Laboratorium Termokinetyki. Wyznaczanie współczynników przejmowania ciepła z powierzchni płaskiej w położeniu poziomym jak i pionowym

Transkrypt

1 Laboratorium Termokinetyki Wyznaczanie współczynników przejmowania ciepła z powierzchni płaskiej w położeniu poziomym jak i pionowym 1 Wstęp Ćwiczenie służy zapoznaniu z mechanizmem przekazywania ciepła z powierzchni płaskiej o wyższej temperaturze powierzchni od otoczenia. Znajomość tego parametru ma ważne znaczenie w takich dziedzinach inżynierskich jak ogrzewanie budynków, co wiąże się z przekazywaniem ciepła z ogrzewaczy do wnętrza pomieszczenia oraz wiedzą o ilości ciepła traconej z powierzchni przegród budowlanych. Problem dotyczy również maksymalnej mocy jaka może się wydzielić w układzie elektronicznym. Z pewnością umiejętność wyznaczania jego dokładnej wartości ma ogromne znaczenie w różnych dziedzinach techniki, warto więc znać zasady jego wyznaczania. Podstawowe równanie opisujące oparte o teorii przekazywania ciepła wynika z podstawowych praw termokinetyki. (1). Prawo to przypisywane jest tradycyjnie Newtonowi, który jednak z jego zapisem nigdy nie miał nic wspólnego. Uważał jednak, że ilość ciepła przenikająca z (1) P=α F t ogrzewacza t otoczenia dowolnego obiektu jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur między otoczeniem a temperaturą powierzchni oddającej ciepło, co jest prawdą. Moc tracona do otoczenia zależy wprost proporcjonalnie od powierzchni ciała, różnicy temperatur oraz współczynnika proporcjonalności określanego jako współczynnik przejmowania ciepła, którego jednostką jest W/m 2 K. Wartość tego współczynnika wyznacza się na drodze eksperymentalnej i korzystając z twierdzeń teorii podobieństwa, wyniki pomiarów ekstrapoluje się na inne zbliżone do badanego przypadki.. 2 Budowa elementu grzejnego W ćwiczeniu badaniu poddany zostanie płaski element grzejny, którego konstrukcja umożliwia położenie jego w pozycji zarówno poziomej jak i pionowej, umożliwiając pomiary temperatur w kilku punktach na jego powierzchni grzejnej. Charakterystyczną jego cechą jest asymetria ilości ciepła przepływającego z jego powierzchni w kolorze czarnym i bliskim bieli. Koloru czarnego jest powierzchnią mającą w zamyśle konstruktorów przekazywać główną część powstającego w opornikach grzejnych ciepła do pomieszczenia, w którym jest używany. Część tylna (jasna) jest izolowana cieplnie i jako, że po powieszeniu grzejnika na ścianie, jest skierowana w jej kierunku, ograniczony jest odpływ ciepła w tym kierunku. Element grzejny uzyskuje się przez przyszycie do przeciwległych boków tkaniny, elektrody w postaci pasków miedzianych. Elektrody przyszyte są nićmi z tworzywa o dopuszczalnej temperaturze pracy przekraczającej maksymalną temperaturę roboczą elementu grzejnego. Do elektrod przylutowane są przewody doprowadzające napięcie. Rezystor grzejny z elektrodami umieszczony jest (asymetrycznie) między dwiema foliami elektroizolacyjnymi, tworząc element grzejny, który umieszczony jest między dwiema sztywnymi płytami wykonanymi z tworzywa odpornego na maksymalną temperaturę pracy rezystora grzejnego. Umieszczeniu asymetryczne elementu grzejnego między płytami i folią aluminiową powoduje zróżnicowanie opory cieplnego w kierunku przestrzeni ogrzewanej i ściany. Dodatkowo 1

2 w kierunku ściany znajduje się szczelina powietrzna. Ogranicza się w ten sposób ilość ciepła odpływającego od urządzenia do ściany. Powierzchnię elementu stanowią płyty laminatowe o kolorze czarnym, imitującym drewno oraz jasne, umieszczone w ramie z kształtowników aluminiowych. 3 Badanie mechanizmów przekazywania ciepła z powierzchni ogrzewacza 3.1 Określenie przepływu ciepła od ogrzewacza do otoczenia W ćwiczeniu pomijamy wymianę ciepła z krawędzi elementu grzejnego. Grubość elementu grzejnego jest niewielka w porównaniu z wymiarami elementu grzejnego. Stąd zakłada się, że odpływ ciepła z bocznych krawędzi jest znacznie mniejszy i możliwy do pominięcia. Ciepło do otoczenia przekazywane jest na drodze radiacji oraz konwekcji z dwóch powierzchni o wymiarach takich jak element grzejny badany w ćwiczeniu. A zatem mówimy o czterech strumieniach cieplnych odpływających do otoczenia (2), co przedstawiono schematycznie na rysunku 4. (2) P=P 1r P 1k P 2r P 2k (3) P 1k =α 1k F t 1p t f (4) P 1r =ε F σ o T 4 T 1p f 4 Składowe P 1k i P 1r są strumieniami cieplnymi konwekcyjnymi i radiacyjnymi odpływającymi z powierzchni 1 (pokryty laminatem w kolorze czarnym przód płyty) w kierunku ogrzewanym, P 2k i P 2r to strumienie konwekcyjny i radiacyjny odprowadzany przez powierzchnię 2 izolowany cieplnie tył płyty. Wzory definiujące kolejne wartości strumieni cieplnych dla powierzchni ogrzewającej (1) dane są przez wzory 3 i 4, wzory dla powierzchni oznaczonej indeksem 2 są analogiczne, różnią się (5) Gr= σ 3 β m g t 1p t f ν m 2 (6) Nu m =C Gr m Pr m n (7) Nu m = α σ λ m wartościami indeksów i wartościami parametrów: emisyjności, współczynnika przejmowania ciepła. Parametr σ o (wzór 4) to stała Stefana i wynosi 5, W/m 2 K 4. Temperatury we wzorze 4, zapisane dużymi literami T powinny być podane w Kelvinach. Sposób obliczania współczynnika przejmowania ciepła α 1k opiera się na teorii podobieństwa. Wymagane jest wyznaczenie wartości liczby Gr (5) i Pr (odczytanego z tabeli 2 zamieszczonej w instrukcji ) dla obliczenia liczby Nu (6). Wielkości występujące we wzorze 5 to: g przyspieszenie ziemskie, β m - współczynnik rozszerzalności objętościowej powietrza β m = 1 t m 273, σ - wymiar charakterystyczny równy przy ustawieniu pionowym płyty jej wysokość, a poziomym jej mniejszemu wymiarowi; ν m to lepkość kinematyczna powietrza odczytana z tabeli 2. Parametry fizyczne z indeksem m, podawane 2

3 są dla średniej temperatury t m = 0,5 (t 1p + t f ). Wartości parametrów C i n zależą od wyniku iloczynu, możliwe wartości zebrano w tabeli 1. Tabela 1 Wartości stałych C i n dla obliczeń liczby Nu. Gr m Pr m C n ,18 1/ ,54 1/ ,135 1/3 Wzór 6 pozwala obliczyć liczbę Nu. Równanie 7 służy do wyznaczenia wartości współczynnika przejmowania ciepła α 1k oraz α 2k, co pozwala wyznaczyć strumienie cieplne konwekcyjne. Dla obliczenia strumieni radiacyjnych potrzebna jest emisyjność ε która zostanie podana w trakcie przeprowadzania ćwiczenia. W sytuacji, gdy płyta jest ustawiona prostopadle do ściany, należy skorzystać z wzoru 8. Występują w nim ε 1 - emisyjność powierzchni elementu grzejnego i (8) 1 ε 1-2 = ε 1 ε 2 ε 2 - emisyjność powierzchni ściany przy której prostopadle ustawiono element grzejny. Wartości strumieni cieplnych należy zamieścić w tabeli w sprawozdaniu. Należy obliczyć wartość całkowitej mocy (wzór 2) i porównać z mocą dostarczaną w danej chwili do elementu grzejnego. Tabela 2 Właściwości cieplne powietrza suchego przy ciśnieniu 1, Pa t λ 10 2 ν 10 6 Pr C W/mK m 2 /s - 0 2,44 13,28 0, ,51 14,15 0, ,59 15,06 0, ,67 16,00 0, ,76 16,96 0, ,83 17,95 0, ,90 18,97 0, ,97 20,02 0,694 3

4 3.2 Pomiar ciepła akumulacyjnego ogrzewacza i jego mocy średniej w stanie cieplnie ustalonym Ciepło akumulacyjne, gromadzone w masie ogrzewacza powierzchniowego, jest energią oddawaną do otoczenia po skończonej pracy ogrzewacza. W wielu przypadkach traktuje się tą energię jako stratę. W przypadku ogrzewaczy bezpośrednich ilość energii akumulowanej w Rysunek 1 Wykres przedstawia zmianę mocy w czasie dostarczaną do elementu grzejnego urządzeniu decyduje o jego przydatności. W ćwiczeniu ciepło akumulacyjne wyznacza się w układzie pokazanym na rysunku 3. Ogrzewacz zasilany jest z autotransformatora. Energią doprowadzaną do układu steruje regulator temperatury poprzez element wykonawczy w postaci triaka lub przekaźnika. Temperatury obydwu powierzchni elementu grzejnego oraz temperatury w pobliżu powierzchni (otoczenia) rejestrowane są przez układ zbierający dane i przesyłane do komputera PC, umożliwiając dalszą ich analizę. Układ rejestruje też cykl włączeń i wyłączeń prądu pobieranego przez rezystor grzejny. Średnią moc grzejna P z w początkowym okresie (do pierwszego wyłączenia) można odczytać na watomierzu, jest to pełna moc dostarczana do układu. Następnie zmiana mocy grzejnej następuje wraz z cyklem włączeń i wyłączeń elementu wykonawczego. Jest to zasada pracy regulatora dwustawnego i zasada sterowania mocą na której oparta jest metoda PWM (Pulse-Width Modulation). Na rysunku 1 przedstawiono przebieg mocy grzejnej w czasu nagrzewania w układzie (9) P zi =P i laboratoryjnym. Moc dostarczona do elementu grzejnego można obliczyć z wzoru 2, gdzie τ zi to czas i-tego załączenia, a τ wi to czas i-tego wyłączenia mocy grzejnej. Dla wyznaczenia energii zakumulowanej w obiekcie w trakcie trwania ćwiczenia, należy wykreślić dwie charakterystyki. W ćwiczeniu wyznacza się charakterystykę mocy ogrzewacza P z =f(τ) oraz mocy oddawanej do otoczenia P s =f(τ) w położeniu pionowym lub poziomym. Zgodnie z rysunkiem 2 wartość ciepła akumulacyjnego Q a ogrzewacza to różnica między polem pod krzywą mocy dostarczanej i mocy straconej do otoczenia. Dla wyznaczenia mocy strat w i-tej chwili czasu P si należy skorzystać z jednego ze sposobów wyznaczenia mocy strat w dowolnej chwili czasu: τ zi τ zi +τ wi 4

5 Zakłada się wprost proporcjonalność stosunku P si P o (mocy strat w chwili i do mocy strat w stanie ustalonym) do t si t o (temperatury powierzchni ogrzewacza w chwili i do temperatury ogrzewacza w stanie ustalonym). Wynika to z wzorów 10 i 11, podzielonych (10) P si =α i F t si t f (11) P o =α o F to t f (12) t si t o t si t f t o t f (13) P si = t si t o P o jeden przez drugi i z założenia niezmienności współczynnika przejmowania ciepła w całym zakresie temperatur. Jednocześnie zakłada się prawdziwość zależności 12. Oblicza się zmianę współczynnika przejmowania ciepła dla każdej z chwil czasowych (np.: piętnastu punktów czasowych). Moc strat jest wtedy dana wzorem 3. Przykładowy wykres przedstawiono na rysunku 2. Krzywa Pz przedstawia średnią moc dostarczaną do układu w funkcji czasu, moc strat przedstawia krzywa Ps. Pole między dwiema krzywymi to ciepło zakumulowane w elemencie grzejnym Qa. Ciepło to należy wyznaczyć Rysunek 2 Charakterystyka mocy ogrzewacza Pz oraz mocy strat Ps dokonując całkowania numerycznego. Metoda opiera się na przekształceniu zależności P do postaci P Δτ= P i τ i τ i 1 0,5 P i P i-1 τ i τ i 1. W ten sposób należy wyznaczyć pole i=1 pod krzywą P z =f(τ) czyli energię dostarczaną w czasie nagrzewania do układu, oraz pole pod krzywą P s =f(τ) czyli energię całkowitą strat. Różnica między tymi wielkościami jest szukaną wartością energii zakumulowanej w płycie. Sposób ten schematycznie przedstawiono na rysunku 3. Widać, że figury tworzone przez kolejne punkty czasu, ograniczone krzywymi to w przybliżeniu trapezy. 5

6 Rysunek 3: Całkowanie numeryczne krzywej 3.3 Pomiary kamerą termograficzną Obserwacja w czasie rzeczywistym pola temperatury umożliwia ocenę nie tylko ilościową rozkładu pola temperatury, ale także jakościową. Termografia pozwala ocenić równomierność rozkładu pola temperatury, co za pomocą czujników temperatury jest praktycznie niemożliwe. Dodatkowo pomiary tego typu nie wpływają na rozkład pola temperatury. Metoda stosowana jest z powodzeniem w dziedzinie termomodernizacji budynku, pozwalając zlokalizować mostki ciepła, dające największe straty ciepła z powierzchni budynku. Kamera użyta w ćwiczeniu pozwala obserwować rozkład temperatury ogrzewacza powierzchniowego w kolejnych chwilach czasu. Należy zapisywać pliki graficzne z rozkładami temperatury zarówno powierzchni 1 jak i 2. Notować maksymalne i minimalne wartości temperatur powierzchni płyty. Program obsługujący kamerę pozwala na zapis wyników pomiaru w formie tabel i dalszą prezentację wyników w formie wykresów pól temperatury w funkcji jednego z wymiarów płyty. Zwrócić uwagę na porównanie wskazań wartości temperatur wskazywanych przez czujniki temperatury oraz kamerę. 4 Układ pomiarowy Układ przedstawiony na rysunku 3 składa się z następujących elementów: G powierzchniowy element grzejny, T1, T2, T3, T4 czujniki temperatury T2 i T3 położone są na powierzchni elementu grzejnego, T1 i T4 mierzą temperatury otoczenia. Czujniki temperatury są półprzewodnikowymi układami LM35, przekształcającymi pomiar temperatury na napięcie stałe 1ºC odpowiada 10 mv, Rejestrator jest mikroprocesorowym układem wykonanym w Zakładzie Elektrotermii, pozwalającymi pomiary napięciowe przesyłać poprzez port szeregowy do komputera, w celu dalszej obróbki pomiarów. System pozwala na obserwację zmian temperatury w czasie rzeczywistym, RT regulator temperatury 6

7 Przekaźnik łącznik sterowany przez regulator temperatury (może być też triakiem) CP czujnik prądowy, sygnał napięciowy proporcjonalny do prądu mierzonego, przekazywany jest poprzez rejestrator i pozwala na obserwację w czasie rzeczywistym zmian mocy dostarczanej do elementu grzejnego At autotransformator W watomierz 5 Pomiary i tabele wyników Pomiary zapisywane są poprzez obwód rejestratora w pamięci komputera. Należy skopiować je na pamięć podręczną. Wyników nie należy dołączać do sprawozdania! (średnio około 7000 pomiarów). W protokole pomiarowym należy zapisać takie dane jak: rezystancje elementu grzejnego wymiary elementu grzejnego wartości dostarczanej mocy (dla różnych ustawień autotransformatora) emisyjność powierzchni 5.1 Pomiary płyty w pozycji pionowej W pierwszej części ćwiczenia należy obserwować nagrzewanie płyty kolejno do kilku temperatur np.: 20 C, 40 C, 50 C. Jednocześnie obserwować rozkład temperatury powierzchni P2r P1k T1 T2 P2k T3 T4 P1r W RT At CP przekaźnik 230V G Rejestrator Do portu szeregowego PC Rysunek 4 Układ pomiarowy wykorzystywany w ćwiczeniu 7

8 płyty grzejnej poprzez kamerę termograficzną. Następnie należy obserwować ochładzanie płyty do temperatury otoczenia. 5.2 Pomiary płyty w pozycji poziomej Płyta w czasie przeprowadzania pomiarów może być ustawiona kilka centymetrów nad powierzchnią stołu. Należy przeprowadzić analogiczne pomiary jak w punkcie 5.2, bez pomiarów termograficznych. 5.3 Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać następujące punkty: opis przeprowadzanych pomiarów obliczenia zgodnie z punktem 3.1 i 3.2 moment czasu [s] τ zi [s] τ wi [s] P zi P si E zi [J] Q a /E zi Należy zamieścić przykładowe obliczenia wyznaczanych wielkości, oraz przedstawić algorytm wyznaczania Q a. Należy też zamieścić wykresy opisane w punktach instrukcji. obliczenia zgodnie z punktem 3.3 obliczenia przeprowadzić dla stanu ustalonego oraz dla stanu nieustalonego moment czasu [s] t 1p [ C] t 2p [ C] P 1k P 2k P 1r P 2r P P zi należy przedstawić przykładowe obliczenia opisać wyniki z pomiarów kamerą termograficzną wnioski dotyczące przeprowadzonych badań 6 Bibliografia 1) Gogół W. Wymiana ciepła. Tablice i wykresy. WPW, Warszawa ) Hering M. Podstawy Elektrotermii. Cz. I. WNT, Warszawa ) Hering M. Termokinetyka dla elektryków. WNT, Warszawa ) Kotarba J. Energia elektryczna w ogrzewaniu pomieszczeń. WNT, Warszawa