Mgr inż. A. Kłopocki Katedra Teorii Maszyn Cieplnych ANALIZA WYMIANY CIEPŁA DROGĄ SWOBODNEJ KONWEKCJI W UKŁADZIE RÓWNOLEGŁYCH PŁYT IZOTERMICZNYCH

Podobne dokumenty
Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Politechnika Gdańska

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

M10. Własności funkcji liniowej

Analiza wymiarowa jest działem matematyki stosowanej, którego zadaniem jest wyznaczenie, poprawnej pod względem wymiarowym, postaci wzorów fizycznych.

Rozwiązania zadań. Arkusz Maturalny z matematyki nr 1 POZIOM ROZSZERZONY. Aby istniały dwa różne pierwiastki równania kwadratowego wyróżnik

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Ćwiczenie nr 2 Wpływ budowy skraplacza na wymianę ciepła

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA I GIMNAZJUM Małgorzata Janik

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Rozdział 1. Prędkość i przyspieszenie... 5 Rozdział 2. Składanie ruchów Rozdział 3. Modelowanie zjawisk fizycznych...43 Numeryczne całkowanie,

VII. WYKRESY Wprowadzenie

FUNKCJA LINIOWA. A) B) C) D) Wskaż, dla którego funkcja liniowa określona wzorem jest stała. A) B) C) D)

Próbny egzamin z matematyki dla uczniów klas II LO i III Technikum. w roku szkolnym 2012/2013

Geometria analityczna

Definicje i przykłady

wrzenie - np.: kotły parowe, wytwornice pary, chłodziarki parowe, chłodzenie (np. reaktory jądrowe, silniki rakietowe, magnesy nadprzewodzące)

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Mechanika i Budowa Maszyn

Spis treści. PRZEDMOWA.. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ.. 13

Zadania rachunkowe z termokinetyki w programie Maxima

Zagadnienia do małej matury z matematyki klasa II Poziom podstawowy i rozszerzony

ZADANIA MATURALNE - ANALIZA MATEMATYCZNA - POZIOM ROZSZERZONY Opracowała - mgr Danuta Brzezińska. 2 3x. 2. Sformułuj odpowiedź.

Pole temperatury - niestacjonarne (temperatura zależy od położenia elementu ciała oraz czasu) (1.1) (1.2a)

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Szczegółowe wymagania edukacyjne na poszczególne oceny dla klasy I gimnazjum

Wymagania edukacyjne z matematyki klasa IV technikum

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

I. Liczby i działania

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

MATeMAtyka 3. Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych. Zakres podstawowy i rozszerzony. Zakres podstawowy i rozszerzony

ANALIZA WYMIANY CIEPŁA OŻEBROWANEJ PŁYTY GRZEWCZEJ Z OTOCZENIEM

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

Zadania do samodzielnego rozwiązania zestaw 11

9 Funkcje Użyteczności

1. Podstawowe pojęcia w wymianie ciepła

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła dla przegrody płaskiej

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Wykład 16. P 2 (x 2, y 2 ) P 1 (x 1, y 1 ) OX. Odległość tych punktów wyraża się wzorem: P 1 P 2 = (x 1 x 2 ) 2 + (y 1 y 2 ) 2

Program zajęć pozalekcyjnych z matematyki poziom rozszerzony- realizowanych w ramach projektu Przez naukę i praktykę na Politechnikę

Instrukcja stanowiskowa

ciąg podciśnienie wywołane róŝnicą ciśnień hydrostatycznych zamkniętego słupa gazu oraz otaczającego powietrza atmosferycznego

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE DRUGIEJ GIMNAZJUM w roku szkolnym 2015/2016

Mechanika teoretyczna

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

WYMAGANIA Z WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE DLA KLASY CZWARTEJ H. zakres rozszerzony. Wiadomości i umiejętności

Kształcenie w zakresie podstawowym. Klasa 2

Dwie proste mogą być względem siebie prostopadłe, równoległe albo przecinać się pod kątem innym niż prosty..

Zajęcia nr 1 (1h) Dwumian Newtona. Indukcja. Zajęcia nr 2 i 3 (4h) Trygonometria

Zadania 1. Czas pracy przypadający na jednostkę wyrobu (w godz.) M 1. Wyroby

FUNKCJE ELEMENTARNE I ICH WŁASNOŚCI

WSTĘP DO ANALIZY I ALGEBRY, MAT1460

1) 2) 3) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23) 24) 25)

Semestr zimowy Brak Tak

Pole temperatury - niestacjonarne (temperatura zależy od położenia elementu ciała oraz czasu)

Pole temperatury - niestacjonarne (temperatura zależy od położenia elementu ciała oraz czasu)

Propozycje rozwiązań zadań otwartych z próbnej matury rozszerzonej przygotowanej przez OPERON.

KRYTERIA OCEN Z MATEMATYKI DLA KLASY VII

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Teoria cieplna procesów odlewniczych

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

10 zadań związanych z granicą i pochodną funkcji.

Wymagania edukacyjne z matematyki

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

Wymagania edukacyjne z matematyki

Rachunek całkowy - całka oznaczona

Przepływy laminarne - zadania

Pochodną funkcji w punkcie (ozn. ) nazywamy granicę ilorazu różnicowego:

Całkowanie numeryczne

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

Geometria analityczna - przykłady

Wymagania eduka cyjne z matematyki

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

W. Guzicki Zadanie IV z Informatora Maturalnego poziom rozszerzony 1

Geometria powłoki, wg publikacji dr inż. Wiesław Baran

Technikum Nr 2 im. gen. Mieczysława Smorawińskiego w Zespole Szkół Ekonomicznych w Kaliszu

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY I GIMNAZJUM

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Funkcje elementarne. Ksenia Hladysz Własności 2. 3 Zadania 5

Wymagania edukacyjne z matematyki dla zasadniczej szkoły zawodowej na poszczególne oceny

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

SPIS TREŚCI WSTĘP LICZBY RZECZYWISTE 2. WYRAŻENIA ALGEBRAICZNE 3. RÓWNANIA I NIERÓWNOŚCI

Plan wykładu. Wykład 3. Rzutowanie prostokątne, widoki, przekroje, kłady. Rzutowanie prostokątne - geneza. Rzutowanie prostokątne - geneza

SZKOŁA PODSTAWOWA NR 1 IM. ŚW. JANA KANTEGO W ŻOŁYNI. Wymagania na poszczególne oceny klasa VII Matematyka z kluczem

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Transkrypt:

- 12 - Mgr inż. A. Kłopocki Katedra Teorii Maszyn Cieplnych ANALIZA WYMIANY CIEPŁA DROGĄ SWOBODNEJ KONWEKCJI W UKŁADZIE RÓWNOLEGŁYCH PŁYT IZOTERMICZNYCH Wstęp Wymiana ciepła drogą swobodnej konwekcji w układzie równoległych płyt izotermicznych była przedmiotem prac wielu badaczy. Dobrze znane są prace eksperymentalne Elenbaasa, Siegela i Norrisa Starnera i Mc.Manusa oraz rozważania teoretyczne Bodoia i Osterle a. Bodoia i Osterle'a rozwiązali metodą nume-' ryczną układ równań "konwekcji nieściśliwej", uzyskując między innymi krzywą zmienności. Nu = f (Gr Pr) dla układu równo-

- 13 - ległych płyt izotermicznych, dającą bardzo dobrą zgodność z wynikami badań Eleńbaasa. Niniejsza praca stawia sobie za cel poszukiwanie takiego układu równoległych płyt izotermicznych, który w zajmowanej przez siebie objętości, określonej wymiarami gabarytowymi u- kładu B.L. 1 (rys. 1) rozpraszałby największą ilość ciepła przy danych wartościach: temperatury płyt T, temperatury czynnika odbierającego ciepło T q oraz wysokości'płyty L. Innymi słowy, zagadnienie sprowadza się do określenia optymalnego odstępu między płytami S w zależności od wartości wyrażenia A = T - T_ J_ -T- t lub też e. J Q ^ określenia ilości płyt równoległych o wysokości L i pomijalnie małej grubości S rozmieszczonych wzdłuż wymiaru B w równych odstępach S. Bys 7/ wyrażeniu A użyto następujących oznaczeń: 8 - temperatura bezwzględna.czynnika odbierającego ciepło, \) - współczynnik lepkości kinematycznej czynnika. Dodatkowo zakłada się, że wszystkie wielkości wpływające na charakter zależności Nu=f(GrPr) nie wykazują zmian w kierunku osi Z. Należy podkreślić, że tale postawione zagadnienie odnosi się wyłącznie do układu wielu płyt równoległych, natomiast zupełnie traci sens w odniesieniu do jednego tylko kanału utworzonego przez dwie płyty równoległe.

- 14 - Oczywiście rozwiązanie postawionego zagadnienia możliwe jest jedynie w przypadku posiadania zależności Nu=f(GrEr). W tej pracy posłużono się krzywą uzyskaną przez Bodoia i 0- sterle'a (rys. 2). Przedstawienie analityczne zagadnienia Ilość ciepła przejmowana z powierzchni układu płyt wyznaczana jest zazwyczaj z równania Newtona ft = oc F p (T - T q ), (1) gdzie:oc - średni współczynnik przejmowania ciepła, Fp - całkowita powierzchnia wymiany ciepła, T - temperatura płyt, T Q - temperatura czynnika odbierającego ciepło przed jego wejściem do kanał-u. Równanie (1) można przedstawić w "innej formie ' = «(2) Dalsze rozważania przeprowadzane są w oparciu o żądanie Wyrażenie (3a) jest równoważne Q = max. (3a) T - T o ocf p = max (3"b) Czynniki występujące po lewej stronie równania (3t>) można przedstawić jeszcze w innej formie oc= Nu j, (4) gdzie Nu - liczba Nusselta, A - współczynnik przewodności cieplnej czynnika odbierającego ciepło, s - odstęp między płytami.

- 15 - Według wzoru przytoczonego w pracy Bodoia i Osterle'a Nu = E'(Gr)Gr Pr (5) tutaj C <? Pr = liczba Prandtla, A Cp - ciepło właściwe czynnika, ę - gęstość. Elenbaas wprowadził w odniesieniu do wymiany ciepła w kanałach utworzonych z płyt równoległych następującą definicję liczby Grashofa. T - T 4 (6) g - przyśpieszenie ziemskie. Powierzchnię wymiany ciepła występującą w wyrażeniu (Jb) można wyrazić przez wymiary płyt F p = 2 L1 b. (7) Przyjęto w kierunku osi z wymiar jednostkowy. Wstawiając do lewej strony równości (3b) wartości z równań (4), (5) i (7) otrzymuje się 5c F = Nu F = 'H' (Gr) Gr Pr 2 L1 = = 2 L B A "Er H' (Gr) Gr. s (s) Obecnie można przeprowadzić maksymalizowanie wyrażenia (8) względem szerokości kanału s [21EAEp H' (Gr) Gr = = 2 1BAEt [h'(gr) Gr \j = 0. (9a) Oczywiście również _d ds H'(Gr) Gr = 0, (9*>)

- 16 - czyli dhjigrj Gp ^ + H. (Gr) ^ Ą. _ 2 H' (Gr) Gr J_ = o (10) s s s Przeprowadzając proste przekształcenia algebraiczne i u- względniając, że = 4 TT otrzymuje się następujące równanie różniczkowe d Gr +4-H'(Gr) = 0. (11) Rozdzielając zmienne H' (Gr) ^ Gr Scałkowanie równania (12) prowadzi do zależności H'(Gr)=-5 T, (13) Gr 2 gdzie C - stała dowolna wynikła z całkowania. Podstawiając uzyskane wyrażenie (13) do równości (5) otrzymuje się zależność Nu = f(grpr), przy której wartość iloczynu F nie zależy w ogóle od odstępu S Jr lub C'= C Pr^2 Nu = G r Pr = 0 Gr 1/2 Pr, (14a) Gr Nu = O'(Gr Pr) 1 / 2, (14b) - nowa stała dowolna. Równanie (14-b) wykreślone we współrzędnych Nu, Gr Pr logarytmicznych przedstawia linię prostą. Zależność rzeczywista Nu = f (Gr Pr) dla płyt równoległych otrzymana na podstawie rozważań teoretycznych Bodoia i Osterle'a we współrzędnych logarytmicznych Nu, Gr Pr jest zobrazowana przez krzywą ciągłą, dla której tangens nachylenia stycznej zmienia się w zależności od wartości liczby Gr Pr w zakresie

- 17 - od 1 do - (dla małych liczb Gr Pr - Nu = y Gr Pr, natomiast dla wielkich -ir>vi wartości nidti-hft.ćiołr-r. Gr Pr Pr. Nu Tin = - f(pr) WPtO '[Gr fc-n Pr] Pt>? 1 ).«1 Wobec tego z ciągłej zmiany nachylenia stycznej do linii Nu = f(gr Pr) w zakresie 1 - ję można wnioskować, że równość (14-b) przedstawia styczną do linii Nu = f(gr Pr) w punkcie o- kreślonym przez pewne szczególne wartości liczb Nu* oraz Gr*Pr (rys. 2). Pr =07 y) M «*y $ i Y Bys. 2 * Po lewej stronie punktu Nu, Gr Pr styczna ma wykładnik potęgi przy liczbie Gr większy niż 1/2, natomiast po prawej stronie punktu Nu, Gr* Pr wykładnik potęgi przy liczbie Gr jest mniejszy niż 1/2, Wstawiając wartość H'(Gr) z równania (13) do równania (8) otrzymać można 5cE = 2LBAPrCGr,1/2 1,2 ' (15) Gr = g 1 T ~ T o s 4 Z analizy wyrażenia (15) wynika, że przy ustalonych wielkościach T q, T, i L iloczyn 6c F dla wartości liczb Gr leżą-

- 18 - cych po lewej stronie Gr* rośnie ze wzrostem s, zaś dla liczb Gr leżących po prawej stronie Gr* iloczyn ^^ maleje ze wzrostem s, zatem osiąga on swoje maksimum dla wartości liczby Gr = Gr*. Wartości liczb Gr, Nu* oraz stałej dowolnej C' zależą od wielkości liczby Er. Linia określająca zmienność Hu = f(gr Er) wyznaczona była drogą obliczeń numerycznych i kształt funkcji Nu = f(gr Er) w całym obszarze zmienności liczby Gr jest nieznany, zatem bezpośrednie wyznaczenie punktu styczności stycznej (w układzie logarytmicznym) wynikającej z równości (14b) do linii Nu" = = f(gr Er) było niemożliwe.» * > Dlatego do określenia wartości Nu, Gr Er oraz c posłużono się metodą graficzną. Dla często spotykanej, ze względu na zastosowanie" w technice, liczby Tr = 0,7 wartości poszukiwanych liczb są następujące: GrB? = 70; Gr*= g = = 100; Nu* = 1,55; c' = CPr 1/2 s 0,185 (Gr*Er) ' V70 Stąd szerokość kanału S przy ustalonych T Q,TiL z uwzględnieniem podstawienia wynosi A (.6, s ~ = V l r (17) oraz współczynnik przejmowania ciepła 5c'= 1,55. (18) Z równań (17) i (16) wynika, że wartość S* rośnie ze wzrostem G3 0 i L przy ustalonej temperaturze T oraz maleje ze wzrostem T przy ustalonych wielkościach T Q i L. Współczynnik przejmowania ciepła oć* przy określonej wartości S* rośnie ze wzrostem temperatury T, ponieważ wzrasta wówczas A.

- 19 - Z analizy równości (16), (17) i (18) wypływa jeszcze jeden wniosek mianowicie: jeżeli ustalona jest powierzchnia rozwinięcia, określona przez iloczyn wymiarów "bazy wymiennika BL,to korzystniej jest rozwijać powierzchnię wymiany ciepła przez powiększanie wymiaru B i zmniejszanie jednoczesne wysokości L, ponieważ przy danych T Q i T uzyskuje się w ten sposób wzrost współczynnika przejmowania ciepła a*. Zakończenie Wymienniki ciepła z płaskimi żebrami umieszczonymi na pionowo usytuowanej bazie były przedmiotem badań eksperymentalnych Starnera i Mc.Manusa, podobne badania przeprowadzono również na terenie Katedry Teorii Maszyn Cieplnych. Uzyskane wyniki wykazują dobrą zgodność z krzywą Nu = f (GrPr) otrzymaną przez Bodoia i Osterle'a. Ta zgodność jest tym lepsza, im żebra posiadają wyższą sprawność oraz w przypadku, gdy powierzchnia bazy wymiennika nie stanowi więcej niż 8% całkowitej powierzchni wymiany ciepła. Przytoczone zatem rozważania teoretyczne mogą znaleźć praktyczne zastosowanie przy projektowaniu wymienników ciepła posiadających żebra płaskie o wysokiej sprawności. Bibliografia 1. Bodoia J.R., Osterle J.F.: The Development of Free Convection Between Heated Vertical Plates. ASME 1961. 2. Starner K.E., Mc Manus H.N. Jr.: An Experimental Investigation of Free-Convection Heat Transfer from Rectangular - Pin Arrays. Journal of Heat Transfer 1963/273. Wyk. ZG PW, Z.268, n. 100+20.