skanuj (39)

Laboratorium Zintegrowane (Automatyka i Robotyka)

Ćw.10

Pomiary prędkości lokalnej chwilowej przy pomocy terinoanemometru

Cel ćwiczenia: zapoznanie się z techniką pomiaru prędkości przepływu gazu przy użyciu sondy termoanemometrycznej; wzorcowanie sondy; charakterystyki sondy; pomiary w turbulencji.

Sonda dwuwłóknowa (krzyżowa), programy wzorcowania i analizy sygnału.

Rozdziali,Sonda termganemometru z prostym włóknem.

1.1. Podstawy teoretyczne.

Problematykę pomiaru prędkości przepływu na drodze wykorzystania procesów wymiany ciepła miedzy przewodem elektrycznym podgrzewanym elektrycznie i przepływającym płynem przedstawił w 1914 roku L.V. King.

Zasada działania jest następująca: w przepływie płynu umieszczony jest cienki przewód (włókno wolframowe o średnicy kilku mikrometrów) o znanej oporności R„. Włókno jest grzane prądem elektrycznym I do temperatury T_w wyższej niż temperatura płynu T_p i chłodzone przez omywający płyn. W tej temperaturze oporność włókna rośnie do R_w. Intensywność chłodzenia wlóknR zależy od prędkości opływu. W warunkach równowagi termicznej, moc elektryczna P potrzebna do utrzymania temp. T_w jest równa ilości ciepła Q dyssypowanej w przepływie w jednostce czasu. Miarą prędkości przepływu płynu jest spadek napięcia E„ = 1 R„. na sondzie, wywołany zmianą oporności R_w włókna (przy zasilaniu stałym prądem) albo zmianą płynącego prądu I (przy zachowaniu stałej temperatury i oporności włókna).

Moc cieplna odbierana z grzanego elektrycznie włókna zależy od:

1.    prędkości płynu

2.    orientacji wektora prędkości względem włókna

3.    różnicy temperatur młędzy włóknem a płynem,

4.    własności fizycznych włókna (współczynnika przejmowania ciepła)

5.    własności fizycznych płynu (współczynnik przenikałności cieplnej, współczynnik lepkości)

Odbiór ciepła może następować czterema drogami:

1.    poprzez przewodzenie

2.    poprzez promieniowanie

3.    poprzez konwekcję naturalną

4.    poprzez konwekcję wymuszoną.    #

Wielkość przewodzenia zalety od konstrukcji sondy (włókno i jego zamocowanie), jest prawie stała w czasie i ma małe wartości. Wielkość promieniowania przy temperaturze włókna niższej od 300°C jest pomijalnie mała. Konwekcja swobodna ma znaczenie przy bardzo małych prędkościach opływu (<0.2 m/s). Konwekcja wymuszona jest tutaj zjawiskiem dominującym.

Proces wymiany ciepła na włóknie sondy jest charakteryzowany przez liczbę Nusseita Nu = a d/k

(gdzie cx - współczynnik przejmowania ciepła, d - średnica włókna, X - współcz. przewodności cieplnąj płynu). Wartość tej liczby zależy od szeregu liczb podobieństwa i parametrów bezwymiarowych:

Nu » f ( Re, Ma, KN, T/T„ Qr, Pr, UD, 4>)    (1)

gdzie:

Re = Ud/v jest liczbą Reynoldsa 1 zawiera się w niej prędkość opływu włókna U Ma - liczba Macha - wyraża wpływ ściśliwości

Kn - liczba Knućlsena - ujmuje wpływ drogi swobodnej cząsteczki w ruchu molekularnym na wymianę ciepła; ta liczba nabiera znaczenia przy bardzo wysokich rozrzedzeniach gazu T_w/T_p - stosunek temp. włókna T_w do temp. płynu T_p

Gr - liczba Grashofa ujmuje wpływ wyporności- zmian gęstości płynu w wyniku nagrzania -na wymianę ciepła; ma znaczenie tylko przy konwekcji naturalnej,

Pr = Cp p v/k - liczba Prandtla zapisująca cechy fizyczne piynu: ciepło właściwe, gęstość, lepkość, przewodność cieplną

L/d - stosunek długości L i średnicy d włókna - kąt nachylenia wektora prędkości opływu względem włókna przy czym użyto oznaczenia:

Cp - ciepło właściwe piynu T_w - temp. włókna T_p - temp. płynu

U - prędkość płynu względem włókna

a - współczynnik przejmowania ciepła wynikający ze wzoru Newtona Q ³ a (T_w - T_p)

- współcz. lepkości kinematycznej płynu p - gęstość płynu

Wymianę ciepła przy konwekcji wymuszanej opisuje empiryczna zależność znana jako prawo Kramersa:

Nu = 0.42 Pr^0,J + 0,57 Pr^0,33 Re^{0 J0} która stosuje się w szerokim zakresie liczb Reynoldsa;

(2)