WNIKANIE CIEPŁA W WARSTWIE FLUIDALNEJ

1. Wprowadzenie:

Proces fluidyzacji polega na zawieszeniu drobnoziarnistego ładunku sypkiego w strumieniu gazu płynącym od dołu do góry. Stosując odpowiednie wymiary cząstek ciała stałego oraz odpowiednia prędkość gazu można uzyskać duże stężenie ciała stałego i intensywną cyrkulację jego cząstek. Gaz dopływa przez porowate dno do kolumny, w której znajduje się warstwa drobnoziarnistego ładunku o wysokości H0. Przy odpowiedniej prędkości gazu warstwa ładunku początkowo nieruchoma wzniesie się do pewnego poziomu H, przy którym można stwierdzić intensywny ruch cząstek ciała stałego.

2. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie zależności współczynnika wnikania ciepła w warstwie fluidalnej αf od liniowej prędkości powietrza, liczonej na pusty przekrój rury αf = f(w) dla stałej intensywności ogrzewania.

3. Aparatura:

1- wentylator	2- przepustnica	3- zwężka pomiarowa	4- mikromanometr	5-komora pomiarowa
6-warstwa fluidalna	7-grzejnik elektryczny	8- autotransformator	9 manometr typu U-rurka

4. Metodyka pomiarów:

Uruchomienie aparatury winno się odbywać w następujący sposób:

a) ustawić przepustnicę dławiącą przepływ powietrza w położeniu całkowicie zamkniętym,

b) włączyć silnik wentylatora,

c) otwierać powoli przepustnicę dławiącą, aż w komorze pomiarowej wytworzy się warstwa fluidalna. Natężenie przepływu powietrza określa się za pomocą zwężki.

d) włączyć autotransformator i pokrętłem nastawić odpowiednie napięcie prądu w grzejniku,

e) włączyć rejestrator temperatury,

f) po ustaleniu się warunków hydrodynamiczno-cieplnych w aparaturze rozpocząć wykonywanie pomiarów.

5. Oznaczenia:

∆p- spadek ciśnienia [Pa]
U- napięcie [V]
I- natężenie prądu grzejnika [A]
T_ś.g.- temperatura ścianki grzejnika [۫C]
T_p.k.- temperatura przestrzeni w komorze [۫C]
Q- Strumień cieplny
α- współczynnik przepływu zwężki, α = 0,62
A- powierzchnia ściany grzejnej
V- objętościowe natężenie przepływu
w_r- prędkość lokalna [m/s]
A_r- przekrój rury
δ_p- gęstość powietrza, δ_p=1,2 [kg/m³]
g- przyciąganie ziemskie, g = 9,81 [m/s²]
∆h- przeliczone wskazanie mikromanometru

α_f- współczynnika wnikania ciepła w warstwie fluidalnej

δ_CH3OH- gęstość metanolu, δ_CH3OH= 790 [kg/m³]

∆T- temperatura pomiędzy powierzchnią grzejną i warstwą fluidalną

6. Wyniki pomiarów:

Pomiar	∆h [mm CH3OH]	U [V]	I [A]	T ś. g. [۫C]	T p. k. [۫C]
I	3,7	210	0,65	160	29
II	6,4	210	0,65	152	28,9
III	7,1	210	0,65	150	28,9
IV	9,2	210	0,65	140	28,8
V	10,8	210	0,65	130	26,7

6.1 Wartości konieczne do obliczeń:

π ≈3,14 α = 0,62

g = 9,81 [m/s^2] D= 0,145 [m]

d= 0,024 [m] L= 0,1215 [m]

δp= 1,2 [kg/m3] δCH3OH= 790 [kg/m^3]

7. Obliczenia:

a) obliczenie Δp- spadku ciśnienia [Pa] według wzoru:

Δp =Δh*δ_CH3OH*g
[m * kg/m³ * m/s² = kg / m*s² => (m*kg / m²*s²)= N/m² = Pa]

b) obliczenie w_r- prędkości lokalnych [m/s] według wzoru:

w_r= α *[(2*Δp)/δ_p]^1/2
[{Pa / (kg/m³)}^1/2 = {(kg / m*s²) * (m³ / kg)}^1/2=(m²/s²)^1/2= m/s]

c) obliczenie A_r- przekroju rury [m²], dla D= 0,145 m i π ≈ 3,14 według wzoru:

A_r= π*(D/2)²

d) obliczenie V- objętościowego natężenia przepływu [m³/s] według wzoru:

V= w_r* A_r
[m/s * m²= m³/s]

e) obliczenie ∆T- temperatury pomiędzy powierzchnią grzejną i warstwą fluidalną [K] według wzoru: ∆T= T_ś.g.- T_p.k.
[K= ۫C+273,15]

f) obliczenie A- powierzchni ściany grzejnej [m²], dla π ≈ 3,14, d=0,024 m i L= 0,1215 m, według wzoru:
A = 2*π*(d/2)*L + π*(d/2)²
[2*(m/2)* m + m² = m²]

g) obliczenie Q- strumienia cieplnego [J] według wzoru:

Q= U*I
[V*A= (m²*kg)/(s²*A) * A= (m²*kg)/s²= N*m= J]

h) obliczenie α_f- współczynnika wnikania ciepła w warstwie fluidalnej [kg/(s²*K)] według wzoru:
α_f= Q/(A*∆T) ← Q= α_f*A*∆T
[J/(m²*K)= {(m²*kg)/s²}/(m²*K)= kg/(s²*K)]

8. Stabelaryzowane pomiary i obliczenia:

Pomiar	∆h [m CH3OH]	Δp [Pa]	wr [m/s]	Ar [m^2]	V [m^3/s]	U [V]	I [A]	T ś. g. [K]	T p. k. [K]	∆T [K]	A [m^2]	Q [J]	αf [kg/(s^2*K)]
I	0,0037	28,67463	14,8152255	0,0165046	0,24451974	210	0,65	433,15	302,15	131	0,009608	136,5	108,445187
II	0,0064	49,59936	25,626336	0,0165046	0,42295307	210	0,65	425,15	302,05	123,1	0,009608	136,5	115,404707
III	0,0071	55,02429	28,4292165	0,0165046	0,46921356	210	0,65	423,15	302,05	121,1	0,009608	136,5	117,310648
IV	0,0092	71,29908	36,837858	0,0165046	0,60799503	210	0,65	413,15	301,95	111,2	0,009608	136,5	127,754671
V	0,0108	83,69892	43,244442	0,0165046	0,7137333	210	0,65	403,15	299,85	103,3	0,009608	136,5	137,524874

9. Wykres:




10. Wnioski:

Im większe natężenie przepływu powietrza (w_r) tym mniejsza jest różnica temperatur między ścianką grzejną i gazem w komorze (∆T), a większy współczynnik wnikania ciepła warstwy fluidalnej (α_f). Czyli warstwa fluidalna ułatwia wymianę ciepła.

1

---