CCF20130410001

stosunek wewnętrznego oporu cieplnego obiektu do zewnętrznego oporu cieplnego płynu określa równanie:

N_Bi=^f <0,1

k

gdzie h jest konwekcyjnym współczynnikiem przenikania ciepła [W/m K]; d_c to charakterystyczna długość (np. promień kuli) [m]; k jest przewodnictwem cieplnym [W/mK], Bilans energetyczny wokół stałego obiektu wykonanego z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym (np. z aluminium): przyjmuje się, że obiekt jest nagle zanurzany do płynu o innej temperaturze; bilans energetyczny jest następujący:

hA(T_m - T) = mc_p ^

at

gdzie A jest polem powierzchni [m ], m - masa [kg], c_p - ciepło właściwe materiału, T_m -temperatura otaczającego płynu [°C], T - temperatura materiału [°C], t - czas [s]. Rozwiązaniem powyższego równania jest:

T-T_m T - T_m

ln

hA

-1

mc_p

po przyjęciu wstępnego warunku: T(0) = T) gdzie T) jest temperaturą początkową [°C].

Współczynnik przenikania ciepła może być obliczony z nachylenia prostej ln[(T-T_m)/(Ti-T_m)] względem czasu (t). Metoda ta może być wykorzystana w przypadku obiektów o każdym kształcie, gdy znane są: masa obiektu, pole powierzchni, pojemność cieplna oraz doświadczalne dane czas-temperatura.

^ _ (nachylenie)mc_p A

1.2. Cele ćwiczenia:

Pomiar zmian temperatury kuli aluminiowej podczas ogrzewania i chłodzenia zarówno w wodzie, jak i powietrzu.

-    Wyznaczenie współczynnika przenikania ciepła dla kulistego obiektu ogrzewanego w gorącej wodzie i chłodzonego w zimnym powietrzu z wykorzystaniem metody kwazi-stacjonamej.

-    Zbadanie wpływu rozmiarów obiektu, temperatury wody, temperatury powietrza i prędkości powietrza na konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła.

1.3. Wykonanie ćwiczenia:

W eksperymencie wykorzystamy aluminiowe kule o różnych promieniach połączone z termoparami. Glin ma bardzo wysokie przewodnictwo cieplne (k = 204 W/mK), w związku z czym założenia dla metody kwazi-stacjonarnej możemy przyjąć za właściwe. Zmiany temperatury kul aluminiowych zapisywane są przez odpowiedni system rejestrujący dane.

W doświadczeniu kulisty przetwornik jest najpierw termostatowany w określonej temperaturze początkowej. Następnie jest zanurzany w płynie i rejestrowane są zmiany temperatury. Do tego doświadczenia wybrano kuliste przetworniki o trzech różnych średnicach.

Eksperyment obejmuje następujące etapy:

- Wyznaczenie wartości h dla gorącej wody (98°C), nieruchomego powietrza (20°C) i powietrza o wymuszonym obiegu (2 m/s, 20°C) z użyciem kuli o promieniu 15 mm (temperatura początkowa kuli aluminiowej: 20°C dla ogrzewania i 95°C dla chłodzenia).

2