tcm-studiul experimental al transferului de caldura prin conductie

Upload: gmd28

Post on 08-Apr-2018

229 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    1/16

    1. Studiul experimental al transferului de cldur prin

    conducie

    Standul didactic prezentat n continuare este utilizat pentru studiereatransferului de cldur la conducie. Acesta permite determinarea fluxuluitermic ce trece prin materiale solide, determinarea distribuiei detemperatur printr-un perete plan, calculul rezistenei termice totale a unuiperete plan neomogen format din straturi perpendiculare pe direcia fluxuluitermic i determinarea conductivitii termice a unui metal. n figura 1.1 esteprezentat o vedere de ansamblu a instalaiei experimentale utilizat pentru

    studiul transferului de cldur prin conducie (standul experimental HT11 icentrala de achiziie HT10X).

    Fig. 1.1. Vedere de ansamblu a instalaiei experimentale

    Descrierea instalaiei

    Dispozitivul de msur al conduciei termice liniare (vezi figurile 1.2 i1.3) este compus dintr-o seciune de nclzire (1) i una de rcire (3) care potfi ataate n mod direct una de cealalt, sau cuplate cu ajutorul unor seciuniintermediare (2). Fiecare seciune intermediar este construit din diferitetipuri de metale, ceea ce permite formarea unui perete plan din acelai

    material, un perete plan cu seciuni transversale diferite (n cazul utilizriiseciunilor test din alam) sau perei compui din materiale diferite. Acestdispozitiv este montat pe o plac de PVC (13).

    Seciunea de nclzire este realizat dintr-o bar cilindric de alam cudiametrul de 25 mm, prevzut cu un element de nclzire la unul dincapete. Elementul de nclzire este alimentat la tensiune joas pentru aasigura protecia operatorului i este prevzut cu un termostat, pentru aprentmpina o eventuala supranclzire. Acesta este dimensionat s produc60 W la o tensiune de 24 Vc.c. Tensiunea de alimentare, deci i puterea,poate fi variat i msurat prin intermediul unitii de msur i control

    HT10XHT11

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    2/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator4

    (HT10X). De-a lungul seciunii de nclzire, la intervale constante de 15 mmsunt montate trei termocuple (T1, T2 i T3), destinate msurrii gradientuluide temperatur n lungul acesteia. Cordonul de alimentare a dispozitivuluide nclzire (15) este conectat la mufa de ieire c.c. marcat OUTPUT 3 aunitii HT10X.

    Fig. 1.2. Schema de principiu a instalaiei experimentale HT11

    Fig. 1.3. Schema de principiu a seciunii de msur

    Seciunea de rcire este de asemenea realizat dintr-o bar cilindric dealam cu acelai diametru cu al seciunii de nclzire (25 mm) i este rcit launul din capete cu ap ce trece prin canalele practicate n aceasta. De-alungul seciunii de rcire sunt montate trei termocuple (T6, T7 i T8) laintervale de 15 mm ntre ele, destinate msurrii gradientului de temperatur

    Q

    Q

    T1T2T3

    T4T5

    T6T7T8

    Ap rece

    xint

    U, I

    Seciunea cald

    Seciunea rece

    Seciunea test

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    3/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 5

    n lungul acesteia. Pentru a minimiza efectul fluctuaiilor presiunii dealimentare, seciunea rece este prevzut cu un regulator de presiune (7) iun filtru integrat. Reglarea debitului de ap rece se poate face prinintermediul valvei de control (4) n intervalul 01,5 litri/min. Alimentareacu ap rece a standului se face cu ajutorul unui furtun flexibil ce seconecteaz la tuul (6).

    Seciunile de nclzire, rcire i cele intermediare (ce pot fi reprezentatede discuri test de diferite materiale) sunt montate coaxial n interiorul unoranvelope de plastic. ntre anvelopele de plastic i seciunile metalice existun strat de aer ce asigur o izolare termic n vederea minimizrii pierderilorde cldur n mediul ambiant i asigur protecia operatorului fa de prile

    fierbini. Manonul de plastic este prevzut cu cleme metalice care permitmontarea seciunilor intermediare ntr-o singur poziie, asigurnd n acelaitimp i un contact net ntre suprafeele seciunilor vecine.

    Temperaturile sunt msurate prin intermediul termocuplelor de tip K,fiecare fiind prevzut cu o born (14) pentru conectarea direct ladispozitivul HT10X. Atunci cnd seciunea intermediar (seciunea test) estemontat, msurarea temperaturilor se face prin intermediul a opt termocuple.Sudura cald a termocuplelor este localizat n centrul fiecrei seciuni npoziii unghiulare diferite, pentru a minimiza perturbaiile ce pot apareasupra fluxului termic n lungul seciunii.

    Termocuplele celor trei seciuni sunt conectate la centrala de achiziiede tipul HT10X (fig. 1.4), care transform impulsul electric n temperatur,aceasta fiind afiat pe panoul frontal.

    Fig. 1.4. Centrala de achiziie date HT10X1) buton pornit/oprit; 2) poteniometru reglare tensiune; 3) comutator citire tensiune/curent;

    4) comutator citire temperaturi; 5) conexiuni termocuple.

    1

    3

    4

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    4/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator6

    Unitatea HT10X mai este prevzut cu dou display-uri pentru afiareatensiunii/curentului i a temperaturilor, prin acionarea comutatorilor 3 i 4.Pentru reglarea tensiunii de alimentare a rezistenei electrice, deci a puteriidisipate de sursa cald, se utilizeaz poteniometrul 2.

    Caracteristicile tehnice ale instalaiei

    Distanele dintre termocupleDistana dintre termocuplele T1i T3: x13 = 0,03 m;Distana dintre termocuplele T4i T5: x45 = 0,015 m;Distana dintre termocuplele T6i T8: x68 = 0,03 m;Distana dintre termocuplul T1i faa cald: xc = 0,0375 m;Distana dintre faa caldi cea rece: xi = 0,03 m;Distana dintre faa rece i termocuplul T8: xr= 0,0375 m;Diametrul seciunii transversale: D = 0,025 m (alam, OL, Al)

    D = 0,013 m (alam);Distana dintre oricare dou termocuple nvecinate: x = 0,015 m;Distana dintre T3, T4, T5 sau T6 i suprafeele de capt nvecinateacestora: xL = 0,0075 m.

    Conductivitile termice ale seciunilor test:Conductivitatea termic a alamei: a = 121 W/(mK);Conductivitatea termic a oelului inoxidabil: o = 25 W/(mK).

    Notaii i relaii de calcul

    U[V] tensiunea de alimentare;I[A] intensitatea curentului electric;T1 [C] temperatura superioar a seciunii calde;T2 [C] temperatura median a seciunii calde;T3 [C] temperatura inferioar a seciunii calde;T4 [C] temperatura superioar a seciunii test;T5 [C] temperatura inferioar a seciunii test;T6 [C] temperatura superioar a seciunii reci;

    T7 [C] temperatura median a seciunii reci;T8 [C] temperatura inferioar a seciunii reci;

    223

    3,TT

    TT cs

    = [C] temperatura pe faa cald a seciunii test;

    276

    6,TT

    TT rs

    += [C] temperatura pe faa rece a seciunii test;

    IUQ = [W] fluxul termic transmis;

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    5/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 7

    4

    2

    DA = [m2] aria seciunii transversale;

    31 TTTc = [K] diferena de temperatur pe seciunea cald;

    54 TTTi = [K] diferena de temperatur pe seciunea

    intermediar;

    86 TTTr = [K] diferena de temperatur pe seciunea rece;

    8118 TTT = [K] diferena de temperatur pe ntregul perete;

    rscs TTT ,,int = [K] cderea de temperatur n seciunea test;

    ccc AT

    Qx

    =

    13 [W/(mK)] conductivitatea termic a seciunii calde;

    iii

    AT

    Qx

    =

    45 [W/(mK)] conductivitatea termic a seciunii

    intermediare;

    rrr

    AT

    Qx

    =

    68 [W/(mK)] conductivitatea termic a seciunii reci;

    intint

    intint

    TA

    xQ

    = [W/(mK)] conductivitatea termic a seciunii test;

    r

    r

    i

    i

    c

    c

    I

    xxx

    R

    +

    +

    =)( [(m2

    K)/W] rezistena termic totalcalculat ca sum a rezistenelor termice ale straturilor;

    AQ

    TR II /

    18)(

    = [(m2K)/W] rezistena termic total calculat ca

    raportul dintre diferena de temperatur pe ntregulperete i fluxul termic unitar.

    Observaie : Ariile seciunilor transversale ale seciunilor cald i rece ( Ac i Ar) sunt

    egale cu aria seciunii discului test (A).

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    6/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator8

    1.1. Utilizarea ecuaiei generale a conduciei termice unidirecionale n

    regim permanent pentru determinarea fluxului termic prin materiale

    solide

    1.1.1. Scopul lucrrii

    Lucrarea permite determinarea fluxului termic ce trece prin materialesolide prin utilizarea ecuaiei generale a conduciei termice unidirecionalen regim permanent.

    1.1.2. Efectuarea lucrrii

    nainte de nceperea efecturii propriu-zise a lucrrii de laborator,trebuie asigurat pregtirea acesteia, care const n realizarea urmtoarelorsarcini:

    Introducei i fixai prin cele dou cleme laterale discul test dinalam (Brass 25 mm) ntre cele dou seciuni, cald i rece, aleaparatului HT11, aplicnd pe cele dou fee un strat subire de pasttermic de contact.

    Conectai cele 8 termocuple la aparatul HT11, asigurndcorespondena etichetelor de pe cele 8 cabluri cu cele de pe socluriledin aparat;

    Setai controlul de tensiune (VOLTAGE CONTROL) la valoareaminim i punei selectorul pe poziia MANUAL, dup careconectai elementul de nclzire al HT11;

    Verificai dac este asigurat alimentarea cu ap rece la intrarea nvalva de reglaj a presiunii de la HT11;

    Verificai dac furtunul de evacuare a apei reci este legat la canalulde evacuare;

    Verificai dac unitatea HT10 este conectat la reeaua electric de220 V.

    Demararea lucrrii se va face iniial prin acionarea comutatoruluiMains existent pe panoul unitii HT10.

    Deschidei alimentarea apei reci, reglnd debitul de ap rece laaproximativ 1,5 l/min.

    Reglai tensiunea elementului de nclzire la 12 V cu ajutorulpoteniometrul VOLTAGE CONTROL de pe panoul unitii HT10. Dupstabilizarea regimului de funcionare, citii temperaturile T1...T8, folosindcomutatorul existent pe panoul unitii HT10.

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    7/16

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    8/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator10

    Se va calcula conductivitatea termic medie a alamei pe ntregul

    cilindru( )

    =

    Km

    W

    ATT

    Qxm

    81

    18 i se va compara valoarea obinut cu

    cele trei valori rezultate pentru fiecare din cele trei seciuni ale cilindrului.Aceste valori trebuie s fie de aproximativ 121 W/(mK), care reprezintconductivitatea termic a alamei.

    1.1.3. Exemplu de calcul

    Pentru exemplificarea calculelor acestei lucrri, s-a realizat un set demsurtori pentru discul test de alam 25 mm. Rezultatele msurtorilor

    sunt prezentate n tabelul 1.2 i figura 1.5.

    Tabelul 1.2

    Centralizator pentru mrimile msurate i calculate(pentru discul test din alam 25 mm)

    Mrimi msurateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 U V 12 172 I A 1,22 1,733 T1 C 41,0 66,6

    4 T2 C 37,9 60,55 T3 C 34,2 53,36 T4 C 29,8 44,57 T5 C 27,0 38,98 T6 C 23,7 32,59 T7 C 20,9 26,6

    10 T8 C 18,2 21,3Mrimi calculate

    Nr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 Q W 14,6 29,42

    A m

    2

    4,910

    -4

    3 Tc K 6,8 13,34 c W/(mK) 131,4 135,35 Ti K 2,8 5,66 i W/(mK) 159,6 160,77 Tr K 5,5 11,28 r W/(mK) 162,5 160,7

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    9/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 11

    15

    25

    35

    45

    55

    65

    75

    85

    95

    10 30 50 70 90 110 130

    x [mm]

    T[C]

    12 V 17 V

    Fig. 1.5. Variaia temperaturii n lungul seciunii de msur

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    10/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator12

    1.2. Determinarea distribuiei de temperatur n cazul conduciei

    termice unidimensionale n regim permanent printr-un perete plan i

    calculul rezistenei termice totale a unui perete plan neomogen format

    din straturi perpendiculare pe direcia fluxului termic.

    1.2.1. Scopul lucrrii

    Lucrare are ca scop stabilirea distribuiei temperaturii i calcululrezistenei termice totale n cazul unui perete plan neomogen format din maimulte straturi dispuse perpendicular pe direcia de propagare a fluxuluitermic.

    1.2.2. Efectuarea lucrrii

    nainte de nceperea efecturii propriu-zise a lucrrii de laborator,trebuie asigurat pregtirea acesteia, care const n realizarea urmtoarelorsarcini:

    Introducei i fixai prin cele dou cleme laterale discul test din oelinoxidabil (Stainless Steel) ntre cele dou seciuni, caldi rece, aleaparatului HT11, aplicnd pe cele dou fee un strat subire de pasttermic de contact.

    Conectai cele 6 termocuple la aparatul HT11, asigurndcorespondena etichetelor de pe cele 6 cabluri cu cele de pe socluriledin aparat;

    Setai Controlul de tensiune (VOLTAGE CONTROL) la valoareaminim i punei selectorul pe poziia MANUAL, dup careconectai elementul de nclzire al HT11;

    Verificai dac este asigurat alimentarea cu ap rece la intrarea nvalva de reglaj al presiunii de la HT11;

    Verificai dac furtunul de evacuare a apei reci este legat la canalulde evacuare;

    Verificai dac unitatea HT10 este conectat la reeaua electric de

    220 V.

    Demararea lucrrii se va face iniial prin acionarea comutatoruluiMains existent pe panoul unitii HT10.

    Deschidei alimentarea apei reci, reglnd debitul de ap rece laaproximativ 1,5 l/min;

    Reglai tensiunea elementului de nclzire la 9 V cu ajutorulpoteniometrului VOLTAGE CONTROL de pe panoul unitii HT10;dup stabilizarea regimului de funcionare, citii temperaturile T1, T2, T3, T6,T7i T8, folosind comutatorul existent pe panoul unitii HT10.

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    11/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 13

    Reglai tensiunea elementului de nclzire la 12 V i citii, dupstabilizarea regimului de funcionare, temperaturile T1, T2, T3, T6, T7i T8.

    Rezultatele msurtorilor i calculelor vor fi prezentate pentru fiecareregim de lucru ntr-un tabel de forma tabelului 1.3.

    Tabelul 1.3

    Centralizator pentru mrimile msurate i calculateMrimi msurate

    Nr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 U V 9 12

    2 I A3 T1 C4 T2 C5 T3 C6 T6 C7 T7 C8 T8 C

    Mrimi calculateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 Q W

    2 A m23 T18 K4 R(I) (m2K) /W5 R(II) (m2K) /W

    Pentru o mai bun vizualizare a fenomenului studiat, se va trasa variaiatemperaturii n lungul cilindrului, cu delimitarea celor trei seciuni (cald,intermediari rece), pentru cele dou valori ale fluxului termic. Observaivariaia temperaturii pentru fiecare flux termic i verificai dac variaiilesunt liniare i dac gradientul de temperatur crete cu fluxul termic.

    Se va urmri variaia gradientului de temperatur prin stratul de oel(conductivitatea termic a oelului este mai mic dect cea a alamei).

    Se vor compara cele dou valori obinute pentru coeficientul global detransfer de cldur prin perete (k i k=1/R), n cazul utilizrii discului testdin alam.

    1.2.3. Exemplu de calcul

    Pentru exemplificarea calculelor acestei lucrri, s-a realizat un set demsurtori pentru discul test din oel inoxidabil. Rezultatele msurtorilorsunt prezentate n tabelul 1.4 i figura 1.6.

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    12/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator14

    Tabelul 1.4

    Centralizator pentru mrimile msurate i calculate(pentru discul test din OL inox)

    Mrimi msurateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 U V 9 122 I A 0,91 1,213 T1 C 55,4 86,34 T2 C 54,1 83,85 T3 C 52,3 80,86 T6 C 24,3 26,8

    7 T7 C 23,2 24,78 T8 C 22,5 23,3

    Mrimi calculateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 Q W 8,19 14,522 A m2 4,910-4

    3 T18 K 32,9 63,04 R(I) (m2K) /W 1,910

    -3 2,110-35 R(II) (m2K) /W 508,03 470,36

    15

    25

    35

    45

    55

    65

    75

    85

    95

    10 30 50 70 90 110 130

    x [mm]

    T[C]

    9 V 12 V

    Fig. 1.6. Variaia temperaturii n lungul seciunii de msur

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    13/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 15

    1.3. Determinarea conductivitii termice a unui metal

    1.3.1. Scopul lucrrii

    Lucrarea permite determinarea experimental a conductivitii termice aunui metal.

    1.3.2. Efectuarea lucrrii

    nainte de nceperea efecturii propriu-zise a lucrrii de laborator,trebuie asigurat pregtirea acesteia, care const n realizarea urmtoarelorsarcini:

    Introducei i fixai prin cele dou cleme laterale discul test dinaluminiu ntre cele dou seciuni (caldi rece) ale aparatului HT11,aplicnd pe cele dou fee un strat subire de past termic decontact.

    Conectai cele 6 termocuple la aparatul HT11, asigurndcorespondena etichetelor de pe cele 6 cabluri cu cele de pe socluriledin aparat;

    Setai Controlul de tensiune (VOLTAGE CONTROL) la valoareaminim i punei selectorul pe poziia MANUAL, dup careconectai elementul de nclzire al HT11;

    Verificai dac este asigurat alimentarea cu ap rece la intrarea nvalva de reglaj al presiunii de la HT11; Verificai dac furtunul de evacuare a apei reci este legat la canalul

    de evacuare; Verificai dac unitatea HT10 este conectat la reeaua electric de

    220 V.

    Demararea lucrrii se va face iniial prin acionarea comutatoruluiMains existent pe panoul unitii HT10;

    Deschidei alimentarea apei reci, reglnd debitul de ap rece laaproximativ 1,5 l/min.

    Reglai tensiunea elementului de nclzire la 9 V cu ajutorulpoteniometrului VOLTAGE CONTROL de pe panoul unitii HT10;dup stabilizarea regimului de funcionare, citii temperaturile T1, T2, T3, T6,T7i T8, folosind comutatorul existent pe panoul unitii HT10.

    Reglai tensiunea elementului de nclzire la 12 V i citii, dupstabilizarea regimului de funcionare, temperaturile T1, T2, T3, T6, T7i T8.

    Rezultatele msurtorilor i calculelor vor fi prezentate pentru fiecareregim de lucru ntr-un tabel de forma tabelului 1.5.

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    14/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator16

    Tabelul 1.5

    Centralizator pentru mrimile msurate i calculateMrimi msurate

    Nr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 U V 9 122 I A3 T1 C4 T2 C5 T3 C6 T6 C7 T7 C

    8 T8 CMrimi calculate

    Nr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 Q W2 A m23 Ts,c C4 Ts,r C5 Tint K6 int W/(mK)

    Se vor compara valorile obinute pentru conductivitatea termic la celedou valori ale fluxului termic.Se va reprezenta grafic variaia temperaturii n lungul cilindrului, cu

    delimitarea celor trei seciuni (cald, intermediari rece), pentru cele douvalori ale fluxului termic. Temperaturile pe suprafeele cald i rece alematerialului testat se obin prin extrapolarea variaiilor de temperatur ncele dou seciuni ale aparatului.

    Se va urmri variaia temperaturii pentru fiecare flux termic i se vaverifica dac variaiile sunt liniare i dac gradientul de temperatur cretecu fluxul termic.

    Se va urmri variaia gradientului de temperatur n aluminiu(conductivitatea termic a aluminiului este mai mare dect a alamei).

    Se vor compara valorile calculate pentru conductivitatea termic aseciunii intermediare din aluminiu la cele dou valori ale fluxului termic,att ntre ele ct si cu valoarea real a conductivitii termice a aluminiului(235 W/(mK)).

    De asemenea, se va calcula conductivitatea termic a aluminiului pebaza gradientului de temperatur obinut din grafic i se compar aceastvaloare cu cea stabilit anterior.

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    15/16

    Studiul experimental al transferului de cldur prin conducie 17

    1.3.3. Exemplu de calcul

    Pentru exemplificarea calculelor acestei lucrri, s-a realizat un set demsurtori pentru discul test de aluminiu. Rezultatele msurtorilor suntprezentate n tabelul 1.6 i figura 1.7.

    Tabelul 1.6

    Centralizator pentru mrimile msurate i calculate(pentru discul test din aluminiu)

    Mrimi msurateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1U V 9 122 I A 0,9 1,2

    3 T1 C 47,4 59,44 T2 C 45,4 56,55 T3 C 43,1 53,06 T6 C 26,7 29,27 T7 C 24,7 26,38 T8 C 23,3 24,2

    Mrimi calculateNr.crt. Mrimea U.M. Valoarea

    1 Q W 8,1 14,42 A m2 4,910-43 Ts,c C 41,9 51,24 Ts,r C 27,7 30,65 Tint K 14,2 20,66 int W/(mK) 34,9 42,8

    15

    25

    35

    4555

    65

    75

    85

    95

    10 30 50 70 90 110 130

    x [mm]

    T[

    C]

    9 V 12 V

    Fig. 1.7. Variaia temperaturii n lungul seciunii de msur

  • 8/7/2019 TCM-Studiul Experimental Al Transferului de Caldura Prin Conductie

    16/16

    Transfer de cldur ndrumar de laborator18