Utilizarea energiei termice

Universitatea Ovidius Constanta 

Facultatea IMIM 

Specializarea EI 

Anul IV

UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE PROIECT

Date initiale

Sa se intocmeasca bilantul energetic si exergetic pentru un schimbator de caldura apa-apa orizontal in contracurent cu suprafata de schimb de caldura, schimbatorul de caldura fiind utilizat pentru incalzirea apei menajere.

Mod de calcul

Din tabel se alege entalpia pt temperatura t1i =98 ^oC

h=410.8 kj/kg

Din tabel se alege entalpia pt temperatura t1e=53 ^oC

h=222.04 kj/kg

Din tabel se alege entalpia pt temperatura t2i =17 ^oC

h=71.53 kj/kg

Din tabel se alege entalpia pt temperatura t2e=47 ^oC

h=197.03 kj/kg

Calculul debitului de caldura cedat de agentul primar

ηr=0.998 %

Q1=2236.71 kj/s

Calculul debitului de caldura primit de agentul secundar

Q2=2095.85 kj/s

Se calculeaza pierderile catre mediul ambiant

Qp=Q1-Q2=140.86 kj/s

Se calculeaza diferenta medie logaritmica de temperatura

∆tmax=t1i-t2e=45⁰C

∆tmin=t2e-t2i=30⁰C

∆tmed=(∆tmax-∆tmin) / ln(∆tmax/∆tmin)=35.71⁰C

Coeficientul de retinere al caldurii

ηr=Q2/Q1=0.937%

Calculul coeficientului global de schimb de caldura

ks=ηr*Q1/(∆tmed*S)=1315.9 W/m2*^oC

δt1=t1i-t1e=45 ^oC

δt2=t2e-t2i=30 ^oC

Diferenta de temperatura medie a agentului primar si secundar

δt2<δt1 => tm1=tm2+∆tmed ;

tm2=(t2e+t2i)/2 ;

tm1=67.71 ^oC

tm2=32 ^oC

Densitatea agentului primar la tm1=67.71 ^oC

ρ = 973.43 kg/m³

Densitatea agentului secundar la tm2=32 ^oC

ρ = 995.02 kg/m³

Vascozitatea agentului primar

tm1<80°C => ν1=2.453*10^-5*tm1^-0.96

ν1=0.390*10^-6 m²/s

Vascozutatea agentului secundar

tm2<80°C => ν2=2.453*10^-5*tm2^-0.96

ν2=0.766*10^-6 m²/s

Viteza de curgere a agentului primar

w1=M1/(ρ1*S1)=0.87 m/s

Reynolds pentru agentul primar

Re1=w1*di/ν

Coeficientul de convectie pentru agentul primar

α1=(1430+23.3*tm1-0.048*tm1²=5694.45 W/m²*⁰C

Viteza de curgere a agentului secundar

w2=M2/(ρ2*S2)=0.244 m/s

Diametru hidraulic echivalent al agentului secundar

Dechi=4*S/P=4*(π*Di2/4-z*π*de2/4)/(π*Di+z*π*de)=(Di2-z*de2)/(Di+z*de)=5.83 m

Reynolds pt agentul secundar

Re2=w2*Dechi/ν2=28664

Coeficientul de convectie pentru agentul secundar

α2=(1430+23.3*tm2-0.048*tm2²=803.79 W/m²*⁰C

Temperatura medie a peretelui tevii

tp=(tm1+tm2)/2=49.88 C

Coeficientul de conductie termica a peretelui (se alege din tabel)

λp=54.24 W/m*k

Coeficientul global de schimb de caldura al aparatului curat

k0=1/(1/(α1*di/de)+1/(2*λp)*di*ln(de/di)+1/(α1*de/di)=690.60

Rezistenta termica a depunerilor

Rsd=1/ks-1/k0=6.88*10^-4 m²*k/w

Eficienta procesului de incalzire

ηinc=(t2e-t2i)/(t1i-t2i)=0.37 

Entalpia mediului ambiant (se alege din tabel)

h₂₅=105.37 kj/kg

Randamentul termodinamic

ηtd=Q2/Q10=M2*(h2e-h2i)/[M1*(h1i-h10)]=0.76%

Caldurile specifice

cp1=3.996+2.096*10^-3*tm1= 4.14

cp2=3.996+2.096*10^-3*tm2= 4.06

Capacitati termice

W1=M1*cp1= 49.14

W2=M2*cp2= 67.8

Eficienta termica

ε=Q/Qmax=W1*(t1i-t1e)/[Wmin*(t1i-t2i)]=  0.402

Entropia agentului primar la intrare in SC

s=1.283 kj/KgK

Entropia agentului primar la iesire din SC

s=0.76 kj/KgK

Entropia agentului secundar la intrare in SC

s=0.25 kj/KgK

Entropia agentului secundar la iesire din SC

s=0.63 kj/KgK

Exergia agentului primar la intrare in SC

e1i=h1i-T0*s1i=28.46 kj/kg

Exergia agentului primar la iesire din SC

e1e=h1e-To*s1e=40.3 kj/kg

Exergia agentului secundar la intrare in SC

e2i=h2i-To*s2i=-3.56 kj/kg

Exergia agentului secundar la iesire din SC

e2e=h2e-To*s2e=-0.9 kj/kg

Exergia cedata de agentul primar

ΔE1=M1*(e1i-e1e)= 140.93 kj/kg

Exergia primita de agentul secundar

ΔE2=M2*(e2e-e2i)= 50.43 kj/kg

Pierderile de exergie

ΔEp=ΔE1-ΔE2= 91.34

Randamentul exergetic

ηex=ΔE2/ΔE1= 0.35 %

Elementele principale ale bilantului real

I. Bilantul energetic

1. Cantitatea de caldura cedata de agentul primar

Q1=2236.71 kw 100%

2. Cantitatea de caldura primita de agentul secundar

Q2=2096.85 kw 93.74%

3. Pierderi de caldura

Qp=140.86 kw 6.26%

Diagrama Sankey pentru bilantul energetic

II. Bilantul exergetic

1. Exergia cedata de agentul primar

ΔE1= 263.98 kw 100%

2. Exergia primita de agentul secundar

ΔE2= 50.43kw 19.1%

3. Exergia pierduta

ΔEp= 213.55 kw 80.89%

Diagrama Sankey pentru bilantul exergetic

Analiza bilantului termic

Rsd=0.00069 m²*k/w

Coeficientul de retinere al caldurii

ηr=0.937 %

Numar de unitati de transfer termic de caldura

NTC=ks*S/W=0.58

Pierderile de presiune

ΔpS1=Δp/NTC=(p1i-p1e)*W1/(ks*S)=0.41

In concluzie se impun urmatoarele conditii:

-curatarea aparatului

-izolarea termica a aparatului

Bilantul optim

In urma curatarii aparatului de depuneri avem valorile:

S=44.58 m²

t1i=98 C

t2i=17 C

M2=16.7 kg/s

M1'=10 kg/s

Rsd'=0.002 m²*k/w

Pierderile de presiune

Δp1'=Δp1*(M1'/M2)= 0.33 w/m²*k

Coeficientul de convectie al agentului primar

α α1*(M1'/M2)0.8 =629.26

Coeficientul global de schimb de caldura al aparatului curat

k0'=1/(1/(α1'*di/de)+1/(2*λp)*di*ln(de/di)+1/(α1'*de/di)=303.88 w/m²*k

Coeficientul global de schimb de caldura

ks'=k0' /(1+k0' *Rsd')=1500 w/m²*k

Capacitatatile termice

W1'=M1'*cp1=41.4 kw/k

W2=M2*cp2=67.8 kw/k

Numar de unitati de transfer termic de caldura

NTCmax'=ks' *S/Wmin'=0.30

Eficienta pentru aparatul curatat

ε'=/=1.04

Debitul de caldura primit de agentul secundar

Q2'=ε' *Wmin(t1i-t2i)=828.20

Temperatura la iesirea din SC a agentului secundar

t2e' =t2i+Q2' /(M2*cp2)=29.20 ⁰C

Temperatura de iesire din SC a agentului primar

t1e'=t1i-Q2' /(ηr' *M1' *cp1)=78.01 C 

Debitul de caldura cedat de agentul primar

Q1'=Q2' /ηr'=829.26 kw

Debitul de caldura pierdut

Qp'=Q1'-Q2'=1.65 kw

Eficienta procesului de incalzire

ηinc'=(t2e'-t2i)/(t1i-t2i)=0.15 % 

Entalpia agentului secundar la iesirea din SC

h'=122.48 kj/kg

Entalpia agentului primar la iesirea din SC

h'=326.70 kj/kg

Entropia agentului primar la iesirea din SC

s'=1.05 kj/kg*k

Entropia agentului secundar la iesirea din SC

s'=0.42 kj/kg*k

Exergia specifica a agentului primar la iesirea din SC

e1e'=h1e'-T0*s1e'=13.73 kw

Exergia agentului secundar la iesirea din SC

e2e'=h2e'-T0*s2e'=-4.13 kw

Exergia cedata de agentul primar

ΔE1'=M1' *(e1i-e1e')=146.98 kw

Exergia primita de agentul secundar

ΔE2'=M2 *(e2e'-e2i)= -5.96 kw

Exergia pierduta

ΔEp'=ΔE1'-ΔE2'=152.94 kw

Randamentul exergetic

ηex'=ΔE2'/ΔE1'=-0.04 %

Bilantul optim

I. Bilantul energetic

1. Cantitatea de caldura cedata de agentul primar

Q1'=829.86 kw

2. Cantitatea de caldura primita de agentul secundar

Q2'=828.20 kw

3. Pierderi de caldura

Qp=1.65 kw

Diagrama Sankey pentru bilantul energetic

II. Bilantul exergetic

1. Exergia cedata de agentul primar

ΔE1'=146.98 kw

2. Exergia primita de agentul secundar

ΔE2'=-5.26 kw

3. Exergia pierduta

ΔEp'=152.94 kw

Diagrama Sankey pentru bilantul exergetic