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 pięć pomiarów prędkości dla konwekcji wymuszonej.

W przypadku konwekcji swobodnej wykonuje dwa pomiary czasu napełniania zbiorniczka

pomiarowego kondensatem spływającym ze ścianki wewnętrznej rury zewnętrznej

wymiennika ciepła. Objętość przestrzenie między kreskami tego zbiorniczka wynosi 20 cm³ .

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:

poprawcie !

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

Konwekcja swobodna

Strumień ciepła został obliczony z tego samego wzoru co dla konwekcji wymuszonej.

Obliczenie temperatury zewnętrznej powierzchni izolacji:

Obliczenie strumienia ciepła wymiany na drodze promieniowania:

jeżeli A₂>>A₁ to ε₁₂= ε₁=0,04, C₀=5,76 [W/m²K⁴]

Obliczenie doświadczalnego współczynnika wnikania ciepła:

q_iz-q_1-2=α·A_z·∆T

Obliczenie liczby Grashoffa:

Obliczenie liczby Prandtla:

Określenie przedziału iloczynu Gr·Pr

Ponieważ iloczyn ten mieści się w przedziale: 2·10⁷<GrPr<10¹³ stosuje się równanie:

[W/m²K]

qiz [W]	Tz [K] (1)	delta Te	deltaT1	deltaT2	delta T	Gr	Pr	q1-q2 [W]	alfa 2 [W/m^2*K]
293,53	314,5	0,24663	0,2	0,3	58,4	1189877,538	0,762	0,0023	293,3
293,53	315,5	0,288539	0,2	0,4	57,3	1167465,462	0,762	0,0023	293,3
293,53	315,4	0,493261	0,4	0,6	57,4	1169502,923	0,762	0,0046	293,3
293,53	316,3	0,216404	0,4	0,1	57	1161353,077	0,762	0,0047	293,0
293,53	316,3	0,336629	0,8	0,1	57,4	1169502,923	0,762	0,0093	292,8

Tz	alfa 3	Tz [K] (2)	T otoczenia	t1 [s]	t2 [s]	t3 [s]	t śr	Vk [m^3]
302,48	1,4751	314,6	314,3	75	77	80	77,3	0,00001
302,48	1,4659	315,7	315,3	75	80	77	77,3	0,00001
302,48	1,4667	315,6	315	-	-	-	-	-
302,48	1,4633	316	315,9	-	-	-	-	-
302,48	1,4667	315,6	315,5	-	-	-	-	-

Dane wykorzystane do obliczeń:

powierzchnia	0,04	m^2	epsilon	1,26087472
L=	1,5	m	lambda	0,026	W/mK
ciepło kondensacji
r=	2270000	J/kg	g	9,81	m/s^2
ro H2o=	1000	kg/m^3	beta	0,01
d	0,22	m	wsp lepkosci kin	0,00001625	m^2/s
eta	0,0000195	Pa*s	Dz	0,21	m
ro powietrza	1,23	kg/m^3	Dw	0,198	m

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.

---