31. Wyznaczanie współczynnika przejmowania ciepła metodą topnienia lodu
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenia współczynnika przejmowania ciepła dla lodu.
2. Opis stanowiska pomiarowego Powietrze, zasysane przez wentylator 1, przepływa przez zespół grzałek 2 do przepływowego kanału pomiarowego 7. Równomierność pola prędkości ciepłego powietrza zapewnia zamontowana w końcowej części dyfuzyjnej kanału, siatka wyrównująca 3.
1
2
N
3
5
6
T
7
8
9
10
Rys. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczenia współczynnika przejmowania ciepła dla lodu
1 – wentylator, 2 – grzałki elektryczne, 3 – siatka wyrównująca, 5 – czujnik oporowy Pt100, 6 – miernik oporowy, 7 – kanał przepływowy, 8 – płyta lodowa, 9 – odprowadzenie cieczy, 10 – waga wraz ze zbiornikiem
Pomiar temperatury wlotowej do kanału przepływowego można dokonać z pomocą czujnika Pt100 5 podłączonego do miernika oporowego 6. W kanale przepływowym 7
znajduje się opływana przez strumień gorącego powietrza płyta lodowa 8. W wyniku topnienia płyty lodowej ciecz, spływa do układu odprowadzającego 9. W celu pomiaru szybkości topnienia, woda bezpośrednio spływała do zbiornika umieszczonego na wadze 10.
1
3. Opis doświadczenia Płytę lodową o wymiarach (L×h×s) 250×120 ×14 mm (7) umieszczamy w kanale przepływowym (8). W czasie trwania laboratorium mierzymy temperaturę wlotową powietrza t1p do kanału przepływowego oraz temperaturę powietrza t2p w odległości 1 cm od końca płyty lodowej.
Co 1 minutę rejestrujemy przyrost masy filmu cieczy w naczyniu 10. Pomiar można zakończyć z chwilą gdy szybkość topnienia lodu osiągnie stan stacjonarny (około 45 min).
4.
Opracowanie
wyników
i
wyznaczenie
współczynnika
przejmowania ciepła
Do wyznaczenia współczynnika wnikania ciepła zostanie wykorzystany równanie bilansowe dla płyty lodowej.
Strumień ciepła od powietrza do lodu można obliczyć wykorzystując równanie Fouriera: Q = α A T
∆
(1)
log
gdzie:
α – współczynnik przejmowania ciepła; A – pole powierzchni wymiany ciepła opisane zależnością A = 2 L h
(2)
T
∆
- średnia logarytmiczna różnica temperatur log
( gT 1 − sT T T
top ) − (
g
2
− stop )
∆ T
(3)
log =
g
s
ln T 1 − Ttop
g
s
T 2 − Ttop
gdzie:
g
T -temperatura wlotowa powietrza do kanału pomiarowego; 1
g
T - temperatura powietrza w odległości 1 cm od dolnej krawędzi płytki 2
s
T - temperatura topnienia lodu wynosząca 273,14 K
top
Z drugiej strony strumień dopływającego ciepła do płytki można wyrazić zależnością: s
Q = m r
(4)
w
gdzie:
m - masa spływającej wody; w
s
r - ciepło topnienia wody wynoszące 334 kJ/kg.
Po porównaniu strumieni ciepła określonych równaniami 1 oraz 4 można wyliczyć współczynnik przejmowania ciepła: Q
α =
(5)
A T
∆ log
2