laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA
CIEPŁA PODCZAS SKRAPLANIA PARY WODNEJ
Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej
2
1. WSTĘP
Zjawisko przenikania ciepła jest złożonym zjawiskiem przepływu ciepła i polega na
przepływie ciepła od płynu ciepłego poprzez stałą przegrodę (może być wielowarstwowa) do
płynu chłodniejszego. Przenikanie ciepła składa się więc z wnikania ciepła od płynu
cieplejszego do stałej przegrody, przewodzenia ciepła w przegrodzie oraz wnikania ciepła od
przegrody do płynu chłodniejszego.
dw
dz
t1
tw1
tw2
t2
.
Q
Rys.1 Rozkład temperatury przy przenikaniu ciepła przez przegrodę cylindryczną
Na ćwiczeniach laboratoryjnych ciepło przepływać będzie od skraplającej się pary o
temperaturze t1 do wody chłodzącej o temperaturze t2 (zmieniającej się od t2d do t2w).
Strumień ciepła przy przenikaniu określa prawo Pecleta. Dla przegrody cylindrycznej ma
ono następującą postać:
Q& = q& l ⋅ l = k l ⋅ ∆t m ⋅ l ,
gdzie:
kl −
współczynnik przenikania
współczynnikiem Pecleta,
[k l ] =
∆tm −
l
−
ciepła
dla
przegrody
(1)
cylindrycznej
zwany
W
m⋅K
średnia różnica temperatury między skraplającą się parą i skroplinami a wodą
chłodzącą,
długość rurki skraplacza.
Dla rozkładu temperatury wzdłuż długości rury jak na rysunku 2, średnia różnica temperatury
może być obliczona następująco:
∆t m =
∆t p − ∆t k
,
∆t p
ln
∆t k
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
(2)
Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej
gdzie:
3
∆t p = t1d − t 2 d
∆t k = t1w − t 2 w
t
para
t1d
skropliny
∆tp
∆tk
t1w
t2w
woda chłodząca
t2d
x
l
Rys. 2 Rozkład temperatury płynów wzdłuż długości rurki skraplacza laboratoryjnego
t1d
t1w
t2d
t2w
=
−
−
−
ts(pot) temperatura skraplającej się pary, równa temperaturze nasycenia przy pot,
temperatura skroplin na wypływie ze skraplacza,
temperatura wody chłodzącej na dopływie do skraplacza,
temperatura wody chłodzącej na wypływie ze skraplacza.
Woda chłodząca przepływa przez rurkę o stosunku średnic dz/dw = 10.0 mm/8.0 mm i
długości l = 1.52 m.
2. OBLICZENIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA
Zgodnie ze wzorem (1) współczynnik przenikania ciepła kl dla przegrody cylindrycznej
może być obliczony następująco:
kl =
Q&
.
∆t m ⋅ l
(3)
Ze wzoru (3) wynika, że dla obliczenia kl trzeba pomierzyć strumień ciepła Q przepływający
od pary i skroplin do wody chłodzącej. Strumień ten zostanie wyznaczony przez pomiar ilości
skroplin i obliczony ze wzoru:
Q m ⋅ r + m skr ⋅ c skr (t1d − t1w )
Q& = = skr
,
τ
τ
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
(4)
Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej
4
gdzie przez:
mskr − oznaczono masę skroplin (mskr = Vskr·ρskr), kg
= r(pot) entalpię parowania (skraplania), kJ/kg
r
cskr − średnie ciepło właściwe skroplin, kJ/(kg K)
− oznaczono czas trwania próby, s
τ
Do obliczenia średniej różnicy temperatury (patrz wzór (2)) należy pomierzyć lub wyznaczyć:
− temperaturę skraplającej się pary t1d, wielkość ta jest funkcją ciśnienia otoczenia
(ponieważ przy takim ciśnieniu para jest skraplana), a zatem t1d = ts(pot) i wielkość tę
należy odczytać z tablic parowych,
− temperaturę skroplin na wypływie ze stanowiska badawczego t1w mierzy się termometrem
rtęciowym,
− temperaturę wody chłodzącej na wypływie t2w mierzy się na końcu pomiaru przy użyciu
termometru w naczyniu, w którym gromadzi się wodę chłodzącą,
− temperaturę wody chłodzącej na dopływie t2d oblicza się ze wzoru:
t 2 d = t 2 w − ∆t w ,
(5)
gdzie ∆tw oznacza przyrost temperatury wody chłodzącej. Przyrost ten mierzy się przy użyciu
termopar NiCr-Ni co 30 sekund w czasie właściwego pomiaru, ze względu na to, że trudno
jest osiągnąć idealny stan ustalony w czasie pomiaru (narastająca na rurce skraplacza błona
skroplin powoduje wzrost oporu przewodzenia ciepła, co postępuje aż do momentu, gdy
utworzy się graniczna grubość, przy której skropliny opadną z rurki i spłyną do naczynia
zbiorczego). W czasie pomiaru wyznacza się więc średni przyrost temperatury wody
chłodzącej ∆tw według wzoru:
∆t w =
∑ ∆E w,i
i
mV
i ⋅ 0.04
K
.
(6)
Po wyznaczeniu Q i ∆tm oraz uwzględnieniu, że l = 1.52 m można ze wzoru (3) obliczyć
współczynnik przenikania ciepła kl dla przegrody cylindrycznej.
Wielkość tę można również obliczyć inaczej. Gdyby wyznaczono współczynnik wnikania
ciepła od skraplającej się pary do rurki α1 oraz współczynnik wnikania ciepła od rurki do
wody chłodzącej α2, to:
kl =
1
=
Rk ,l
1
d
1
1
1
ln z +
+
Πd zα1 2Πλ d w Πd wα 2
,
(7)
gdzie λ oznacza współczynnik przewodzenia ciepła materiału rurki.
Współczynnik kl dotyczy rurki o długości 1 m. Wielkość tę można przeliczyć na
współczynnik przenikania ciepła k odniesiony do powierzchni 1 m2 według wzoru:
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej
5
Q& = A ⋅ k ⋅ ∆t m = l ⋅ k l ⋅ ∆t m .
Po uwzględnieniu, że A = Π d l otrzymujemy:
Q& = Πdl ⋅ k ⋅ ∆t m = l ⋅ k l ⋅ ∆t m ,
a stąd:
k=
kl
.
Πd
(8)
3. SCHEMAT STANOWISKA BADAWCZEGO
mV
6
7
5
dopływ wody
chłodzącej
6
t2d
t2w
2
8
1
t1w
4
przelew
9
10
woda
chłodząca
skropliny
dopływ wody
zasilającej
~
3
Rys. 3 Schemat stanowiska pomiarowego
1 – zbiornik, 2 – rurka skraplacza, 3 – grzałki elektryczne, 4 – zawór regulacyjny wody zasilającej,
5 – zawór regulacyjny wody chłodzącej, 6 – termopary, 7 – miliwoltomierz, 8 – termometry,
9 – naczynie miarowe na wodę chłodzącą, 10 – naczynie miarowe na skropliny
Do dolnej części zbiornika 1 doprowadzane jest woda zasilająca. Natężenie przepływu
regulowane jest zaworem 4. Woda ta podgrzewana jest sześcioma grzałkami (3) zasilanymi
prądem elektrycznym poprzez włącznik główny i dwa wyłączniki pomocnicze służące do
odłączenia dwóch par grzałek. Poziom wody zasilającej wytwornicę pary ustalony jest w
układzie przelewowym – nadmiar jest odprowadzany do kanalizacji. Uzyskana para wodna
kierowana jest do kondensatora 2, w którym ulega skraplaniu. Woda chłodząca
doprowadzana jest do skraplacza przewodem przez zawór regulacyjny 5, a odprowadzana do
wyskalowanego zbiornika pomiarowego 10. Przyrost temperatury wody chłodzącej skraplacz
odczytujemy na miliwoltomierzu 7, do którego podłączone są dwie termopary (6) typu NiCrNi. Uzyskane skropliny odprowadzane są ze skraplacza przewodem do wyskalowanego
naczynia pomiarowego 9. Pomiar temperatury skroplin oraz wody chłodzącej na wylocie ze
stanowiska odbywa się za pomocą termometrów rtęciowych 8.
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej
6
4. WIELKOŚCI MIERZONE I WYZNACZANE
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Vskr – objętość skroplin
ρskr = ρskr(tskr)
t1d = ts(pot)
r = r(pot)
t1w
∆Ew
t2w
τ (czas pomiaru w stanie ustalonym)
pot
Tabela pomiarowa
Lp.
1
.
.
∆τi
s
30
.
.
t1w
˚C
∆Ew,i
mV
5. PRZEBIEG ĆWICZENIA
−
−
−
−
−
Po włączeniu przez prowadzącego zasilania elektrycznego i ustaleniu strumienia wody
chłodzącej odczekać, aż osiągnie się stan ustalony;
W stanie ustalonym prowadzić pomiar w czasie τ = Σ∆τi, w którym skropli się około
Vskr≈ 1 litr wody;
Pomierzyć pot, t2w, Vskr;
Odczytać z tablic ρskr, t1d = ts(pot),r;
Pomiar powtórzyć samodzielnie.
6. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie powinno zawierać:
− wstęp teoretyczny,
− krótki opis pomiarów,
− obliczenia kl (wcześniej Q, ∆tm) w W/(m K),
− obliczenia k (dla dz oraz dla dw) w W/(m2 K),
− uwagi końcowe i wnioski.
LITERATURA
[1] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
[2] Wiśniewski S.: Wymiana ciepła. PWN, Warszawa 1979.
Instrukcja zaktualizowana 25.02.2004
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ