Ćwiczenie numer 1 Pomiar współczynnika przewodzenia ciepła w płynach 1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna WL 373 Heat Conduction in Gases and Liquids umożliwia analizę procesu przewodzenia ciepła w płynach. Pozwala w sposób doświadczalny wyznaczyć wartość współczynnika przewodzenia ciepła analizowanych gazów i płynów. Głównym elementem stanowiska pomiarowego jest wymiennik ciepła zbudowany z dwóch koncentrycznych cylindrów. W przestrzeń pomiędzy cylindrami (do tzw. szczeliny pomiarowej) wprowadzany jest badany czynnik. Mierząc różnicę temperatur pomiędzy powierzchniami jednego i drugiego cylindra, znając szerokość szczeliny pomiarowej oraz wiedząc że została ona tak dobrana, aby wyeliminować powstawanie prądów konwekcyjnych; możemy wyznaczyć wartość współczynnika λ posługując się równaniem Fouriera. 2. Cel ćwiczenia Przeprowadzenie ćwiczenia ma następujące cele: Analizę eksperymentalną zjawiska przewodzenia ciepła w płynach; Określenie współczynnika przewodzenia ciepła badanego płynu; Zbadanie wpływu takich parametrów jak: różnica temperatury pomiędzy elementami grzanym i chłodzonym oraz przepływ czynnika chłodzącego przez płaszcz układu na proces przewodzenia ciepła w płynach. 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony wstęp literaturowy nie wyczerpuje tematu związanego z kondensacją. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej. Badany płyn wypełnia całkowicie cylindryczną szczelinę pomiarową. Szczelina pomiarowa jest na tyle mała, aby zapobiec wystąpieniu konwekcji w badanym medium. Dzięki temu wymiana ciepła przez szczelinę odbywa się praktycznie tylko na drodze przewodzenia. Ponieważ szerokość szczeliny jest stała, przewodzenie ciepła możemy opisać tak, jak dla przegrody płaskiej (Rysunek 1) strumień ciepła wymienianego między grzejnikiem a wodą chłodzącą, dany jest prawem Fouriera: 1
Rysunek 1. Przewodzenie ciepła przez przegrodę płaską gdzie: - współczynnik przewodzenia ciepła, A powierzchnia przegrody, A T Q T gradient temperatury w przegrodzie, - grubość przegrody. Współczynnik przewodzenia może być interpretowany jako: strumień ciepła w W, przewodzony przez przegrodę o powierzchni 1m 2 i grubości 1m, przy różnicy temperatur na powierzchniach przegrody wynoszącej 1K. 4. Opis układu eksperymentalnego Stanowisko pomiarowe (Rysunek 2) składa się z: jednostki pomiarowo-sterującej (4) oraz płyty montażowej (2) na której umieszczono: wymiennik ciepła (1) wraz z zaworami odcinającymi (3). 2
Rysunek.2. Budowa stanowiska pomiarowego Rysunek 3. Budowa wymiennika ciepła 4.1. Wymiennik ciepła Wymiennik ciepła (Rysunek 3) zbudowany jest z dwóch koncentrycznych cylindrów. Wewnętrzny cylinder, zawiera grzałkę (1), która pełni rolę źródła ciepła. Zewnętrzny natomiast, omywany jest przez wodę chłodzącą (2). Taka konstrukcja sprawia że przepływ ciepła odbywa się z wewnątrz do zewnątrz. Przestrzeń pomiędzy dwoma cylindrami szczelinę pomiarową (3) wypełnia badane medium gaz lub ciecz. Co ważne, szczelina ma stałą szerokość. Woda chłodząca oraz badany płyn, doprowadzane i odprowadzane są poprzez złącza. Pomiar temperatury źródła ciepła oraz temperatury wody chłodzącej realizowany jest przy użyciu termopar umieszczonych w cylindrze. Pomiar temperatury wody odbywa się bezpośrednio przy ścianie szczeliny pomiarowej. Na rysunku ukazano termoparę (4) mierzącą temperaturę źródła ciepła. 3
4.2. Jednostka pomiarowo-sterująca Na panelu przednim (rys.4) znajdują się: (1) wskaźnik temperatury grzałki, (2) wskaźnik temperatury wody chłodzącej, (3) wskaźnik mocy pobieranej przez grzałkę, (4) regulator mocy grzałki, (5) wyłącznik zasilania. Rysunek 4. Jednostka pomiarowo-sterująca Moc grzałki można regulować w zakresie od 0 do 150 W. Aby zapobiec uszkodzeniu grzałki, urządzenie automatycznie się wyłącza, po przekroczeniu przez wodę temperatury 95 o C. Na ścianie tylnej umieszczono podłączenia kabli pomiarowych, oraz wyłącznik główny. 4.3. Układ połączeń Układ połączeń przedstawiono na Rysunku 5. Rysunek 5. Układ połączeń 4
Składają się na niego: 1) Złączki A i B służące do wtłaczania badanego płynu do szczeliny pomiarowej, 2) Złączki C i D, służące do podłączenia obieg wody chłodzącej (C wejście wody na wymiennik, D wyjście wody z wymiennika), 3) Przewód E, podłączany do gniazda thermocouple/heater, 4) Przewód F, podłączany do gniazda test unit, 5) Przewód G, podłączany do gniazda thermocouple/cooler, Połączenia wymiennika ze złączkami wykonano przezroczystymi przewodami, tak aby móc obserwować stopień zapowietrzenia układu 5. Kalibracja wymiennika. W celu określenia strat ciepła w układzie, konieczne jest jego skalibrowanie. Medium badanym używanym podczas kalibracji jest powietrze z uwagi na dobrze poznane wartości współczynnika przewodzenia λ (wartości dla różnych temperatur zestawiono w tabeli na końcu instrukcji str.10). 5.1. Przygotowanie układu pomiarowego. 1) Oczyścić szczelinę pomiarową, usuwając z niej resztki pozostałych substancji. W tym celu należy rozkręcić wymiennik (rys.6): odkręcając śrubę (5), ściągając wieko (6) wraz z pierścieniem uszczelniającym, wyjąć wewnętrzny cylinder z wbudowaną grzałką (7). 2) Podłączyć wymiennik do jednostki pomiarowo-sterującej jeśli nie jest podłączony. 3) Otworzyć zawory odcinające (1) i (2). 4) Podłączyć obieg wody chłodzącej. Ustawić wartość wydatku V na poziomie 1l/min na zaworze odcinającym (3). Wartość wydatku, można ustalić posługując się stoperem i naczyniem o znanej objętości. Rysunek 6. Demontaż wymiennika 5
5.2. Wykonanie pomiarów. 1) Uruchomić jednostkę sterującą, włączyć grzałkę i nastawić moc grzałki P na 10W. 2) Odczekać aż temperatury się ustalą. 3) Odczytać i zanotować: temperaturę grzałki T 1, temperaturę wody chłodzącej T 2, aktualne wskazanie mocy pobieranej przez grzałkę P 4) Czynności z ppkt. 1) 2) 3) powtórzyć dla nastaw mocy P równych: 20W, 40W, 60W, 80W, 100W Rysunek 7. Zawory odcinające 5.3. Wyznaczenie krzywej kalibracyjnej. Rozpatrując szczelinę, jako przegrodę płaską, możemy zastosować równanie Fouriera do wyznaczenia ilości traconego ciepła i wykreślić krzywą kalibracyjną. Przy średniej średnicy cylindrycznej szczeliny, równej d m = 39,6mm i długości l = 126mm, powierzchnia wymiany ciepła wynosi A = 0,0157m 2. Współczynnik przewodzenia ciepła λ dla powietrza, zależny jest od temperatury i może być opisany równaniem: gdzie: T średnia temperatura w o C: λ = 0,0242 (1 + 0,003 T) [ W m K ] 6
T = T 1 + T 2 [K] 2 T 1 temperatura grzałki, T 2 temperatura cieczy chłodzącej, Faktyczną wartość przepływu ciepła z grzałki do wody chłodzącej określa równanie: gdzie: ΔT = T 1 T 2 [K], - szerokość szczeliny, Q A = λ A ΔT [W] δ = 0,4mm. Straty ciepła można wyliczyć następująco: Q B = P Q A [W] 6. Wyznaczanie współczynnika przewodzenia ciepła. Przebieg czynności jest podobny jak w rozdziale 4, z tą tylko różnicą, że jako badane medium, użyta będzie woda destylowana. 6.1. Przygotowanie układu pomiarowego. 1) Jest niezwykle ważne aby szczelina pomiarowa, została dokładnie oczyszczona przed rozpoczęciem pomiarów. Nawet niewielka ilość zanieczyszczeń, może w znaczący sposób wpłynąć na wyniki pomiarów. Oczyścić szczelinę zgodnie z instrukcją z podrozdz. 4.1 jeśli nie była oczyszczona podczas kalibracji urządzenia. 2) Podłączyć wymiennik do jednostki pomiarowo-sterującej. 3) Podłączyć obieg wody chłodzącej i ustawić wartość wydatku V na poziomie 1l/min na zaworze odcinającym (3). Wartość wydatku, można ustalić posługując się stoperem i naczyniem o znanej objętości. 4) Otworzyć zawory odcinające (1) i (2). 5) Wprowadzać badany czynnik przez złącze A, dopóty dopóki, wydostając się przez złącze B, pozbawiony będzie pęcherzyków powietrza (możemy to z łatwością zaobserwować przewody łączące zawory z wymiennikiem są przezroczyste). Jest to znak, że szczelina pomiarowa została całkowicie odpowietrzona. 6) Zamknąć zawory odcinające (1) i (2). 7) Unieść wymiennik i wykonać nim parę obrotów w celu usunięcia z wymiennika potencjalnych pęcherzyków powietrza. Uwaga: czasami może być konieczne ponowne otwarcie zaworów (1) i (2) i dalsze wtłaczanie badanego medium w celu całkowitego usunięcia pęcherzy. 6.2. Wykonanie pomiarów. 1) Nastawić moc grzałki P na 10W. 2) Odczekać aż temperatury się ustalą. 7
3) Odczytać i zanotować: temperaturę grzałki T 1, temperaturę wody chłodzącej T 2, aktualne wskazanie mocy pobieranej przez grzałkę P 4) Czynności z ppkt. 1) 2) 3) powtórzyć dla różnych nastaw mocy P równych: 20W, 40W, 60W, 80W, 100W 6.3. Opracowanie wyników. Przekształcając równanie Fouriera, otrzymujemy zależność na współczynnik przewodzenia: λ = Q A δ A ΔT [ W m K ] Strumień ciepła Q A wymienionego między grzałką i wodą chłodzącą, obliczymy znając wartość strumienia strat Q B odczytaną z krzywej kalibracyjnej: 7. Sprawozdanie Q A = P Q B [W] Sprawozdanie należy przygotować według wzorca znajdującego się na stronie katedry. 8. Literatura Staniszewski B., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 1979 Wiśniewski S., Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000 Holman J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, Inc., New York, 1997 Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook, Phogiston Press, Cambridge, 2002 Bejan A., Kraus A.D., Heat transfer handbook, Wiley, Hoboken, 2003 8
9. Załączniki Arkusz roboczy do wydrukowania przed zajęciami: Podpis prowadzącego: 9