Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wartości współczynników wnikania ciepła dla konwekcji swobodnej w przestrzeni nieograniczonej i konwekcji wymuszonej. Określa się także wpływ promieniowania cieplnego na wartość współczynnika wnikania ciepła dla konwekcji swobodnej oraz porównuje wartości wyznaczonych doświadczalnie i obliczonych teoretycznie współczynników wnikania ciepła dla konwekcji wymuszonej.

Ruch ciepła może odbywać się na drodze przewodzenia, konwekcji, promieniowania. Ustalone przewodzenie ciepła odbywa się zgodnie z równaniem:

Wnikanie ciepła do powierzchni ścianki A określa wyrażenie:

Wnikanie ciepła podczas konwekcji wymuszonej zależy od tego czy jest to ruch laminarny czy burzliwy, określa się wtedy odpowiednie równania do wyznaczenia liczby Nusselta.

Promieniowanie polega natomiast na przekazywaniu energii w przestrzeni za pomocą fal elektromagnetycznych.

Krótka metodyka pomiaru:

W przypadku konwekcji wymuszonej po pojawieniu się pierwszych kropel kondensatu w latarkach kontrolnych uruchamiam wentylator i rozpoczynam pomiary. Mierze prędkość oraz temperaturę na wlocie i wylocie podczas procesu kondensacji wymuszonej. Stoperem mierze czas napełniania zbiorniczka kondensatem, objętość przestrzenie między kreskami zbiorniczka wynosi 40 cm³ . Każdy pomiar powtarzam trzy razy. Wykonuje trzy pomiary prędkości dla konwekcji wymuszonej.

Konwekcja wymuszona

Przykład obliczeń dla pomiaru pierwszego

- obliczam strumień ciepła:

V_k – objętość kondensatu w zbiorniczku pomiarowym [m³]

ρ_k - gęstość kondensatu [kg/m³]

τ - czas gromadzenia kondensatu równy wartości średniej z trzech

oznaczeń [s]

r – ciepło kondensacji pary wodnej pod ciśnieniem atmosferycznym [J/kg]

Obliczam ΔT_e:

Obliczam doświadczalny współczynnik wnikania ciepła, α₁:

Obliczam liczbę Reynoldsa:

Obliczam liczbę Prandtla:

Obliczam liczbę Nusselta:

Wykres zależności logNu=f(logRe)

Z równania linii trendu : y=0,8x-1,6855 wyznaczam współczynniki równania: Nu=K·Re^B·Pr^C·Kg^D przy założeniu stałej wartości liczby Pr i kryterium geometrycznego Kg.

Wiedząc, że y=lgNu, x=lgRe, podstawiając:

K=0,0206

c=0,8

Wstawiając do powyższego równania obliczoną liczbę Re otrzymujemy:

Nu=0,0206·102689,2^,8=210,42

Obliczam doświadczalny współczynnik wnikania ciepła:

Obliczam teoretyczny współczynnik wnikania ciepła:

[W/m²K]

Lp.	q1 [W]	delta T1	delta T2	delta Te	alfa 1	Re	Pr	Nu
1	383,66	314,9	314,7	314,8	30	102689,2	0,762	210,7
2	354,69	315,6	315,5	315,5	28	92975,4	0,762	194,6
3	300,66	315,2	315	315,1	24	75212,9	0,762	164,3
4	243,65	315,5	315,3	315,4	19	58421,8	0,762	134,2
5	228,91	316,6	316	316,3	18	51344,6	0,762	121,0

Lp.	lg Re	lg Nu	Nu*=0,0206*Re^0,8	alfa dośw	alfa teoret	t1	t2	t3	tśr [K]	Vk [m^3]
1	5,0115	2,324	210,42	24,90	24,87	118	118	119	118,3	0,00002
2	4,9684	2,289	194,34	23,00	22,97	130	128	126	128	0,00002
3	4,8763	2,216	164,02	19,41	19,38	152	160	141	151	0,00002
4	4,7666	2,128	134,01	15,86	15,84	195	194	170	186,3	0,00002
5	4,7105	2,083	120,85	14,30	14,28	210	198	187	198,3	0,00002

Vpow1=	7,4	m/s
Vpow2=	6,7	m/s
Vpow3=	5,42	m/s
Vpow4=	4,21	m/s
Vpow5=	3,7	m/s

Wnioski:

Na podstawie doświadczenia można stwierdzić, że współczynnik wnikania ciepła dla konwekcji wymuszonej jest znacznie większy niż dla konwekcji swobodnej, wynika to z ruchu powietrza. Przy konwekcji wymuszonej ruch powietrza jest większy niż przy konwekcji swobodnej w przestrzeni nieograniczonej. Zjawisko to jest poprawne, gdyż w trakcie konwekcji wymuszonej mamy do czynienia z ciągłym ruchem czynnika pobierającego ciepło. Intensyfikację procesu powoduje dodatkowo burzliwy charakter wymiany ciepła.