2 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΟ ΤΟΙΧΩΜΑ

Transcript

1 ΑEI ΠΕΙΡΑΙΑ(ΤΤ) ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ-ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΕΡΓ. ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 2 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΟ ΤΟΙΧΩΜΑ ΚΑΡΤΕΣΙΑΝΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ Σκοπός της άσκησης Η κατανόηση της χρήσης της εξίσωσης Fourier στον προσδιορισμό του ρυθμού Μετάδοσης Θερμότητας διαμέσου στερεού σύνθετου τοιχώματος, για μονοδιάστατη και μόνιμη ροή, καθώς και ο προσδιορισμός του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας k, άγνωστου υλικού. Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Δύο επιφάνειες, διαφορετικών θερμοκρασιών, ιδίου υλικού, ευρισκόμενες σε άμεση επαφή με ένα τρίτο παρεμβαλλόμενο τοίχωμα, συνιστούν ένα σύνθετο τοίχωμα. T k k k T 2 T 3 T 4 L L L T T4 Σχήμα :Θερμικό κύκλωμα σύνθετου τοιχώματος με τοιχώματα σε σειρά Υποθέτοντας, ότι δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας από τα πλευρικά τοιχώματα, τότε η ροή θερμότητας είναι η ίδια σε κάθε τοίχωμα: Επομένως, T T T = = = A L L L k k k T + T + T = + + A k A k A k T L L L L L L T4 = + + A k k k rev. /206 Σελίδα

2 T T A L L L k k k Απ όπου προκύπτει για n-τοιχώματα, ότι: ( T ) 4 = = U T U= () A T T ( ) n + L L U k k n = = n A (2) όπου U ο συνολικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας και η θερμική αντίσταση του τοιχώματος.. Περιγραφή πειραματικής διάταξης Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η πειραματική μονάδα είναι κατάλληλα κατασκευασμένη για τη διερεύνηση των βασικών Νόμων της μονοδιάστατης Μετάδοσης Θερμότητας με αγωγιμότητα διαμέσου ενός στερεού. Η μονάδα είναι εξαρτώμενη από μία κύρια συσκευή για την τροφοδοσία της και τη μέτρηση των θερμοκρασιών. Η διάταξη είναι κυλινδρικού σχήματος, στερεωμένη σε πλαστική βάση, η οποία τοποθετείται στο αριστερό μέρος της κύριας συσκευής. Το θερμαινόμενο μέρος είναι ένα μπρούτζινο δοκίμιο διαμέτρου 25mm, με ηλεκτρική αντίσταση στο επάνω μέρος του, με μέγιστη ισχύ 65W στα 240V και με προστασία υπερθέρμανσης. T x T T 2 3 T T T T 6 7 T h c 8 V I L = 37.5mm L = 30mm L = 37.5mm Σχήμα 2: Σχηματική απεικόνιση της κατεύθυνσης της ροής σε σχέση με τον κύλινδρο H δημιουργούμενη ροή θερμότητας υπολογίζεται από τη σχέση: = VI (3) Τρία σταθερά θερμοζεύγητ, Τ 2, Τ 3 είναι τοποθετημένα κατά μήκος του θερμαινόμενου δοκιμίου σε διαστήματα των 5mm. Σελίδα 2

3 Το ψυχόμενο μέρος είναι επίσης κατασκευασμένο από μπρούτζο διαμέτρου 25mm, ο οποίος ψύχεται στο κάτω μέρος του με τη βοήθεια κυκλοφορίας ύδατος, μέσω κρυοστάτη. Τρία σταθερά θερμοζεύγητ 6, Τ 7, Τ 8 είναι τοποθετημένα κατά μήκος του ψυχόμενου δοκιμίου, σε διαστήματα των 5mm. Μεταξύ των δοκιμίων από μπρούτζο (θερμαινόμενης και ψυχόμενης επιφάνειας), τοποθετείται δοκίμιο από άγνωστο υλικό. Δακτύλιοι τύπου Ο εξασφαλίζουν την ομοαξονική τοποθέτηση όλων των δοκιμίων. 2.Διαδικασία Λήψης Μετρήσεων Τοποθετείστε θερμοαγώγιμη πάστα στις επιφάνειες της θερμαινόμενης και της ψυχόμενης διατομής και συσφίξτε τις δύο επιφάνειες, παρεμβάλλοντας μεταξύ τους το δοκίμιο από άγνωστο υλικό. Σχήμα 3: Απεικόνιση σύνθετου τοιχώματος και πάνελ της πειραματικής συσκευής Η2Β, P.A. Hilton ltd Αφού θέσετε σε λειτουργία τον κρυοστάτη (~6 C) και υπάρχει ροή ύδατος, ρυθμίστε την τάση του θερμαντικού σώματος στα ~80V. Παρακολουθείτε τις τιμές των θερμοκρασιών Τ, Τ 2, Τ 3, Τ 6, Τ 7, Τ 8 και καταγράψτε στον Πίνακα αποτελεσμάτων τις τιμές τους, όταν σταθεροποιηθούν. Σημειώστε επίσης, τις τιμές της τάσης και έντασης του ρεύματος. Μειώστε την τάση στην ηλεκτρική αντίσταση κατά ~25V και καταγράψτε στον Πίνακα αποτελεσμάτων τις ίδιες σταθεροποιημένες τιμές, όπως παραπάνω. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασίαα μειώστε την τάση στα 0V και περιμένετε να ψυχθεί το δοκίμιο, προτού απενεργοποιήσετε τον κρυοστάτη. 3. Φύλλο Μετρήσεων & Υπολογισμών Να συμπληρωθεί ο παρακάτω Πίνακας Μετρήσεων. Σελίδα 3

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Μέτρηση Τ Τ 2 Τ 3 Τ h Τ c Τ 6 Τ 7 Τ 8 V I Α/Α ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) (Volt) (Amp) Απόσταση από Τ (m) Δεδομένα: Διάμετρος δοκιμίου άγνωστου υλικού D=25mm Μήκος δοκιμίου άγνωστου υλικού x=30mm Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας μπρούτζου: k =k =2 W/mK Μήκος μπρούτζινων δοκιμίων: L =L =37.5mm Γ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟΜΕΡΟΣ. Να υπολογισθεί η ροή θερμότητας για κάθε μέτρηση. 2. Να παρασταθεί γραφικά η θερμοκρασία ως συνάρτηση της απόστασης των θερμοζευγών από το θερμοζεύγοςτ, για τις διαφορετικές τιμές ροής θερμότητας, στο ίδιο σύστημα αξόνων και να προσδιοριστούν, είτε γραφικά είτε αναλυτικά, με βάση την εκάστοτε κλίση, οι τιμές του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του άγνωστου υλικού, συμπληρώνοντας και τις αντίστοιχες στήλες του Πίνακα Υπολογισμών. 3. Να υπολογισθεί η τιμή του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U, θεωρητικά αλλά και με βάση τις πειραματικές μετρήσεις και να συμπληρωθούν οι αντίστοιχες στήλες του Πίνακα Υπολογισμών. ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ Μέτρηση A/A T x k U θεωρ. U πειρ. (W) (K/m) (W/mK) (W/m 2 K) (W/m 2 K) 2 Σελίδα 4

5 4. Να σχολιασθούν οι τιμές του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, U. Που μπορεί να οφείλονται οι διαφορές μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών; 5. Ο μπρούτζος ή το άγνωστο υλικό είναι καλύτερος αγωγός της θερμότητας και γιατί; 6. Συγκρίνοντας τα πειραματικά αποτελέσματα με τις τιμές στη βιβλιογραφία, ποιο μπορεί να είναι το άγνωστο υλικό; Σελίδα 5