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.
Opracowanie wyników pomiarów
Przykład obliczeń dla pierwszej serii pomiarowej.
I. KONWEKCJA WYMUSZONA
Na podstawie otrzymanych wartości pomiarowych obliczam strumień ciepła ze wzoru:
gdzie:
Vk - objętość kondensatu w zbiorniczku pomiarowym [m3]
ρk - gęstość kondensatu [kg/m3]
r - ciepło kondensacji pary wodnej pod ciśnieniem atmosferycznym [J/kg]
τ - czas gromadzenia kondensatu równy wartości średniej z trzech oznaczeń [s]
Obliczam zastępczą różnicę temperatur:
ΔT1 = 100 - ΔTwlot=100 - 25,2=74,8 [K]
ΔT2 = 100 - ΔTwylot = 100 - 65= 35[K]
Obliczam średnią logarytmiczną różnicę temperatur:
Obliczam powierzchnię wymiany ciepła:
A=Lπd
A=1,5*3,14*0,05=0,2355[m2]
Obliczam doświadczalną wartość współczynnika wnikania ciepła ze wzoru:
gdzie:
q - strumień ciepła [W]
A - powierzchnia wymiany ciepła [m2] obliczona z wymiarów wymiennika
A = 0,2355 [m2]
Obliczam wartość liczby Nusselta:
gdzie:
d - średnica przewodu [m]
λ - przewodnictwo cieplne [W/m2⋅K], odczytane z tablic fizykochemicznych
ln (Nu) = 3,569
Obliczam wartość liczby Reynoldsa:
u - średnia liniowa prędkość przepływu [m/s]
d - średnica przewodu [m]
ρ - gęstość płynu [kg/m3]
η - lepkość płynu [Pa⋅s]
ln (Re) = 9,013
Tabela wyników pomiarów:
Seria pomiarowa |
Prędkość [m/s] |
Wlot |
Wylot |
Czas średni [s] |
Objętość kondensatu [m3] |
|
|
Temperatura średnia [˚C] |
Temperatura średnia [˚C] |
|
|
I. |
3,29 |
25,2 |
65,0 |
400 |
0,00004 |
II. |
3,54 |
24,8 |
64,9 |
374 |
0,00004 |
III. |
3,97 |
24,9 |
64,5 |
340 |
0,00004 |
Tabela wyników obliczeń:
Seria |
q1 |
ΔT1 [K] |
ΔT2 [K] |
ΔTe [K] |
α |
I. |
248,45 |
74,8 |
35 |
54,44 |
20,11 |
II. |
|
|
|
|
|
III. |
278,116 |
75,1 |
35,5 |
52,85 |
21,927 |
Seria |
Nu [-] |
Re [-] |
ln Nu |
ln Re |
I. |
35,504 |
8212,81 |
3,569 |
9,013 |
II. |
|
|
|
|
III. |
43,854 |
12620,882 |
3,78 |
9,44 |
Przedstawienie wyników obliczeń za pomocą wykresu:
Z powyższego wykresu odczytuję współczynniki w równaniu:
Wnioski:
W wyniku przeprowadzonego doświadczenia otrzymaliśmy wartości współczynnika wnikania ciepła α, który dla konwekcji swobodnej (α2 ) jest zgodny z obliczoną wartością teoretyczną, natomiast dla konwekcji wymuszonej (α1 ) otrzymana wartość doświadczalna odbiega od obliczonej wartości teoretycznej, co może być spowodowane nieszczelną izolacją wymiennika ciepła. Wpływ na otrzymany wynik może mieć także niedokładność w przeprowadzaniu pomiarów. Porównując wartości α dla konwekcji swobodnej i wymuszonej otrzymaliśmy większe dla konwekcji wymuszonej, co jest zgodne z rzeczywistością.
Wynikiem obliczeń dla konwekcji wymuszonej są otrzymane wartości współczynników w równaniu:
A = 0,2261
b = 0,5865.
4