Share PDF

Search documents:
  Report this document  
    Download as PDF   
      Share on Facebook

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

POLITECHNIKI ÅšLÄ„SKIEJ

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 = kl ⋅∆tm ⋅l,

(1)

gdzie:

kl − współczynnik przenikania ciepła dla przegrody cylindrycznej zwany współczynnikiem Pecleta,

[kl ]= mWâ‹…K

∆tm − średnia różnica temperatury między skraplającą się parą i skroplinami a wodą chłodzącą,

l− długość rurki skraplacza.

Dla rozkładu temperatury wzdłuż długości rury jak na rysunku 2, średnia różnica temperatury może być obliczona następująco:

∆tm =

∆tp

−∆tk

,

 

∆t

 

 

 

ln

p

 

(2)

 

∆tk

 

 

 

 

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej

3

gdzie:

 

∆tp =t1d −t2d

 

 

∆tk =t1w −t2w

 

 

t

 

t1d

para

 

 

skropliny

 

 

t1w

 

 

k

 

 

t

 

 

∆

p

woda chłodząca

t

t

2w

∆

 

 

t2d

 

 

 

l

x

 

 

Rys. 2 Rozkład temperatury płynów wzdłuż długości rurki skraplacza laboratoryjnego

t1d

=

ts(pot) temperatura skraplającej się pary, równa temperaturze nasycenia przy pot,

t1w

−

temperatura skroplin na wypływie ze skraplacza,

t2d

−

temperatura wody chłodzącej na dopływie do skraplacza,

t2w

−

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&

.

(3)

∆tm ⋅l

 

 

 

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

skr

â‹…r +m

â‹…c

skr

(t

−t

)

 

 

Q& =

 

=

 

 

skr

1d

1w

 

,

(4)

Ï„

 

 

 

Ï„

 

 

 

 

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła podczas skraplania pary wodnej

4

gdzie przez:

mskr − oznaczono masę skroplin (mskr = Vskr·ρskr), kg

r= r(pot) entalpiÄ™ parowania (skraplania), kJ/kg

cskr − średnie ciepło właściwe skroplin, kJ/(kg K)

τ− oznaczono czas trwania próby, s

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:

t2d =t2w −∆tw,

(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:

 

∑∆Ew,i

 

 

∆tw =

i

.

(6)

 

 

iâ‹…0.04

mV

 

 

K

 

 

 

 

 

 

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

=

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

,

 

Rk,l

1

 

 

+

1

ln

dz

+

1

 

(7)

 

 

 

 

Πd

α

1

2Πλ

d

w

Πd α

2

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

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⋅∆tm =l⋅kl ⋅∆tm .

Po uwzględnieniu, że A = Π d l otrzymujemy:

Q& =Πdl⋅k⋅∆tm =l⋅kl ⋅∆tm,

a stÄ…d:

k =

kl

.

(8)

 

 

Πd

 

3. SCHEMAT STANOWISKA BADAWCZEGO

6

 

mV

7

 

 

 

 

5

 

 

6

 

dopływwody

 

 

 

 

chłodzącej

t2d

 

t2w

 

 

 

 

2

 

 

8

 

1

 

 

9

 

4

 

 

t1w

woda

 

 

10

chłodząca

przelew

 

skropliny

 

 

 

 

 

dopływ wody

 

 

 

 

zasilajÄ…cej

 

 

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 NiCr- Ni. 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. WIELKOÅšCI 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.

∆τi

t1w

∆Ew,i

s

ËšC

mV

 

130

..

..

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