LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia PC-13 BADANIE DZIAŁANIA EKRANÓW CIEPLNYCH
1. WPROWADZENIE TEORETYCZNE Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie ideę działania ekranu cieplnego. Ekran cieplny umieszczony pomiędzy powierzchniami wymieniającymi ciepło na drodze promieniowania powoduje zmniejszenie strumienia ciepła, jeżeli temperatura powierzchni emitującej jest utrzymywana na stałym poziomie lub spowoduje podwyższenie temperatury powierzchni emitującej jeżeli strumień ciepła będzie utrzymywany jako stały. Ekrany cieplne znalazły zastosowanie jako elementy izolacyjne, szczególnie w zakresie wysokich temperatur, zmniejszające strumień ciepła wymieniany na drodze radiacyjnej. Jednym z zastosowań ekranu cieplnego jest wykorzystanie jego działania do ochrony spoiny pomiarowej termoelementu inżekcyjnego (tzw. aspiracyjnego). Termoelementy te służą do pomiaru temperatury gazów mających inną temperaturę niż otaczające ściany komory (np. pomiar temperatury spalin we wnętrzu pieców grzejnych). W tym przypadku ekran (jeden lub dwa) jest wykonany w postaci rurki ceramicznej. Jego celem jest ochrona końcówki pomiarowej termoelementu przed nagrzewaniem (lub ochładzaniem) jej drogą promieniowania przez otaczające ściany. Nagrzewanie końcówki termoelementu następuje natomiast na drodze konwekcji od spalin omywających końcówkę termoelementu w wyniku zasysania ich do wnętrza rurki. Innym przykładem jest zastosowanie cienkich ekranów (folii) metalowych (wykonywanych nawet ze złota) wkładanych pomiędzy warstwy izolacji cieplnej pracującej w zakresie wysokich temperatur. Przykładowo, izolacje takie są stosowane w konstrukcji wysokotemperaturowych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe to jedna z perspektywicznych technologii produkcji energii elektrycznej, polegająca na bezpośredniej transformacji energii chemicznej paliwa (np. wodoru) w energię elektryczną. W stanie ustalonym następuje równość radiacyjnych strumieni ciepła wymienianych pomiędzy powierzchnią 1 i ekranem oraz pomiędzy ekranem i powierzchnią 2, rys. 1. Można zatem zapisać następującą zależność wyrażającą powyższe stwierdzenie: & & (1) Q r, 1 e = Qr, e 2 Po rozwinięciu, warunek (1) można przedstawić za pomocą poniższej zależności [1, 2]: T 1 Te Te T2 A1 Cc ε 1 e = A e Cc ε e 2 (2) 100 100 100 100 gdzie: A - pole powierzchni zewnętrznej elementu wskazanego przez indeks, m 2, C c =5,67 W/(m 2 K ) - stała promieniowania ciała doskonale czarnego, T - temperatury poszczególnych elementów, K, ε 1 e, ε e 2 - stosunki wymiany energii promienistej pomiędzy powierzchnią 1 i ekranem oraz ekranem i powierzchnią 2. W przypadku gdy wszystkie wymienione powierzchnie mają kształt cylindrów, stosunek wymiany energii promienistej wyznacza się za pomocą wzoru Christiansena [1, 2]. Dla powierzchni 1 oraz ekranu e wzór ten ma postać: 1 ε 1 e = 1 A1 1 + 1 (3) ε 1 A e ε e Wzór na obliczanie ε e 2 otrzymuje się z (3) po odpowiednim przestawieniu indeksów. Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008 2
2 e 1 e 2. Q. r, 1-e Q r, e-2 Rys. 1. Schematyczne przedstawienie działania ekranu cieplnego; 1-powierzchnia elementu grzejnego, e- powierzchnia ekranu, 2 ścianka zewnętrzna 2. CEL ĆWICZENIA I ZASADA POMIARU Celem ćwiczenia jest: a) Zapoznanie się z zasadą działania ekranu cieplnego, b) Pomiarowe i obliczeniowe sprawdzenie efektu izolacyjnego działania ekranu. Zasada pomiaru sprowadza się do pomiaru temperatur elementu grzejnego (powierzchni emitującej promieniowanie), ekranu i ścianki zewnętrznej po osiągnięciu stanu ustalonego. Pomiar ten należy przeprowadzić dwukrotnie. Jeden raz przy obecności ekranu cieplnego i drugi raz bez ekranu, zachowując cały czas stałą moc grzałki elektrycznej. Następnie, w oparciu o równanie (2), należy wyznaczyć teoretyczną temperaturę ekranu i porównać ją z wartością zmierzoną. Po usunięciu ekranu wymiana ciepła będzie zachodzić bezpośrednio pomiędzy powierzchniami 1 i 2, rys. 1. Przy zachowaniu stałego strumienia ciepła oddawanego przez powierzchnię 1 spowoduje to obniżenie temperatury elementu grzejnego. W oparciu o równania (1, 2), dla obu badanych przypadków, obliczyć wymieniane strumienie ciepła i porównać z wartościami zmierzonymi. 3. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO 3.1. Opis stanowiska Stanowisko składa się z dwóch zasadniczych części: modułu roboczego i modułu zasilająco-pomiarowego. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. Element grzejny ma kształt pionowego walca 1. Wewnątrz tego elementu umieszczona jest elektryczna grzałka 5. Walec 1 wykonany jest z metalu dobrze przewodzącego ciepło co ma zapewnić wyrównywanie się pola temperatury w całej jego objętości. Temperatura elementu grzejnego 1 mierzona jest za pomocą termoelementu 7. Element grzejny 1 otoczony jest cylindryczną ścianką zewnętrzną 3 z nawiniętą na nią wężownicą wykonaną z miedzianej rurki. Ścianka ta jest chłodzona wskutek przepływu wody przez wężownicę. Pomiędzy element 1 i ściankę 3 włożony jest cylindryczny ekran cieplny 2. Temperatura ekranu 2 oraz ścianki zewnętrznej 3 mierzona jest za pomocą termoelementów 8 i 9. Stanowisko zasilane jest prądem stałym, o regulowanym napięciu, przez moduł zasilająco- pomiarowy 11. Moc grzałki nastawiana jest poprzez dobór wysokości napięcia zasilającego na zasilaczu 16. Pomiar temperatury przeprowadzany jest poprzez zestaw mierników 12, 13. Dodatkowo, miernik 1 wskazuje temperaturę przyjętą na danym stanowisku jako temperatura alarmowa. Przekroczenie zadanego progu wartości temperatury Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008 3
alarmowej spowoduje okresowe wyłączenie zasilania grzałki stanowiska. Dzięki sprzężeniu modułu zasilająco-pomiarowego z komputerem istnieje możliwość śledzenia mierzonych wartości w postaci graficznej na monitorze i ich rejestracji na komputerze 21. 6 3 8 5 9 2 1 6 10 10 13 12 7 15... 18 20 21 19 17 16 1 22 23 2 11 PC Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego 1-element grzejny, 2-cylindryczny ekran cieplny, 3-ścianka zewnętrzna, -rurka wężownicy z wodą, 5-elektryczna grzałka patronowa, 6-doprowadzenie i odprowadzenie wody chłodzącej, 7,8,9-termoelementy do pomiaru temperatury elementu grzejnego, ekranu i ścianki zewnętrznej, 10-izolacja cieplna, 11-moduł zasilająco-pomiarowy, 12-przełącznik miejsc pomiarowych, 13-miernik temperatury, 1-miernik temperatury alarmowej, 15-gniazda termoelementów, 16-zasilacz stałoprądowy, 17-wyłącznik zasilacza, 18-gniazdo wyjściowe zasilania, 19-wyłącznik główny, 20-gniazdo wyjściowe RS-232 do komunikacji z komputerem, 21-komputer, 22,23-bezpiecznik wejściowy i wyjściowy, 2-lampki sygnalizacyjne 3.2. Opis działania stanowiska W czasie prowadzenia pomiaru element 1 nagrzewany jest z zadaną mocą. Zadawanie mocy grzałki polega na nastawieniu pożądanego napięcia zasilania grzałki 5. Wartość napięcia nastawia się pokrętłem zasilacza 16. Przyjmuje się, że przepływ ciepła zachodzi głównie na drodze promieniowania od elementu 1 do ekranu 2, a następnie do chłodzonej wodą ścianki zewnętrznej 3. Po odpowiednio długim czasie działania stanowiska następuje osiągnięcie stanu ustalonego i spełniony zostaje warunek wyrażony równaniem (2). Zewnętrznym objawem tego stanu jest ustabilizowanie się wartości temperatur. Dla tego stanu należy odczytać wartości temperatur i mocy grzałki. Pomiar taki należy powtórzyć po usunięciu ekranu 2. W tym przypadku, po wyciągnięciu ekranu, należy zamknąć górny wylot kolumny pomiarowej za pomocą odpowiedniej zatyczki. Odczyt wartości mierzonych należy przeprowadzić po osiągnięciu stanu ustalonego. Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
3.3. Uwagi dotyczące bezpiecznej eksploatacji stanowiska a) Maksymalna temperatura elementu grzejnego 00 o C. b) Przy załączaniu stanowiska najpierw włączyć moduł zasilająco-pomiarowy włącznikiem 19 a następnie włączyć zasilacz 16 włącznikiem 17. c) Przy wyłączaniu stanowiska należy najpierw odłączyć zasilanie grzałki, wyłączyć zasilacz 16, a następnie po odczekaniu aż nastąpi schłodzenie zasilacza i wentylator przestanie pracować, wyłączyć zasilanie modułu 11 wyłącznikiem 19. d) W razie przekroczenia dopuszczalnej wartości temperatury alarmowej nastąpi okresowe wyłączenie zasilania grzałki. W takim przypadku należy nieco zmniejszyć moc grzałki (przez obniżenie napięcia zasilającego) i odczekać do ponownego automatycznego załączenia grzałki po obniżeniu się jej temperatury. e) W początkowym okresie nagrzewania stanowiska przez chwilę można nie uruchamiać przepływu wody chłodzącej. Spowoduje to szybsze nagrzanie się elementu grzejnego 1, rys. 2. Nie dopuszczać do nagrzania się ekranu cieplnego powyżej temperatury 250 o C. 3.. Dane techniczne stanowiska a) Średnica walcowego elementu grzejnego 1 ( rys. 2) 30mm, b) Średnica ekranu 2, 50 mm, c) Średnica cylindrycznej ścianki zewnętrznej 3, 70 mm, d) Czynna długość wymienionych wyżej elementów 180 mm, e) Rezystancja linii zasilającej stanowisko 0,07 Ώ, f) Emisyjność powierzchni 1 przyjmować 0,8, emisyjność powierzchni ekranu i ścianki zewnętrznej 0,96.. PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE a) Na początku uczestnicy ćwiczenia zapoznają się z budową, działaniem i sterowaniem pracą stanowiska. b) Włączyć włącznikiem głównym zasilanie stanowiska. Włączyć zasilacz 16 i nastawić zadaną wartość napięcia zasilania. Załączyć zasilanie grzałki 5 i uruchomić przepływ wody chłodzącej. c) Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego zapisując okresowo lub obserwując wartości poszczególnych temperatur na monitorze komputera. d) Obserwacja wielkości zmian poszczególnych temperatur pozwoli określić moment osiągnięcia stanu ustalonego. e) Zapisać końcowe wartości wielkości mierzonych. f) Zamienić ekran i przeprowadzić powtórnie opisany powyżej pomiar. Wielkościami mierzonymi są następujące parametry: a) Temperatura elementu grzejnego, b) Temperatura ekranu (pomiar w dwóch punktach) c) Temperatura ścianki zewnętrznej (pomiar w dwóch punktach), d) Moc grzałki poprzez pomiar napięcia zasilania i natężenia prądu. Przy obliczaniu mocy grzałki należy uwzględnić spadek napięcia na rezystancji linii zasilającej grzałkę. Wartość tej rezystancji podano w danych technicznych stanowiska. Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008 5
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW I WYKONANIE SPRAWOZDANIA 5.1. Opracowanie wyników pomiarów W ramach opracowania wyników pomiarów należy: a) Obliczyć wartości temperatury ekranu i porównać z wynikami pomiarów. b) Obliczyć strumień wymienianego ciepła pomiędzy powierzchnią elementu 1 i ekranem 2 (oraz równocześnie ekranem i ścianką 3) dla obliczonej temperatury ekranu. c) Obliczyć strumień ciepła dla temperatury elementu 1 i ścianki 3 dla przypadku pomiaru bez ekranu cieplnego. d) Obliczone strumienie ciepła porównać z wartością nastawionej mocy grzałki. e) Jeżeli pomiar przeprowadzono stosując więcej ekranów (o zróżnicowanej emisyjności powierzchni), przeprowadzić powtórnie wymienione obliczenia. f) Wskazać potencjalne przyczyny ewentualnych niezgodności pomiędzy wartościami obliczonymi i zmierzonymi (temperatury ekranu i wymienianych strumieni ciepła). 5.2. Sporządzenie sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: a) Krótkie wprowadzenie teoretyczne, b) Krótki opis stanowiska pomiarowego, c) Opis pomiarów, d) Wyniki pomiarów, e) Obliczenia teoretyczne i porównanie wyników obliczeń z wynikami pomiarów, f) Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe. LITERATURA CYTOWANA I UZUPEŁNIAJĄCA [1] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, kilka wydań. [2] Kostowski E (red), Praca zbiorowa: Zbiór zadań z przepływu ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, kilka wydań. Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008 6