LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Transkrypt

1 INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: KONWEKCJA SWOBODNA W POWIETRZU OD RURY

2 Konwekcja swobodna od rury w owietrzu 2 1. PODSTAWY TEORETYCZNE Konwekcja (rzenoszenie cieła) jest jednym z rodzajów transortu cieła, który związany jest z makroskoowym ruchem elementów łynu. Ruch łynu może zostać sztucznie wymuszony (konwekcja wymuszona) lub być sowodowany siłą wyoru wynikającą z różnic gęstości ewnych elementów łynu o różnej temeraturze (konwekcja swobodna). Na wartość konwekcyjnego strumienia cieła duży wływ ma rędkość rzeływającego łynu. Celem niniejszego ćwiczenia jest oznanie odstawowych zależności wystęujących rzy konwekcji swobodnej w owietrzu. Intensywność konwekcyjnej wymiany cieła wyraża się wartością wsółczynnika wnikania cieła α, który definiowany jest równaniem: q& α =, (1) t s t q& - gęstość strumienia cieła rzeływającego między łynem i ścianką, t s, t temeratura ścianki i łynu. Na rzebieg tego zjawiska wływ ma wiele czynników, takich jak: - własności łynu, - rędkość łynu, - kształt, wymiary i stan owierzchni wymieniającej cieło. Wielkości te można ołączyć w zmienne bezwymiarowe oisujące zjawisko konwekcji. Bezwymiarową ostacią wsółczynnika wnikania cieła jest liczba Nusselta: α l Nu = 0, (2) λ l 0 charakterystyczny rozmiar liniowy związany z rzeływem łynu, λ wsółczynnik rzewodzenia cieła łynu. O charakterze rzeływu decyduje liczba Reynoldsa: w rędkość łynu, ν kinematyczny wsółczynnik rędkości. Właściwości łynu ujęte są w liczbie Prandtla: λ a = - wsółczynnik wyrównania temeratury łynu. cρ w l0 Re =, (3) ν ν Pr =, (4) a Gdy na ruch łynu wływ mają siły masowe, związane z rzysieszeniem grawitacyjnym g, to są one uwzględniane w liczbie Grashoffa:

3 Konwekcja swobodna od rury w owietrzu g β t l Gr =, (5) 2 ν 1 β wsółczynnik rozszerzalności objętościowej łynu (dla gazów doskonałych β = ), T t różnica temeratury ścianki i łynu. Orócz tych liczb uwzględnione muszą być stosunki wymiarów geometrycznych ujęte w kryteria odobieństwa geometrycznego Ki. Ostatecznie dla konwekcji w stanie ustalonym istnieje nastęująca zależność bezwymiarowa: ( Re, Pr, Gr Ki) Nu = f,. (6) Dla konwekcji swobodnej brak jest zewnętrznie wymuszonego rzeływu (liczba Re), a decydującą rolę odgrywa liczba Grashoffa. Zatem: ( Gr, Pr, Ki) Nu = f. (7) W rzyadku konwekcji swobodnej w rzestrzeni nieograniczonej o rzebiegu zjawiska decyduje głównie warstwa łynu rzylegającego do ścianki, więc właściwości łynu należy ustalać dla średniej temeratury łynu i ścianki: t m t + t s =. (8) 2 Wymiarem charakterystycznym ciała jest wymiar w kierunku ionowym. W tych warunkach równanie bezwymiarowe na liczbę Nusselta ma ostać: ( Gr Pr) n Nu = C. (9) Wsółczynniki C i n zależą od wartości iloczynu GrPr. Ich wartości odano w tablicy 1. Charakter rzeływu GrPr C n brak rzeływu < rzeływ laminarny rzeływ rzejściowy rzeływ burzliwy > Tablica 1 2. OPIS STANOWISKA I METODA POMIARU W ćwiczeniu badana jest konwekcja swobodna od oziomej rurki umieszczonej w sokojnym owietrzu. Schemat stanowiska rzedstawiono na rysunku 1.

4 Konwekcja swobodna od rury w owietrzu W 4 5 o C Rys. 1 Schemat stanowiska omiarowego 1 rura grzejna, 2 grzałka elektryczna, 3 - termoary, 4 rzełącznik termoar, 5 - wskaźnik temeratury, 6 watomierz, 7 autotransformator Wymiary rury: d = 13 mm, l = 830 mm Wewnątrz rurki 1 umieszczony jest grzejnik elektryczny 2 o regulowanej mocy. Miedziana ścianka rurki zaewnia dobre wyrównanie temeratury na całej owierzchni. Grzejnik umieszczony jest w środkowej części rurki tak, że jej końce nie są odgrzewane. Ponieważ czołowe owierzchnie rurki są bardzo małe w orównaniu z całą owierzchnią rurki (oniżej 0.5%), a ich temeratura jest niższa, można rzyjąć, że całe cieło wytwarzane rzez grzejnik rzekazywane jest do otaczającego owietrza rzez boczną owierzchnię rurki. Termoary 3 Ni-CrNi rzylutowane do owierzchni rurki ozwalają skontrolować równomierność rozkładu temeratury. Zimne końce termoar umieszczone są w temeraturze otoczenia, więc siła termoelektryczna jest roorcjonalna do różnicy temeratury między owierzchnią rurki i otoczeniem. Wskaźnik temeratury automatycznie rzelicza naięcie z termoar na różnicę temeratury, a onadto osiada wbudowany czujnik mierzący temeraturę otoczenia, więc wyświetlana jest wrost wartość temeratury w danym unkcie omiarowym. Przełącznik miejsc omiarowych 4 może racować w trybie automatycznym lub ręcznym. Temeraturę otoczenia należy odczytać na termometrze szklanym. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wsółczynnika wnikania cieła od rurki do owietrza dla różnych wartości temeratury owierzchni rurki i orównanie otrzymanych wartości z wartościami obliczonymi ze wzorów kryterialnych. Wsółczynnik wnikania cieła wyznacza się z równania definicyjnego: q& Q& α = =. (10) t t F s ( t t ) Przyjmuje się, że moc elektryczna obierana rzez grzałkę jest w całości zamieniana na cieło, a nastęnie oddawana do rurki, a óźniej do otoczenia. Całkowity strumień cieła Q & mierzony więc jest watomierzem. Średnia różnica temeratury ts-t wyznaczana jest ze wskazań termoar. Powierzchnią wnikania cieła jest boczna owierzchnia rurki (wymiary odane na rys.1): s

5 Konwekcja swobodna od rury w owietrzu 5 F = Π d l. (11) Obok konwekcji część strumienia cieła od ściany do otoczenia rzekazywana jest rzez romieniowanie. Wsółczynnik wnikania cieła obliczony z równania (10) to tzw. całkowity wsółczynnik wnikania cieła α c uwzględniający zarówno konwekcję (α k ), jak i romieniowanie (α r ): α = α + α. (12) c k r 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Stanowisko badawcze jest szczególnie wrażliwe na bodźce zewnętrzne. Należy więc zadbać o to, aby nie sowodować cyrkulacji owietrza w okolicy stanowiska. Ponieważ w czasie omiarów należy dorowadzić układ do stanu ustalonego owyższa uwaga jest bardzo istotna. Gwałtowne ruchy owietrza w obliżu układu omiarowego uniemożliwiają osiągnięcie stanu ustalonego rzedłużając czas ćwiczenia, a onadto zmieniają charakter zjawiska (konwekcja staje się częściowo wymuszoną). 1) Srawdzić, czy okrętło autotransformatora ustawione jest w ozycji 0, a nastęnie włączyć zasilanie stanowiska. 2) Ustawić zadaną rzez rowadzącego moc grzałki. 3) W odstęach czasu określonych rzez rowadzącego odczytywać i notować w karcie omiarowej wskazania termoar aż do osiągnięcia stanu ustalonego. Można uznać, że osiągnięto stan ustalony jeżeli w co najmniej trzech kolejnych odczytach wskazania oszczególnych termoar są identyczne lub różnią się o nie więcej niż 0.1ºC. 4) Odczytać z termometru naściennego i zanotować temeraturę otoczenia. 5) Czynności z kt 3 i 4 owtórzyć dla innego oziomu mocy. Uwaga: w celu zwiększenia dokładności omiaru należy skorzystać z odowiedniego zakresu omiarowego watomierza. 4. SPRAWOZDANIE Srawozdanie owinno zawierać: 1) krótkie wrowadzenie teoretyczne, zawierające charakterystykę wyznaczanej wielkości oraz ois metody omiaru, 2) cel ćwiczenia, 3) schemat stanowiska omiarowego, 4) zestawienie wzorów i zależności wykorzystywanych w obliczeniach, 5) zestawienie wyników omiarów (dl stanu ustalonego), 6) zestawienie wyników obliczeń (dla jednej serii należy zamieścić rzedstawić szczegółowy tok obliczeń z odstawieniami do wzorów) wsółczynnik wnikania cieła należy obliczyć dla każdej serii omiarowej na odstawie uzyskanych wyników oraz z wzorów kryterialnych, 7) wykres zależności konwekcyjnego wsółczynnika wnikania cieła (omiarowego i kryterialnego) od różnicy temeratury ścianki i owietrza, 8) uwagi końcowe i wnioski, w szczególności analizę rzyczyn ewentualnych błędów i różnic uzyskanych wartości wsółczynnika wnikania cieła.

6 Konwekcja swobodna od rury w owietrzu 6 LITERATURA [1] Kostowski E.: Przeływ cieła. Skryt Politechniki Śląskiej nr 1293, Gliwice [2] Wiśniewski S.: Wymiana cieła. PWN, Warszawa Instrukcja zaktualizowana