10 Determinarea coeficientului de convecție termică la un fascicul de țevi

Transcript

1 rmothnică Sintză lucrări d laborator 10 Dtrara coficintului d convcți trmică la un d țvi Lucrara d laborator rzintă modul în car s dtră coficintul d convcți trmică la un d țvi. Scoul lucrării st însuşira noţiunilor fundamntal cu rivir la transfrul d căldură rin convcți și a algoritmului d calcul Noțiuni tortic Convcţia trmică st rocsul d transmitr a căldurii rin intrmdiul unui fluid în mişcar car vhiculază nrgia trmică din zonl cu tmratură mai ridicată în altl d tmratură mai scăzută [6]. Proagara căldurii rin convcți rrzintă un rocs comlx d transmitr a căldurii, rocs car ar loc într un fluid aflat în mișcar și un cor solid []. Convcţia rsuun acţiuna combinată a conducţii trmic în stratul limită d fluid d lângă rt, a acumulării d nrgi intrnă şi a mişcării d amstc a articullor d fluid [63]. ransfrul d căldură convctiv (convcția) s ralizază concomitnt cu mișcara uni mas d fluid. Căldura s transmit ca fct al dlasării macroscoic a fluidlor cald în intriorul acliași faz, sau într faz difrit aflat în contact. În majoritata cazurilor ractic, mișcara fluidului ar loc într-un aarat sau într-o conductă. S oat dci afirma că transfrul d căldură convctiv ar loc la dlasara fluidului d-a lungul unui contur solid mai cald sau mai rc [64]. Intnsitata rocsului d convcţi dind în mar măsură d mişcara d amstc a fluidului. Duă natura mişcării s disting două tiuri d mişcar cărora l corsund două tiuri d convcţi: convcți libră (naturală) mișcara fluidului st dtrată numai d difrnțl d dnsitat din masa fluidului, aărut ca urmar a difrnțlor d tmratură xistnt într difrit unct al fluidului [64]. La încălzira fluidului dnsitata lui scad şi l s ridică; la răcir, dnsitata crşt şi fluidul coboară lângă surafaţa d schimb d căldură. Intnsitata mişcării libr st dtrată d natura fluidului, difrnţa d tmratură într fluid şi rt, volumul ocuat d fluid şi câmul gravitaţional [63]. convcți forțată fluidul st us în mișcar rin mijloac xtrn [65]. Mișcara fluidului aar sub acțiuna unor gradinți d rsiun roduși d acțiuna mcanică a unui disozitiv d transort (omă, vntilator, comrsor tc.) sau a unui disozitiv d amstcar (agitator, injctor tc.) [64]. Pntru xrimara fluxului d căldură convctiv s utilizază rlația lui Nwton : Q t t W (10.1) f und: Q [W] st fluxul d căldură transmis rin convcți, α [W/(m K)] coficint d convcți trmică c caractrizază intnsitata transfrului d căldură convctiv, [m ] aria surafți d contact dintr fluid și corul solid, t [ C] tmratura mdi a surafți corului solid, tf [ C] tmratura mdi a fluidului car scaldă surafața corului solid. Dintr mărimil car intră în alcătuira rlații lui Nwton, dtrara coficintului d convcți trmică α rzintă dificultățil cl mai mari, întrucât acsta dind d o sri d factori rintr car: vitza d mișcar a fluidului; tmratura fluidului și a rtlui corului solid; conductivitata trmică a stratului limită d fluid; căldura scifică a fluidului; dnsitata fluidului; viscozitata fluidului; forma și dimnsiunil surafți d contact tc. Pntru dtrara coficintului d convcți trmică α nu s ot folosi rlații analitic ci numai rlații ddus cu ajutorul torii similitudinii. 57

2 Lavinia SOCCIU, Oana GIURGIU Princiiul similitudinii arată că două sistm au o comortar similară dacă raortul dimnsiunilor lor liniar, a fortlor, a vitzlor, st aclași. Similitudina în studiul rocslor d transfr d căldură rsuun asmănar: gomtrică; mcanică și trmică. În cazul convcții forțat în sistm gomtric similar, câmuril vitzlor vor fi similar dacă raortul dintr forțl d inrți și forțl d frcar vâscoas st aclași în ambl fluid [66]. stfl, ntru anumit cazuri ractic, articular, s-au dtrat rlațiil critrial car guvrnază fnomnl rsctiv []. castă tori rmit utilizara rlațiilor obținut modl la fnomnul ral, car st similar cu modlul, rlații în car intrvin ca variabil mărimi indndnt d unitățil d măsură, numit invarianți, numr sau critrii d similitudin. Cl mai utilizat critrii d similitudin sunt: critriul Nusslt (Nu) - rrzintă raortul dintr gradintul tmraturii fluidului la surafata rtlui și un gradint d rfrință al tmraturii. csta st cl mai imortant invariant doarc includ coficintul d convcţi α car trbui dtrat: d (10.) Nu und: λ [W/mK] st coficintul d conducţi trmică a fluidului în stratul limită; iar d [m ] - diamtrul xtrior al conducti [66]. critriul Rynolds (R) caractrizază rgimul d curgr al fluidului și rrzintă raortul dintr forțl d inrți și forțl d viscozitat: w l (10.3) c R und: w [m/s] st vitza d curgr a fluidului; υ [m /s] viscozitata cinmatică a fluidului; lc [m] - lungima caractristică (în cazul rților lani) sau diamtrul xtrior al conducti [66]. critriul Prandtl (Pr) - caractrizază roritățil fizic al fluidului și rrzintă raortul dintr distribuția vitzi și ca a tmraturii: Pr λ υ ρ c 58 (10.4) und: λ [W/mK] st coficintul d conducţi trmică a fluidului în stratul limită; ρ [kg/m 3 ] - dnsitata fluidului; c [J/kgK] - căldura scifică la rsiun constantă a fluidului [66]. Schimbul d căldură într un agnt trmic rimar și un altul scundar rin intrmdiul unui d țvi st un caz d transmitr a căldurii ds utilizat în ractica industrială. În roictara și vrificara schimbătoarlor d căldură car folossc astfl d d țvi, una dintr mărimil rincial car trbui dtrat st coficintul d convcți trmică α d la țvil ului la agntul scundar, coficint c intră în alcătuira rlații coficintului global d schimb d căldură k []. 10. Dscrira instalații și dsfășurara lucrării Instalația xrimntală ntru dtrara coficintului mdiu d transmitr a căldurii rin convcți trmică d la țvil unui la agntul trmic scundar, arul, st rzntată în figura Instalația s comun dintr-un vntilator cntrifugal antrnat d un motor lctric, car asiră arul din mdiul înconjurător și îl rfulază în rzrvorul tamon. P rzrvorul tamon st montată o riză d rsiun statică. Din rzrvorul tamon arul trc mai dart într-un canal aralliidic, car în tronsonul din mijloc ar montat un d țvi. csta st comus din țvi cu diamtrul xtrior d = mm și d lungim 1 = 50 mm. Disoziția țvilor în st în șichir, valoril asurilor transvrsal și longitudinal, rcum și dimnsiunil canalului, fiind dat in figura 10.. gntul trmic rimar, cu circulați intratubulară st înlocuit în instalați cu rzistnț lctric, introdus în intriorul țvilor și lgat la rțaua d nrgi lctrică rin intrmdiul unor born []. Vitza arului înaint și duă ul d țvi st acași. Ea s modifică numai în scțiuna imă d trcr. Pntru dtrara vitzi d circulați a arului duă ul d țvi, s utilizază

3 rmothnică Sintză lucrări d laborator un anmomtru cu cu. Instalația mai st rvazută cu două trmomtr cu lichid ntru măsurara tmraturii arului înaint d ul d țvi, rsctiv tmratura mdi din fascul. Duă vrificara instalații s un sub tnsiun motorul car antrnază vntilatorul și asigură circulația unui dbit d ar rin instalați. Fig Instalația xrimntală ntru dtrara coficintului d convcți trmică la un d țvi Cu ajutorul clati s stabilșt un anumit rgim d curgr al arului. În continuar, s un sub tnsiun rzistnțl lctric din țvil ului. Pntru rvnira accidntlor st obligatoriu ca manvrl să s fctuz în ordina atită mai sus. Duă stabilira unui rgim staționar d transfr d căldură s notază rsiuna statică a arului inaint d ul d țvi st, tmratura ta a arului înaint d și tmratura arului în tf []. Prsiuna baromtrică b s citșt d baromtrul aflat în dotara laboratorului. Mărimil citit s notază în tablul 10., fiind aoi transformat în SI. 59 Fig. 10. Paramtrii gomtrici ai ui d țvi Dnsitata arului înaint d s dtră cu rlația: N st b kg (10.5) N 3 a N m und: ρn st dnsitata arului în condiții normal, ρn=1,98 [kg/m 3 N]; N - tmratura la stara normală, N=73,15K; a [K] - tmratura arului înaint d ul d țvi; st [N/m ] - rsiuna statică a arului înaint d ul d țvi; b [N/m ] - rsiuna baromtrică; N - rsiuna arului în condiții normal, N=10135 N/m. Prsiuna dinamică a arului înaint d ul d țvi: w N (10.6) din m und: w [m/s] st vitza d dlasar a arului înaint / duă ul d țvi, ρ [kg/m 3 ] - dnsitata arului înaint d. Dnsitata arului din s dtră cu rlația: N st b kg (10.7) f N 3 f N m und: f [K] st tmratura mdi a arului din. ria scțiunii transvrsal a canalului: und: L=50 mm și l=30 mm. Ll m (10.8)

4 Lavinia SOCCIU, Oana GIURGIU ria scțiunii im d trcr a arului rin rzultă din figura 10.: Ll n d l m (10.9) und: n [-] st numărul d țvi din scțiuna transvrsală rin, n=3; d [m] - diamtrul xtrior al țvilor, d=mm. Vitza arului în scțiuna imă d trcr rin s dtră cu rlația: w w a f m / s (10.10) Dbitul masic d ar, car st vhiculat rin instalați și car st aclași atât înaint d ul d țvi cât și în scțiuna imă d trcr a arului rin, st dat d rlatia: m w w kg s (10.11) mratura dtrantă, utilizată în stabilira mărimilor car intră în comonnța critriilor d similitudin Nusslt (Nu), Rynolds (R) și Prandtl (Pr), st tmratura mdi din (tf). Proritățil arului uscat la rsiuna stării normal în funcți d tmratura mdi din s obțin din tablul abl 10.1 Proritățil arului uscat la rsiuna stării normal tf [ºC] λ [W/mK] υ [m /s] Pr [-] 5 0, , , ,041 15, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7000 Critriul Rynolds (R) s dtră cu ajutorul rlații: w d R (10.1) und: w [m/s] st vitza d curgr a arului în scțiuna imă d trcr rin ; υ [m /s] viscozitata cinmatică a fluidului; d [m] - diamtrul xtrior al conducti. Figura 10.3 rzintă dndnța coficintului C d rgimul d curgr. Dtrara critriul Nusslt ntru acst caz articular s fctuază utilizând rlația critrială: 0,61 0,31 Nu 0,3 C R Pr (10.13) und: C st un coficint a cărui valoar s obțin din figura Coficintul d convcți s dtră din rlația: W Nu d m K (10.14) Fig Dndnța coficintului C d rgimul d curgr 60

5 rmothnică Sintză lucrări d laborator 10.3 Prlucrara datlor şi rzultatl măsurătorilor Valoril măsurat s cntralizază în tablul 10. ntru ficar măsurătoar în art. csta vor fi aoi transformat în SI. Valoril calculat s vor cntraliza în tablul Nr. crt. abl 10. Valori măsurat ntru dtrara coficintului d convcți Mărima Simbol U.M. 1. Prsiuna baromtrică b Prsiuna statică a arului înaint d mratura arului înaint d mratura mdi a arului în Vitza arului înaint/ duă st ta a tf f w [mbar] [N/m ] [mmho] [N/m ] [ C] [K] [ C] [K] [m/s] Dtrara 1 3 abl 10.3 Mărimi calculat Nr. crt. Mărima Simbol U.M. Dtrara Dnsitata arului înaint d Prsiuna dinamică a arului înaint d ρ [kg/m 3 ] din [N/m ] 3. Dnsitata arului din ρf [kg/m 3 ] ria scțiunii transvrsal a canalului ria scțiunii im d trcr a arului rin Vitza arului în scțiuna imă d trcr rin [m ] [m ] w [m/s] 7. Dbitul masic d ar m [kg/s] 8. Coficintul d conductivitat trmică a arului λ [W/mK] 9. Viscozitata cinmatică a arului υ [m /s] 10. Critriul Prandtl Pr [-] 11. Critriul Rynolds R [-] 1. Coficintul C C [-] 13. Critriul Nusslt Nu [-] 14. Coficintul d convcți trmică α [W/m K] 61