ĆWICZENIE 10
WNIKANIE CIEPŁA OD ŚCIANKI DO POWIETRZA
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wartości współczynników wnikania ciepła dla konwekcji swobodnej w przestrzeni nieograniczonej i konwekcji swobodnej. 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.
2. Schemat aparatury.
Schemat stanowiska doświadczalnego: 1 – wentylator, 2, 3, 4, 5 – czujniki temperatury, 6 – wymiennik, 7 – króciec wylotowy powietrza, 8 – przewód pary, 9 – wytwornica pary, 10 – cieczowskaz, 11 – przegroda, 12 – skraplacz nadmiaru pary, 13, 14 – chłodnice kondensatu, 15, 16 – zbiorniczki pomiarowe, 17, 18 – zawory, 19, 20, 21 – latarki kontrolne, 22 – lejek, 23 – wyłącznik główny, 24 – bezpieczniki, 25 – włącznik pomiaru temperatur ,przełącznik odczytu temperatury, 27 – zasilanie wytwornicy pary, 28 – włącznik wentylatora, 29 – odczyt temperatury, 30 – regulator częstości obrotowej wentylatora
a) Obliczenie strumienia ciepła.
gdzie:
Vk – objętość kondensatu w zbiorniczku pomiarowym [m3]
1) ρk – gęstość kondensatu [kg/m3]
2) r – ciepło kondensacji pary wodnej pod ciśnieniem atmosferycznym [J/kg]
τ - czas gromadzenia kondensatu równy wartości średniej z trzech oznaczeń [s]
Dla pierwszego pomiaru – konwekcja wymuszona
*1000*2260000
q = 224,88 [W]
Dla konwekcji swobodnej
2260000
q = 282,5 [W]
B. Obliczenie różnic temperatur dla konwekcji wymuszonej
[K]
[K]
15,61 [K]
c) Obliczenie powierzchni wymiany ciepła.
[m2]
D. Obliczenie doświadczalnego współczynnika wnikania ciepła
Dla konwekcji wymuszonej – pomiar pierwszy
Dla konwekcji swobodnej
E. Obliczanie błędu bezwzględnego dla doświadczalnego współczynnika wnikania ciepła
0,00004+0,00101+0,00431
0,00536 = 0,005
0,01038 = 0,01
F. Obliczenie wartości oraz wartości
G. Obliczenie liczby Grashofa
H. Liczba Prandtla
Przyjmuję liczbę Prandtla za wartość stałą Pr=0,722
I.
Pr*Gr = 12560000000*0,722 = 9,1*109
J. Ustalenie wartości liczby Nusselta
Iloczyn liczb Prandtla i Grashofa wynosi 9,1*109 i znajduje się w przedziale 2*107<Gr*Pr<1013, wniskujeze jest to przepływ burzliwy. Równanie będzie wyglądało następująco:
Nu = 0,14(Gr*Pr)1/3
g) Obliczenie liczby Nusselta.
gdzie:
d – średnica przewodu [m]
3) λ - przewodnictwo cieplne [W/m2⋅K]
h) Obliczenie liczby Reynoldsa.
u – średnia liniowa prędkość przepływu [m/s]
d – średnica przewodu [m]
4) ρ - gęstość płynu [kg/m3]
5) η - lepkość płynu [Pa⋅s]
L. Obliczenie teoretycznego współczynnika wnikania ciepła
4,87
0,485
M. Obliczenie błędu bezwzględnego dla teoretycznego współczynnika wnikania ciepła
0,37
0,07
N. Obliczenie temperatury powierzchni osłony izolacji wymiennika
O. Porównanie temperatury izolacji zmierzonej i wyznaczonej teoretycznie
295,15 +
P. Obliczenie strumienia ciepła przekazywanego od powierzchni osłony do otoczenia na drodze promieniowania.
25,3
R. Obliczenie wartości doświadczalnego współczynnika wnikania ciepła z równania bilansu
α3 = 16,66
4. Tabele podsumowujące.
Wyniki obliczeń dla konwekcji wymuszonej.
Lp. | q1 [W] |
ΔT1 [K] |
ΔT2 [K] |
ΔTe [K] |
α1 [W/(m2K) |
Re | Nu | lg Re | lg Nu |
1 | 244,88 | 40,3 | 3,3 | 15,61 | 14,56 | 11826,12 | 29,1 | 9,013 | 3,569 |
2 | 259,77 | 43,1 | 3,1 | 15,2 | 17,28 | 14591,9 | 34,6 | 9,182 | 3,538 |
3 | 316,08 | 41,9 | 2,7 | 14,3 | 22,35 | 20409,59 | 44,7 | 9,44 | 3,788 |
Wyniki obliczeń dla konwekcji swobodnej.
q2 [W] |
Tz [K] |
Gr | Pr | qp [W] |
q2-qp [W] |
α3 [W/(m2K)] |
282,5 | 324,6 | 15,56*109 | 0,722 | 16,66 |
Ocena zgodności wartości doświadczalnych i teoretycznych.
Wartość | α1 | Δα1 | α1-Δα1 | α1+Δα1 | α2 | Δα2 | α2-Δα2 | α2+Δα2 |
Doświadczalna | 14,56 | 0,01 | 14,55 | 14,57 | 11,04 | 0,005 | 11,035 | 11,045 |
Teoretyczna | 0,485 | 0,07 | 0,415 | 0,555 | 4,87 | 0,37 | 4,5 | 5,24 |
Zgodność +/- |
Wartość | Tz | Δ Tz | Tz-ΔTz | Tz+ΔTz |
Doświadczalna | 616,4 | 0,1 | 616,3 | 616,5 |
Teoretyczna | 320,2 | 0,1 | 324,5 | 324,7 |
Zgodność +/- |