn følgende resultater for alle varmevekslere (begge strømningsretninger).

1. Varmeoverføringsgraden η = (Qmottatt / Qavgitt ) * 100%

2. Det praktiske varmegjennomgangstallet U QA Ty

y m

=

⋅

∆

3. Det teoretiske varmegjennomgangstallet Uy for motstrøms rørvarmeveksler. 5. RAPPORTEN

49

Følg kompendiet i Rapportskriving . Beregningseksempler gis i vedlegg. Disse skal utføres ved bruk av Excel regneark. Rapport med vedlegg leveres elektronisk på Fronter. Vurdering av oppgaven Vurdering av oppgaven vil bli basert på følgende:

1. Den praktiske gjennomføring av oppgavene 2. Beregnede resultater 3. Rapporten skal være skrevet på en oversiktlig måte og tilfredsstille de krav til rapportskriving som er

gitt i kompendiet ” Rapportskriving”. 4. Diskusjonen av resultatene skal vise at studentene har god forståelse av varmeveksling.

6. LITTERATURHENVISNING: 1. Arnvid S Roald, Kjemiteknikk I, eget forlag, revidert desember 1997.

50

Vedlegg 1 til laboppgaven Data for varmeveksleroppgaven

Varmeledningsevnen k (for de temperaturområder som benyttes her) Vann : 0,59 W/m K Indre rør (rustfritt stål): 16 W/ m K Rørvarmeveksler: Antall rør: 4 Lengde pr. rør: 670mm Stålrør Ytre diameter: 9,50mm Stålrør Indre diameter: 7,90mm Indre diameter, ytre rør: 14mm Platevarmeveksler: Antall plater 21 plater (19 effektive) Dimensjon pr plate 75mm x 115mm Mangerørsvarmeveksleren : Antall rør: 7 Lengde pr. rør: 150mm Stålrør Ytre diameter (Dy): 6,35mm Stålrør Indre diameter (Di): 5,9mm Indre diameter, Shell (Ds): 39mm Senteravstand mellom rør (Pt): 11,45mm

51

Vedlegg 2 til laboppgaven

52

Vedlegg 3 til laboppgaven

53

Vedlegg 4 til laboppgaven.