Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ

Transcript

1 Α). ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Τα Πειράματα που μπορούν να πραγματοποιούνται είναι, τουλάχιστο, τα παρακάτω: i. Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία (απορρόφηση και εκπομπή) υπό κενό: α. μαύρο σώμα β. γκρι σώμα ii. Μεταφορά θερμότητας με συναγωγιμότητα σε ατμοσφαιρική πίεση: α. μαύρο σώμα β. γκρι σώμα 1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ: Υπόμνημα: 1. Μελανό (μαύρο) ή γκρίζο σώμα 6. Εναλλάκτης θερμότητας 2. Συσκευή Bourdon 7. Ράβδος υποστήριξης 3. Στοιχείο θέρμανσης θερμομέτρου 8. Ψηφιακή ένδειξη. Μονάδα ελέγχου θερμοκρασίας 10. Τρίοδη βαλβίδα 5. Ψύξη 11. Σύνδεση για αντλία κενού Τα πειράματα μεταφοράς θερμότητας, χρησιμοποιώντας δύο στοιχεία (1), που μπορούν να πραγματοποιούνται είναι τα παρακάτω: -1-

2 Ακτινοβολία (υπό κενό) και Συναγωγιμότητα (σε ατμοσφαιρική πίεση). Στο θάλαμο δοκιμών (2). Η θερμοκρασία του θαλάμου διατηρείται σταθερή από ένα θερμαινόμενο σώμα (3) και την μονάδα ελέγχου (). Συναγωγιμότητα στον Εναλλάκτη Θερμότητας (5). Η θερμοκρασία του θαλάμου διατηρείται σταθερή από έναν εναλλάκτη θερμότητας (6) με ροή ψυκτικού νερού. Το στοιχείο μεταφέρεται από τη ζώνη θέρμανσης στη ζώνη ψύξης, με ανύψωση της ράβδου υποστήριξης (7). Η θερμοκρασιακή μεταβολή σ αυτό το σώμα μετράται στην ψηφιακή ένδειξη του θερμομέτρου (8). Το θερμόμετρο (8) μπορεί, επίσης, να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στην έξοδο του εναλλάκτη. Οι μετρήσεις λαμβάνονται σε κενό, με τη χρήση μιας αντλίας κενού, που συνδέεται στο (11) και παρακολουθείται από το πιεσόμετρο (12). Μια τρίοδη βαλβίδα (10) είναι συνδεδεμένη για τη σύνδεση της αντλίας κενού στο θάλαμο (2), για να απομονώνει το θάλαμο (για την αποφυγή συνεχούς λειτουργίας της αντλίας κενού), ή για να συνδέει το θάλαμο με την ατμόσφαιρα. 2. ΓΕΝΙΚΕΣ Ο ΗΓΙΕΣ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ: - Ξεκινείστε το πείραμα, ανοίγοντας την παροχή του νερού, για να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία του εναλλάκτη θερμότητας. - Ρυθμίστε τη θερμοκρασία του φούρνου (θερμού θαλάμου) σε μια τιμή μεταξύ 200 και 250 C (η θερμοκρασία του θερμαινόμενου στοιχείου δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 350 C). Στην αρχή του πειράματος τοποθετείστε την πειραματική ράβδο στην άνω θέση. - Στην περίπτωση της μεταφοράς θερμότητας υπό κενό, δημιουργήστε μερικό κενό μέσα στο φούρνο, χρησιμοποιώντας την αντλία κενού, με σκοπό να σταματήσει η μεταφορά θερμότητας με φυσική συναγωγιμότητα. (Προσοχή: είναι σημαντικό να ελέξετε τη σύσφιξη της ράβδου. Αν δεν είναι σφιγμένη σωστά, το κενό θα εξαλείφεται, λόγω διαρροών, ενώ αν είναι πολύ σφιχτή δεν θα ολισθαίνει ομαλά). Η τελική πίεση που δημιουργείται από τη μικρή αντλία θα πρέπει να είναι περίπου -0.8 μέχρι -1 bar. ΠΡΟΣΟΧΗ: Είναι σημαντικό να μην εκκινηθεί η αντλία κενού, αν ο θάλαμος είναι ήδη υπό κενό. Πρώτα δώστε ατμοσφαιρική πίεση. - Αφού ξεκινήσει η πειραματική συσκευή, περιμένετε περί τα 20 λεπτά μέχρι να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία. Χρησιμοποιείστε αυτό το χρόνο, για να δείτε, ότι τα δύο κανάλια του θερμοκρασιακού καταγραφικού δίνουν σωστές ενδείξεις. Τυπικά πειραματικά δεδομένα: Μάζα στοιχείου (μελανού ή γκρι σώματος): Μ = 1.16g Ειδική θερμότητα: C = 386J/kg o C Επιφάνεια στοιχείου: s = 2.2 cm 2 Θερμοκρασία θαλάμου: Τ e = 500Κ Θερμοκρασία εναλλάκτη θερμότητας: Τ (Κ) Θερμοκρασία στοιχείου: Τ (Κ) -2-

3 Β). ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑΤΑ 1. Παράδειγμα 1 ο : Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία (απορρόφηση και εκπομπή) υπό κενό :.1. Σκοπός του πειράματος: Χάραξη Καμπύλων απορρόφησης και εκπομπής των δύο σωμάτων σε κενό. Πιστοποίηση του εκθέτη του νόμου Stean Bolmann. Προσδιορισμός της σταθεράς Stean Bolmann. Υπολογισμός συντελεστή εκπομπής του γκρίζου σώματος..2. Θεωρία: α). Ακτινοβολία με απορρόφηση: Η εξίσωση μεταφοράς θερμότητας του μαύρου (μελανού) σώματος στο θάλαμο θερμοκρασίας, Τ e, όπου υπόκειται σε κενό, δίνεται: s T T (1.1) e Αν P y είναι η ενέργεια που μεταφέρεται μέσω ακτινοβολίας, δηλαδή: P y s Te T (1.2) τότε, η χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση, y R, ανάγεται σε: y R s T e T (1.3) β). Ακτινοβολία με εκπομπή: Η εξίσωση κατά τη διάρκεια της διεργασίας ψύξης στον εναλλάκτη θερμότητας σε θερμοκρασία Τ γράφεται ως: Αν P είναι η ενέργεια ψύξης, T T 0 s (1.) P s T T (1.5) τότε η χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση R ανάγεται σε: R s T T (1.6) -3-

4 .3. Μετρήσεις: - Αφού γίνει η κατάλληλη προετοιμασία, σύμφωνα με τις γενικές οδηγίες εκκίνησης, (θερμοκρασία θαλάμου = 227 C), δημιουργείστε μερικό κενό, μέσα στο φούρνο, χρησιμοποιώντας την αντλία κενού, με σκοπό να σταματήσει η μεταφορά θερμότητας με φυσική συναγωγιμότητα. Η τελική πίεση, που δημιουργείται από τη μικρή αντλία, θα πρέπει να είναι περίπου (-0.8) μέχρι (-1) bar. - Στην αρχή του πειράματος, σημειώστε τις θερμοκρασίες του φούρνου και του εναλλάκτη. Στη συνέχεια χαμηλώστε, γρήγορα, την υποστήριξη του στοιχείου στο κάτω μέρος του θαλάμου και σφίξτε την πολύ καλά. Όταν η θερμοκρασία ανέβει σε επίπεδο, το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη, λαμβάνονται η θερμοκρασία του στοιχείου και οι αντίστοιχοι χρόνοι, συμπληρώνοντας τον αντίστοιχο Πίνακα Μετρήσεων και Υπολογισμών (βλέπε παράρτημα). ΠΡΟΣΟΧΗ: Είναι σημαντικό να ληφθούν οι χρόνοι για τις ίδιες τιμές θερμοκρασιών, σε όλα τα πειράματα που θα διεξαχθούν. i. Μαύρο Σώμα: (α). Χρησιμοποιώντας τις n μετρήσεις, σχεδιάστε τις καμπύλες απορρόφησης και εκπομπής του μαύρου σώματος υπό κενό. (β). Για n-2 σημεία, σε κάθε καμπύλη, προσδιορίστε την κλίση y R. (γ). Σε ένα διπλό λογαριθμικό χαρτί, σχεδιάστε το ποσό της ενέργειας, που εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας, από το στοιχείο (sp e P y ), ως συνάρτηση της απόλυτης θερμοκρασίας του Τ, με σκοπό τον έλεγχο του εκθέτη του νόμου Stean-Boltmann, υπολογίζοντας την κλίση της ευθείας γραμμής, που λαμβάνετε. (δ 1 ). Σχεδιάστε την ενέργεια (sp e P y ), που ανταλλάσεται ως συνάρτηση του (Τ ) και υπολογίστε τη σταθερά Stean-Boltmann σ (γνωστό ε = 0.95). (δ 2 ). Σχεδιάστε την ενέργεια (P y ), ως συνάρτηση του (Τ ) και υπολογίστε τη σταθερά Stean- Boltmann, σ (γνωστό ε = 0.95). ii. Γκρι Σώμα: (α). Χρησιμοποιώντας τις n μετρήσεις, σχεδιάστε τις καμπύλες απορρόφησης και εκπομπής του μαύρου σώματος, υπό κενό. (β). Για n-2 σημεία, σε κάθε καμπύλη, προσδιορίστε την κλίση, y R. (γ 1 ). Σχεδιάστε την ενέργεια (sp e P y ), που ανταλλάσεται, ως συνάρτηση του (Τ ) και χρησιμοποιώντας την τιμή της σταθεράς Stean-Boltmann σ, που υπολογίστηκε από το πείραμα του μέλανος σώματος, υπολογίστε το ε του οξειδωμένου χαλκού. (γ 2 ). Σχεδιάστε την ενέργεια (P y ), ως συνάρτηση του (Τ ), και χρησιμοποιώντας την τιμή της σταθεράς Stean-Boltmann σ, που υπολογίστηκε από το πείραμα του μέλανος σώματος, υπολογίστε το ε του οξειδωμένου χαλκού. --

5 .. ΣΧΟΛΙΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: (Σχόλια και συμπεράσματα αναμένεται να γίνουν από μέρους των Σπουδαστών, με τις αντίστοιχες αιτιολογήσεις). -5-

6 2. Παράδειγμα 2 ο : Μεταφορά θερμότητας με συναγωγιμότητα με ατμοσφαιρική πίεση.1. Σκοπός του πειράματος: Καμπύλες θέρμανσης και ψύξης των δύο σωμάτων. Υπολογισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγιμότητα..2. Θεωρία: α). Θέρμανση μέσω συναγωγιμότητας: Αν P Cy είναι η ενέργεια, που μεταφέρεται μέσω συναγωγιμότητας, η συνολική εξίσωση μεταφοράς θερμότητας θα δίνεται από τη σχέση: s T T P (2.1) τότε, η χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση, y C+R ανάγεται σε: e C y y CR s T e T PC y (2.2) Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (1.3) και (2.2) σε καθεμιά τιμή θερμοκρασίας σώματος Τ, η ενέργεια, που μεταφέρεται, λόγω συναγωγιμότητα, P Cy, γράφεται ως εξής: P C y yc R yr (2.3) β). Ψύξη μέσω συναγωγιμότητας: Η συνολική εξίσωση μεταφοράς θερμότητας δίνεται από τη σχέση: s T T P (2.) τότε η χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση C+R ανάγεται σε: C CR s T T PC (2.5) Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (1.6) και (2.5), η ενέργεια που μεταφέρεται, λόγω συναγωγιμότητας, P C, ανάγεται σε: P C C R R (2.6) Επισήμανση: Η μεταφορά θερμότητας με συναγωγιμότητα δίνεται από την παρακάτω σχέση: P C hs T0 T (2.7) όπου, Τ, η θερμοκρασία του μαύρου ή γκρίζου σώματος και, Τ 0, του ρευστού που περιβάλλει το σώμα. -6-

7 .3. Μετρήσεις: - Αφού γίνει η κατάλληλη προετοιμασία, σύμφωνα με τις γενικές οδηγίες εκκίνησης, (θερμοκρασία θαλάμου = 227 C), σημειώστε τις θερμοκρασίες του φούρνου και του εναλλάκτη. Στη συνέχεια χαμηλώστε γρήγορα την υποστήριξη του στοιχείου στο κάτω μέρος του θαλάμου και σφίξτε την πολύ καλά. Όταν η θερμοκρασία ανέβει σε επίπεδο, το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη, λαμβάνονται η θερμοκρασία του στοιχείου και οι αντίστοιχοι χρόνοι συμπληρώνοντας τον αντίστοιχο Πίνακα Μετρήσεων και Υπολογισμών (βλέπε παράρτημα). ΠΡΟΣΟΧΗ: Είναι σημαντικό να παρθούν οι χρόνοι για τις ίδιες τιμές θερμοκρασιών σε όλα τα πειράματα που θα διεξαχθούν. i. Μαύρο Σώμα: (α). Χρησιμοποιώντας τις n μετρήσεις, σχεδιάστε τις καμπύλες θέρμανσης και ψύξης του μαύρου σώματος. (β). Για n-2 σημεία, σε κάθε καμπύλη, προσδιορίστε την κλίση, y c+r, και, c+r, για τις ίδιες τιμές θερμοκρασιών με το Πείραμα 1. (γ). Σχεδιάστε τα ποσά της μεταφερόμενης θερμότητας με συναγωγιμότητα, P Cy, και, P C, ως συνάρτηση των (T e T) και (T T ), με σκοπό τον υπολογισμό του ειδικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγιμότητας, h C, και, h C. (δ). Να γίνει σύγκριση μεταξύ των μεταφορών θερμότητας με ακτινοβολία, (P y ), και συναγωγιμότητα, (P C ). ii. Γκρι Σώμα: (α). Χρησιμοποιώντας τις n μετρήσεις, σχεδιάστε τις καμπύλες θέρμανσης και ψύξης του μαύρου σώματος. (β). Για n-2 σημεία, σε κάθε καμπύλη, προσδιορίστε την κλίση y c+r και c+r για τις ίδιες τιμές θερμοκρασιών με το Πείραμα 1. (γ). Σχεδιάστε τα ποσά της μεταφερόμενης θερμότητας με συναγωγιμότητα, P Cy, και, P C, ως συνάρτηση των (T e T) και (T T ), με σκοπό τον υπολογισμό του ειδικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγιμότητας, h C, και, h C. (δ). Να γίνει σύγκριση μεταξύ των μεταφορών θερμότητας με ακτινοβολία, (P y ), και συναγωγιμότητα, (P C )... ΣΧΟΛΙΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: (Σχόλια και συμπεράσματα αναμένεται να γίνουν από μέρους των Σπουδαστών, με τις αντίστοιχες αιτιολογήσεις). -7-

8 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΙΝΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΥΠ ΑΡΙΘΜ. 1: Α/Α θ ( C) TEMPERATURE TIME SLOPE POWER T (K) T (10 10 K ) t (s) y R (K/s) P y (W) sp e -P y (W) T e -T (10 10 K ) Θερμοκρασία φούρνου: t e =227 C Λαμβανόμενη θερμότητα: sp e =0.78 W Α/Α TEMPERATURE θ ( C) TEMPERATURE Τ (Κ) TIME T (s)

9 ΠΙΝΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΥΠ ΑΡΙΘΜ. 2: Α/Α TEMPERATURE TIME SLOPE POWER θ ( C) T (K) t (s) y C+R (K/s) y C+R (K/s) P C (W) T e -T (K) Α/Α TEMPERATURE θ ( C) TEMPERATURE Τ (Κ) TIME t (s)