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

Transkrypt

1 INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIEII ŚODOWISKA I ENEGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTUKCJA LABOATOYJNA Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA WNIKANIA CIEPŁA PZY KONWEKCJI SWOBODNEJ W WODZIE

2 Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła przy konwekcji swobodnej w wodzie 2 1. PODSTAWY TEOETYCZNE Wnikanie ciepła polega na przepływie ciepła od ciała stałego do płynu lub odwrotnie. W ogólnym przypadku składa się ono z przewodzenia w warstwie przyściennej i konwekcji w nieskończonej warstwie płynu. Przypadek przepływu ciepła ujęty w temacie ćwiczenia dodatkowo komplikuje wrzenie cieczy na powierzchni ciała stałego. Przepływ ciepła przy wrzeniu jest procesem złożonym gdyż łączy on zjawisko konwekcji z procesami zachodzącymi w trakcie zmiany azy ciekłej w gazową. Na charakter zjawiska mają tu wpływ: różnica temperatury pomiędzy ścianką a płynem, strumień dostarczanego ciepła, sposób jego doprowadzania oraz inne czynniki. ysunek l przedstawia przykładowy rozkład temperatury wrzącej cieczy. Jak widać największa zmiana temperatury występuje w pobliżu powierzchni grzejnej. Pewien stosunkowo niewielki skok temperatury stwierdza się na granicy rozdziału az para-ciecz, jest on związany z napięciem powierzchniowym cieczy. Przy określaniu współczynnika α eekt ten pomija się i przyjmujemy: q& = α(tw-t s ) = α t ; gdzie t w jest temperaturą ścianki a t s temperaturą nasycenia pary zależną od ciśnienia. ys 1. ozkład temperatury we wrzącej cieczy W przypadku dostarczania ciepła przez powierzchnię ciała stałego zanurzonego w cieczy przy niezbyt dużym jednostkowym strumieniu ciepła, przepływ ciepła odbywa się na drodze konwekcji swobodnej. Temperatura zasadniczej masy cieczy jest przy tym niższa od temperatury nasycenia t s. ysunek 2 przedstawia kolejne etapy procesu wrzenia w zależności od różnicy temperatury t. Odcinek I obejmuje parowanie powierzchniowe. W obszarze tym ciepło jest w cieczy przenoszone przez konwekcję do powierzchni rozdziału az i tam powoduje odparowanie cieczy. Współczynnik α jest tu wyznaczany wg wzorów obowiązujących dla konwekcji swobodnej. Dla wody pod ciśnieniem atmoserycznym są one słuszne do wartości t = 3 do 5 K, górnej granicy odpowiada w przybliżeniu wartość q& = 10 4 W/(m 2 K). W miarę wzrostu różnicy temperatury t rośnie także strumień przepływającego ciepła. W obszarze II na powierzchni grzejnej powstają pęcherzyki pary, które następnie odrywają się i wędrują ku zwierciadłu cieczy. Proces ten nosi nazwę wrzenia pęcherzykowego. Podobszar IIa obejmuje początek wrzenia pęcherzykowego i charakteryzuje się tym, że pęcherzyki po oderwaniu wędrują w głąb cieczy i kondensują się w niej ponownie. Obliczeniowo obszar IIa traktujemy tak samo jak obszar I. Dla wody pod ciśnieniem atmoserycznym jest on zawarty w przybliżeniu w zakresie t = 7 do 8 K. ozwinięte wrzenie pęcherzykowe zachodzi w obszarze IIb, gdzie strumień ciepła i intensywność

3 Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła przy konwekcji swobodnej w wodzie 3 wrzenia są na tyle duże, że pęcherzyki pary wędrują przez ciecz do przestrzeni parowej, a na ich miejsce dopływają ciągle nowe porcje cieczy. Wartości współczynnika wnikania ciepła a osiągają w tym obszarze największe wartości i jest on najbardziej interesujący w zastosowaniach technicznych.. q α (log) I - odparowanie powierzchniowe konwekcja swobodna w cieczy II - wrzenie pęcherzykowe III - wrzenie błonowe a b a b c pęcherzyki kondensują w głębi cieczy pęcherzyki w całej objętości cieczy kryzys wrzenia pęcherzyki i niestabilna błona stabilne wrzenie błonowe promieniowanie od ścianki do cieczy przez błonę pary krzywa wrzenia ys. 2 Zależność q& log t i α od t dla wody wrzącej pod ciśnieniem atmoserycznym W obszarze III, obejmującym tzw. wrzenie błonowe pęcherzyki pary zaczynają się ze sobą łączyć już na powierzchni grzejnej izolując ją w ten sposób od cieczy. Jako że para (gaz) posiada mniejszy współczynnik przewodzenia ciepła od cieczy oraz w przypadku wnikania ciepła do gazu zmniejsza się współczynnik α, w obszarze tym następuje pogorszenie przepływu ciepła pomiędzy ścianką a wrzącą cieczą i następuje gwałtowny wzrost temperatury ścianki. Wzrost strumienia ciepła w obszarze IIIc spowodowany jest aktem, że znaczna jego część przy wysokiej temperaturze ścianki przekazywana jest przez warstwę pary do cieczy na drodze promieniowania. W zakres naszego ćwiczenia wchodzić będzie badanie zjawisk występujących w obszarze I i IIa. 1a. Wzory do obliczeń Zjawisko parowania powierzchniowego w literaturze [2] opisywane jest jak normalne wnikanie ciepła (bez zmiany azy). Ogólną zależność dla konwekcji swobodnej można przedstawić w postaci: Nu ( Gr Pr) n = C (1) gdzie: indeks oznacza, że własności płynu określamy dla średniej temperatury warstwy przyściennej [2], 3 gl0 β t Gr - liczba Grashoa Gr = 2 ν P - liczba Prandtla Pr ν = a β - współczynnik rozszerzalności termicznej cieczy, l/k

4 Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła przy konwekcji swobodnej w wodzie 4 t - różnica temperatury pomiędzy ścianką i cieczą, K ν - współczynnik lepkości kinematycznej, m 2 /s 2 a - współczynnik wyrównania temperatury, m 2 /s l 0 - charakterystyczny wymiar liniowy (dla walców poziomych - średnica), m g - przyspieszenie ziemskie, m/s 2 α l Nu - liczba Nusselta Nu 0 = (2) λ Wielkości ν, β, a, Pr są wielkościami tablicowymi dla danego rodzaju cieczy w zależności od temperatury. Wartości liczb C i n we wzorze (1) można przyjmować następująco: GrPr C n do , do 500 1,18 1/8 500 do ,54 1/ do ,135 1/3 2. CEL I ZAKES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie charakteru zjawisk występujących przy wrzeniu na powierzchni ciała stałego w dużej objętości cieczy. Warunki doświadczenia pozwalają prześledzić konwekcję swobodną oraz wrzenie powierzchniowe na powierzchni drutu zanurzonego w wodzie. Po przeprowadzeniu doświadczenia uzyskane z pomiarów wyniki należy porównać z wartościami wynikającymi z opisu teoretycznego zjawiska. Należy wyciągnąć wnioski dotyczące wpływu różnych parametrów na przebieg procesu. Chodzi tu głównie o temperaturę wody, ciśnienie, natężenie przepływu prądu, temperaturę pręta. 3. OPIS I SCHEMAT STANOWISKA W ćwiczeniu badane jest wrzenie wody na powierzchni cienkiego drutu zanurzonego w dużej objętości wody. Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 3. Strumień ciepła przekazywany od drutu do cieczy generowany jest wskutek przepływu prądu elektrycznego. Z ilości wytwarzanego ciepła wynika bezpośrednio wartość temperatury na powierzchni pręta. Natężenie przepływu prądu oraz spadek napięcia na drucie są mierzone. Natężenie prądu może być płynnie regulowane, co umożliwia wyznaczenie współczynnika wnikania ciepła dla różnych gęstości strumieni ciepła wymienianego przez powierzchnię drutu. Temperatura wody w zbiorniku jest utrzymywana na stałym poziomie przez termostat i mierzona termometrem. Uwzględniając, że strumień ciepła Q & równy jest mocy elektrycznej traconej na drucie zgodnie z zależnością: Q& = U I wartość współczynnika wnikania ciepła α od powierzchni drutu do wody może być wyznaczona ze wzoru: gdzie: F d = Π d l powierzchnia boczna drutu, t d, t w temperatura drutu i wody. Q& α =, (3) F d ( t t ) d w

5 Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła przy konwekcji swobodnej w wodzie 5 A V ys. 3 Schemat układu pomiarowego do badania konwekcji swobodnej przy powierzchniowym wrzeniu wody 1 drut grzejny, 2 zbiornik z zabarwioną wodą, 3 elektrody prądowe, 4 elektrody napięciowe, 5 termometr, 6 woltomierz, 7 amperomierz, 8 autotransormator Temperatura drutu wyznaczona jest z wartości jego oporu w następujący sposób: Opór elektryczny metali zależy od temperatury t d w pewnym zakresie liniowo co można zapisać: ( + b ) = 0 1 t d, (4) gdzie 0 jest oporem w temperaturze 0 C. Chwilową rzeczywistą wartość oporu wyznacza się z prawa Ohma wg zależności = U / I. Doświadczenie zaczyna się przy temperaturze początkowej wody t wp wody bliskiej temperaturze otoczenia t ot. Początkowy opór drutu wynosi wtedy: ( + b ) = 0 1. (5) p t wp Dzieląc stronami wzory (4) i (5) otrzymujemy: p 1+ b t = 1 + b t d wp. (6) Po przekształceniach dochodzimy do wzoru na temperaturę drutu t d w dowolnej chwili zjawiska: a 1 t d =, (7) b gdzie przez a oznaczono stałą wynikającą z wartości początkowych: + b twp a = 1. (8) W ćwiczeniu stosuje się drut niklowy, dla którego wyznaczono stałą b (temperaturowy współczynnik oporu omowego) b = /K. p

6 Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła przy konwekcji swobodnej w wodzie 6 Średnica drutu: d = 0.35 mm Długość drutu: l = 0.24 m 4. POGAM ĆWICZENIA Wykonanie ćwiczenia można rozpocząć, gdy temperatura wody jest ustabilizowana. Należy wykonać następujące pomiary: 1) Pomiar początkowego oporu drutu p w temperaturze równej temperaturze wody. Pomiar ten wykonujemy przepuszczając bardzo mały prąd przez drut i mierząc spadek napięcia (I ~ 0,2 A; przy bardzo małym strumieniu ciepła można przyjąć, że temperatura drutu jest równa temperaturze wody). 2) Po uzgodnieniu z prowadzącym ćwiczenie nastawić pierwszą wartość prądu regulatorem. 3) Obserwować ruchy konwekcyjne wody i powstawanie pęcherzyków pary. 4) Odczytać wartości: natężenia prądu I, spadku napięcia U oraz temperatury wody t w. 5) Czynności 3 i 4 powtórzyć dla kilkunastu zadanych wartości natężenia prądu. Po każdej zmianie odczekać chwilę do uzyskania stanu ustalonego. 6) Tabelka pomiarowa powinna zawierać: Lp. Natężenie prądu I A Spadek napięcia U V Temperatura wody t w C Opór drutu =U/I Ω 0 Ip~0,2 U p = t wp = P = 1 2 Strumień ciepła Q & W Uwagi dotyczące pomiaru 5. SPAWOZDANIE POWINNO ZAWIEAĆ: Schemat stanowiska Tabelę z wynikami pomiarów Zestaw przykładowych obliczeń dla dowolnego punktu pomiaru Tabelę z obliczonymi z pomiarów wartościami temperatury drutu t d, współczynnika wnikania ciepła α pom Obliczone z wzorów kryterialnych wartości współczynnika wnikania ciepła α obl Wykres zależności α pom i α obl od różnicy temperatury t d - t w Uwagi dotyczące przebiegu pomiarów oraz dokładności wyników Wnioski LITEATUA [1] STANISZEWSKI B.: Wymiana ciepła. PWN [2] Praca zbiorowa pod redakcją E. KOSTOWSKIEGO: Zbiór zadań z przepływu ciepła. Skrypt Politechniki Śląskiej nr 1996, Gliwice 1996 [3] KOSTOWSKI E.: Przepływ ciepła. Skrypt Politechniki Śląskiej nr 1562, Gliwice 1991 Instrukcja zaktualizowana