ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΣΚΟΠΟΣ Ο προσδιορισμός του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας μεταλλικού υλικού και ο υπολογισμός του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U σύνθετου τοιχώματος. ΘΕΩΡΙΑ ύο επιφάνειες, διαφορετικών θερμοκρασιών, ιδίου υλικού, ευρισκόμενες σε άμεση επαφή με το παρεμβαλλόμενο μέταλλο, συνιστούν ένα σύνθετο τοίχωμα. Υποθέτοντας, ότι δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας από τα πλευρικά τοιχώματα, τότε η ροή θερμότητας είναι η ίδια σε κάθε τοίχωμα. Σύμφωνα με το νόμο Fourier, για κάθε τοίχωμα: T T A x x T x Επομένως, T T T x x x A A A x x x A T8 T T T8 U T T 8 A x x x
ATT U 8 x x x RA U όπου U ο συνολικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας και R η θερμική αντίσταση. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΚΕΥΗΣ Η μονάδα είναι κατάλληλα κατασκευασμένη για τη διερεύνηση των βασικών νόμων της μονοδιάστατης μετάδοσης θερμότητας με αγωγιμότητα διαμέσω ενός στερεού. Η μονάδα είναι εξαρτώμενη από μία κύρια συσκευή, για την τροφοδοσία της και τη μέτρηση των θερμοκρασιών. V, I 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 διάταξη θέρμανσης στο πάνω μέρος του, με μέγιστη ισχύ 65W στα 240V και με προστασία υπερθέρμανσης. C V I T T 2 T 3 T h Μπρούτζος Αλουμίνιο Τρία σταθερά θερμοζεύγη Τ, Τ2, Τ3 είναι τοποθετημένα κατά μήκος του θερμαινόμενου δοκιμίου, σε διαστήματα των 5mm. Νερό T 6 T 7 T 8 T c Μπρούτζος Το ψυχόμενο μέρος είναι επίσης κατασκευασμένο από μπρούτζο διαμέτρου 25mm, ο οποίος ψύχεται στο κάτω μέρος του με τη βοήθεια κυκλοφορίας νερού. Τρία σταθερά θερμοζεύγη Τ6, Τ7, Τ8 είναι τοποθετημένα κατά μήκος του ψυχόμενου δοκιμίου, σε διαστήματα των 5mm. Η παροχή του ύδατος ρυθμίζεται χειροκίνητα. Η διάταξη συνοδεύεται από τέσσερα διαφορετικά δοκίμια, προς τοποθέτηση μεταξύ της θερμαινόμενης και της ψυχόμενης επιφάνειας. ακτύλιοι τύπου Ο εξασφαλίζουν την ομοαξονική τοποθέτηση τους. 2
ΠΟΡΕΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Τοποθετείστε θερμο-αγώγιμη πάστα στις επιφάνειας της θερμαινόμενης και της ψυχόμενης διατομής και συσφίξτε τις δύο επιφάνειες, παρεμβάλλοντας μεταξύ τους το δοκίμιο από αλουμίνιο. Σχηματικά, η διάταξη αυτή απεικονίζεται όπως παρακάτω: Αφού βεβαιωθείτε ότι υπάρχει ροή ύδατος θέστε την τάση του θερμαντικού σώματος στα 50V. Εάν το νερό ψύξης έχει θερμοκρασία μεταξύ 25-35 C, τότε ίσως χρειαστεί να αυξήσετε την τάση ώστε να έχετε ικανοποιητική θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του ψυχόμενου και θερμαινόμενου άκρου. Παρακολουθείτε τις τιμές των θερμοκρασιών Τ, Τ2, Τ3, Τ6, Τ7, Τ8 και καταγράψτε στον Πίνακα αποτελεσμάτων τις τιμές τους, όταν σταθεροποιηθούν. Σημειώστε επίσης, τις τιμές της τάσης και έντασης του ρεύματος. Αυξήστε την τάση στο θερμαντικό σώμα κατά 50V και καταγράψτε στον Πίνακα αποτελεσμάτων τις ίδιες σταθεροποιημένες τιμές, όπως παραπάνω. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία μειώστε την τάση στα 0V. ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Μέτρηση Τ Τ2 Τ3 Τh Τc Τ6 Τ7 Τ8 V I C C C C C C C C Volt Amp - - 2 - - Απόσταση Από Τ 0.000 0.05 0.030 0.0375 0.0675 0.075 0.090 0.05 - - 3
Μέτρηση 2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ Κλίση U. T x x x U x AT T8 W K/m W/mK W/m 2 K W/m 2 K. εδομένα: ιάμετρος δοκιμίου αλουμινίου D=25mm Μήκος δοκιμίου αλουμινίου x=30mm Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας μπρούτζου: = =2 W/mK Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας αλουμινίου: 80 W/mK Μήκος μπρούτζινων δοκιμίων: x = x =37.5mm ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ. Να υπολογισθεί η ροή θερμότητας για κάθε μέτρηση. 2. Να παρασταθεί γραφικά η θερμοκρασία ως συνάρτηση της απόστασης των θερμοζευγών από το θερμοζεύγος Τ, για τις διαφορετικές τιμές ροής θερμότητας, στο ίδιο σύστημα αξόνων και να προσδιοριστούν, γραφικά, με βάση την εκάστοτε κλίση, οι τιμές του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του αλουμινίου, συμπληρώνοντας και τις αντίστοιχες στήλες του Πίνακα Υπολογισμών. 3. Να υπολογισθεί θεωρητικά η τιμή του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U (θεωρώντας ότι al =80W/mK), καθώς και με βάση τις πειραματικές μετρήσεις. 4. Να σχολιασθούν οι τιμές του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Που μπορεί να οφείλονται οι διαφορές μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών ( ιερεύνηση τιμών συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας με τη βοήθεια βιβλιογραφίας). 5. Ο μπρούτζος ή το αλουμίνιο είναι καλύτερος αγωγός της θερμότητας και γιατί; 4
Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Εργ. Μετάδοσης Θερμότητας ΙΙ Ονοματεπώνυμο: Ημ/νία: ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ α) Συμπληρώνεται ο Πίνακας Μετρήσεων. ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Μέτρηση Τ Τ2 Τ3 Τh Τc Τ6 Τ7 Τ8 V I C C C C C C C C Volt Amp 6.6 55.6 49.3 - - 36.6 30.2 25.5 35 0.6 2 92.5 82.5 72.4 - - 49.5 39.4 3. 90 0.23 Απόσταση Από Τ 0.000 0.05 0.030 0.0375 0.0675 0.075 0.090 0.05 - - β) Με βάσει τις τιμές του Πίνακα Μετρήσεων, συμπληρώνονται οι στήλες του Πίνακα Υπολογισμών. Μέτρηση 2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ Κλίση U. T x x x U x AT T8 W Κ/m W/mK W/m 2 K W/m 2 K. γ) Παραδείγματα Υπολογισμών 2
δ) Σχόλια 3