30.03.2012

Inżynieria Chemiczna Laboratorium

Sprawozdanie

Grupa I

Piątek godz. 9.15-12.12.30

Joanna Banach

Aleksandra Ptak

Katarzyna Staszewska

Ewa Szymków

Ćwiczenie nr 5

• Temat: Wnikanie ciepła przy wrzeniu cieczy.

• Cel: Wyznaczenie doświadczalnego i teoretycznego współczynnika wnikania ciepła.

• Wstęp teoretyczny: Dotyczy głównie przenoszenia ciepła w warstwie granicznej pomiędzy płynem (cieczą, gazem) a ścianką rurociągu (ciałem stałym). Związana jest z ruchem płynów. Konwekcyjny ruch ciepła może się odbywać podczas uwarstwionego, burzliwego czy przejściowego przepływu płynu. Występuje w przewodach transportujących płyny za pomocą wentylatora lub pompy (konwekcja wymuszona), w przewodach kominowych gdzie różnica temperatur w różnych punktach wywołuje zmianę gęstości płynu (zmianę ciśnień statycznych), co powoduje ruch płynów (konwekcja naturalna), w zbiornikach gdzie wrze lub kondensuje płyn (konwekcja przy zmianie stanu skupienia). Zachodzi zarówno podczas ogrzewania jak i chłodzenia płynów. Jest trudna do teoretycznego ujęcia przez związek ruchu płynu z ruchem ciepła. Różny charakter ruchu płynu, zmienna lepkość w różnych temperaturach, różny rozkład prędkości, wiry, kłębienia itp. wpływają na zjawisko konwekcji. Formułuje się tzw. równania kryterialne, wyznaczane na podstawie analizy wymiarowej.

• Opis ćwiczenia: Zasadniczym elementem aparatury jest zbiornik, wykonany ze stali kwasoodpornej i izolowany z zewnątrz wełną szklaną.W zbiorniku zamontowana jest grzałka o oporności 24.5Ω. Ma ona kształt litery U a jej przekrój jest kołowy. Długość grzałki wynosi L=0.812 m, średnica d=0.0085 m. Napięcie zasilania ustawiane jest autotransformatorem i kontrolowane woltomierzem. W zbiorniku umieszczone są cztery końcówki termoelementów żelazo-konstantan, służących do pomiaru temperatury. Czujniki są przylutowane do powierzchni. Są one połączone z rejestratorem o zapisie ciągłym. Para powstająca podczas wrzenia cieczy przepływa do kondensatora, gdzie zostaje wykroplona. Stamtąd kondensat spływa do wyskalowanego zbiornika.

• Wyniki pomiarów:

Stałe:

Powierzchnia A = 0,02167 [m²]

Ciepło przemiany fazowej r = 2262,2*10³ [J/kg]

Ciśnienie atmosferyczne p = 1,013*10⁵ [Pa]

• Obliczenia:

U	t	m	ṁ	Q	Tpg	Tw	ΔT	αdośw.	q	αt1	αt2
[V]	[s]	[kg]	[kg/s]	[W]	[^oC]	[^oC]	[K]	[W/m^2*K]	[W/m^2]	[W/m^2*K]	[W/m^2*K]
140	649,44	0,1896	0,00029	660,40	103,0	100,0	3,0	10157,38	30472,1	4342,716	595,409
160	490,00	0,2006	0,00041	926,30	103,3	100,0	3,3	12951,91	42741,3	5503,297	743,465
180	417,93	0,1983	0,00047	1073,53	103,7	100,0	3,7	13387,81	49534,9	6101,931	970,584
200	328,00	0,1946	0,00059	1342,28	104,0	100,0	4,0	15483,89	61935,6	7134,893	1163,919
220	272,06	0,2070	0,00076	1721,05	104,3	100,0	4,3	18468,07	79412,7	8490,876	1377,541

1. wykorzystane wzory

$m = \frac{m}{t}$ [kg/s]

Q = m * r [W]

T = T_pg − T_w [K]

Q = α_dosw. * A * T [W]

$\alpha_{dosw.} = \frac{Q}{A*T}$ [W/m²*K]

$q = \frac{Q}{A}$ [W/m²]

α_t1 = 0, 56 * q^0, 7 * p^0, 15 [W/m²*K]

α_t2 = 0, 14465 * T^2, 33 * p^0, 5 [W/m²*K]

1. przykładowe obliczenia dla U=140 [V]

$m = \frac{0,1896}{649,44}$=0,00029 [kg/s]

Q = 0, 00029*2262,2*10³= 660,40 [W]

T=103,0 – 100,0 = 3,0 [K]

$\alpha_{dosw.} = \frac{\ 660,40}{\ 0,02167*3,0} =$10157,38 [W/m²*K]

$q = \frac{\ 660,40}{0,02167} =$30472,1 [W/m²]

α_t1 = 0, 56 * 30472, 1 ^0, 7 * (1, 013 * 10⁵)^0, 15=4342,716 [W/m²*K]

α_t2 = 0, 14465 * 3, 0^2, 33 * (1, 013 * 10⁵)^0, 5 = 595, 409 [W/m²*K]

• Wnioski: Wyznaczone wartości doświadczalne i teoretyczne współczynników wnikania ciepła znacząco różnią się od siebie. Różnice te wynikają najprawdopodobniej z błędów w wyznaczeniu doświadczalnego współczynnika wnikania ciepła α_dośw.. Przy wykonywaniu pomiarów różnica temperatur ΔT, wraz ze wzrostem napięcia elektrycznego, ulegała niewielkim zmianom (powinna być ona znacznie większa). Wynika to najprawdopodobniej z usterki aparatury pomiarowej (uszkodzenie termopary). Najdokładniejszą metodą wyznaczenia współczynnika wnikania ciepła jest zatem równanie Krużylina.