Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
Transcript of Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
1/18
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
2/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator46
Fig. 3.2. Schema de principiu a instalaiei experimentale
Un element de nclzire electric, realizat dintr-un conductor de cupru,este plasat orizontal ntr-o volum de lichid de R141b, aflat ntr-o camervertical cilindric din sticl. Temperatura conductorului de cupru estemsurat cu un termocuplu, valoarea acesteia fiind afiat cu ajutorul unuiindicator numeric de temperatur. Puterea electric necesar nclziriiconductorului electric este vizualizat prin intermediul unui wattmetrunumeric (max. 600 W). Dac temperatura conductorului din cupru depeteo anumit valoare prestabilit (160C), o protecie incorporat n indicatorul
de temperatur oprete alimentarea cu energie electric.La extremitatea superioar a camerei din sticl se gsete
condensatorul, realizat sub forma unei evi solenoidale (nickelate) din cupru,prin care circul apa de rcire. Se realizeaz astfel condensarea vaporilorprodui prin fierberea lichidului la partea inferioar a camerei de sticl,condensatul format fiind returnat pentru re-evaporare. O supap de siguraneste montat n zona condensatorului pentru evacuarea vaporilor n cazulunei presiuni mai mari de 240 kN/m2 (2,4 bar).
Pentru msurarea debitului de ap la condensator este utilizat un aparatde tip rotametru cu domeniul de msur de 0 12 g/s. Temperaturile apei laintrarea i ieirea din condensator (t
4, t
5) sunt msurate prin intermediul a
dou termometre din sticl cu coloan de mercur (0 50 C).Pentru determinarea temperaturilor celor dou faze (lichid i vapori)
existente n vasul de sticl (t2, t3) se folosesc dou termometre din sticl cumercur (-10 +100 C).
Msurarea presiunii vaporilor de freon din condensator este realizat cuajutorul unui manometru cu domeniul de msur -100 250 kN/m2.
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
3/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 47
Caracteristicile tehnice ale instalaiei
Suprafaa de nclzire:Lungimea util: L= 42 mm;Diametrul: D = 12,7 mm;Aria suprafeei: A = 0,0018 m2.
Condensatorul:Aria suprafeei: S = 0,032 m2;Lungimea desfurat a evii: Lt= 1604 mm;Diametrul exterior al evii: De= 6,35 mm;Diametrul interior al evii: Di = 4,93 mm;Raza medie de curbur a unei spire: R = 40 mm;Grosimea peretelui evii: = 0,71 mm;Conductivitatea termic a materialului evii: = 32 W/(mK).
Fluidul de lucru :Diclor-1-fluoretan (R141b), CCl2F-CH3.
Camera de sticl:Diametrul interior = 80 mm;Lungimea = 300 mm;Volumul = 0,0015 m3;Nivelul lichidului trebuie s depeasc cu cel puin 5 mm nivelulelementului de nclzire.
Notaii i relaii de calcul:
t1 [C] temperatura elementului de nclzire;t2[C] temperatura lichidului;t3[C] temperatura vaporilor;t4 [C] temperatura apei la intrarea n condensator;t5[C] temperatura apei la ieirea din condensator;t = t1t2 diferena de temperatur metal/lichid (perete/fluid la
saturaie);
=
52
4245
lntt
tt
tttmed diferena medie logaritmic de temperatur din
condensator;
tsat[C] temperatura la saturaie;psat[bar] presiunea la saturaie;m [g/s] debitul de ap din condensator;Q [W] fluxul transmis la fierbere (puterea electric disipat n
elementul de nclzire);
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
4/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator48
( )45
ttcmQpaa
= , fluxul termic preluat de apa din condensator;
cpa = 4180 J/(kgK) cldura specific a apei;
ap QQQ = [W] fluxul termic pierdut n mediul ambiant;
A
QqS = [W/m
2] fluxul termic unitar de suprafa;
med
as
tS
Qk
= [W/(m2K)] coeficientul global de transfer de cldur
de suprafa la condensator.
nainte de nceperea lucrrilor se verific: conectarea racordului de alimentare cu ap; corespondena dintre presiunea i temperatura fluidului i valorile
acestora din tabelele pentru R141b la saturaie; dac aceastcoresponden nu este realizat, n instalaie exist aer care trebuieevacuat prin intermediul supapei prevzute la nivelulcondensatorului;
existena legturii la mas pentru conexiunea electric.
Prima operaie const n alimentarea cu energie electric a instalaiei iverificarea corespondenei dintre valoarea afiat de indicatorul numeric detemperatur cu cea indicat de termometrul din sticl aflat n lichid (t1).
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
5/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 49
3.1. Vizualizarea tipurilor de transfer termic la fierberea n volum mare(la convecie natural)
3.1.1. Scopul lucrrii
Lucrarea urmrete vizualizarea modurilor de transfer de cldur ncazul fierberii n volum mare (fierberea nucleic, fierberea pelicular itranziia ntre cele dou).
3.1.2. Efectuarea lucrrii
Reglai puterea electric a nclzitorului (fluxul termic transferatlichidului) i debitul de ap din condensator la valori reduse (Q < 20 W).Lsai s se stabilizeze valoarea indicatorului numeric de temperatur,urmrind n acelai timp temperatura lichidului.
Privii atent lichidul din vecintatea nclzitorului. Putei observacurenii convectivi. n acelai timp se observ lichidul care cade sub formde picturi de pe serpentina condensatorului, ceea ce nseamn c procesulde vaporizare a nceput.
Mrii treptat puterea electric, meninnd presiunea vaporilor la ovaloare constant prin reglarea (mrirea) debitului de ap din condensator.Se observ apariia fierberii nucleice prin activarea centrelor de nucleaie
(fig. 3.3) i intensificarea acesteia o dat cu mrirea puterii elecrice (fig 3.4).Diferenele de temperatur ntre metal i lichid sunt moderate, avnd valorimai mici dect, aproximativ, 20 C.
Fig. 3.3. Activarea centrelor de nucleaie
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
6/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator50
Fig. 3.4. Fierberea nucleic
La o valoare a puterii electrice cuprins n intervalul 300-400 W (nfuncie de presiunea stabilit n instalaie), suprafaa de nclzire se acopercu un film de vapori; deci, pentru acest flux termic, procesul de transfertermic a devenit fierbere n film. n acelai timp, temperatura elementului denclzire crete substanial, deoarece coeficientul de transfer termic se
micoreaz. Pentru meninerea acestui regim este necesar micorareaputerii electrice (pn la la aproximativ 40 W) i, n acelai timp, reducereadebitului de ap la condensator.
Fig. 3.5. Tranziia dintre fierberea nucleici cea n film
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
7/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 51
Micornd n continuare puterea electric vei constata c la o diferende temperatur ntre suprafaa elementului de nclzire i lichid, deaproximativ, 80 C fierberea ncepe s-i recapete aspectul nucleic.
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
8/18
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
9/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 53
3.2.3. Exemplu de calcul
Mrimi msurate:
-fluxul transmis la fierbere: Q = 65 W;
- temperatura elementului de nclzire: t1 = 49 C;
- temperatura de saturaie a R141b: t2 = 37 C.
Mrimi calculate:
-fluxul termic unitar de suprafa:
410611,30018,0
65=== A
Qqs W/m
2
;
-diferena de temperatur metal/lichid:
12374921 === ttt C;
-coeficientul de transfer de cldur de suprafa:
)/(3)/(300912
10611,3 224
KmkWKmWt
qs=
=
= .
10
100
1000
10 100 1000
t [oC]
qs[kW/m
2]
Fig. 3.6. Dependena qs= f(t) exemplu
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
10/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator54
0,01
0,1
1
10
10 100 1000
t [oC]
[kW/m
2K]
Fig. 3.7. Dependena = f(t) exemplu
n urma aplicrii regresiei liniare pentru primele cinci puncte alegraficelor, s-au obinut urmtoarele valori ale constantelor:
a = 3,43410-4; b = 4,6381; A = 3,42910-4; B = 3,6386.
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
11/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 55
3.3. Stabilirea dependenei fluxului critic de presiunea de saturaie
3.3.1. Scopul lucrrii
Lucrarea urmrete stabilirea relaiei de dependen dintre fluxul critici presiunea de saturaie.
3.3.2. Efectuarea lucrrii
Metodologia este similar celei prezentate n lucrrile anterioare, darreglarea puterii electrice i a debitului de ap la condensator trebuie realizatcu mare grij pentru a stabili ct mai exact tranziia de la fierberea nucleicla cea pelicular pentru diverse presiuni.
Rezultatele msurtorilor se vor trece ntr-un tabel de tipul tabelului3.2:
Tabelul 3.2Rezultatele msurtorilor pentru determinarea fluxului critic
Mrimi
msurate
Mrimi
calculate
psat[bar]
Q[W]
qcr[kW/m2]
Se va reprezenta grafic variaia fluxului critic cu presiunea de saturaie,ca n fig. 3.8, prezentat ca exemplu.
qcr = 7,1667psat + 178,86
0
50
100
150
200
250
300
0.65 0.8 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
psat [bar]
qcr[k
W/m
2]
Fig. 3.8. Influena presiunii de saturaie asupra fluxului termic critic exemplu
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
12/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator56
3.4. Stabilirea coeficientului global de schimb de cldur n condensator(ntre vaporii de agent frigorific i apa de rcire)
3.4.1. Scopul lucrrii
Lucrarea urmrete determinarea coeficientului global de schimb decldur din condensator, ntre vaporii agentului frigorific i apa de rcire.
3.4.2. Efecuarea lucrrii
Pentru aceast lucrare se va folosi un set de valori obinute n lucrarea 2(n regim constant).
Mrimi msurate:- Debitul de ap: m [kg/s];- Temperatura apei la intrarea n condensator: t4 [C];- Temperatura apei la ieirea din condensator: t5 [C];- Temperatura de saturaie a R141b: t2 [C];- Fluxul termic transmis la fierbere: Q [W].
Mrimi calculate: Fluxul termic preluat de ap n condensator:
( )45 ttcmQ paa = [W]; (3.3)
Pierderile de cldur n mediul ambiant se calculeaz ca diferenadintre fluxul termic transmis la fierbere (puterea electric) i fluxultermic preluat de apa din condensator:
ap QQQ = [W]; (3.4)
Coeficientul global de transfer de cldur de suprafa dincondensator:
med
as tS
Q
k = [W/(m2
K)], (3.5)
unde:
=
52
42
45
lntt
tt
tttmed [C] este diferena medie logaritmic
de temperatur n condensator.
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
13/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 57
3.4.3. Exemplu de calcul
Mrimi msurate:-debitul de ap: m = 5,510-3 kg/s;- temperatura apei la intrarea n condensator: t4 = 20,5 C;- temperatura apei la ieirea din condensator: t5 = 25,0 C;- temperatura de saturaie a R141b: tsat= t2 = 29,0 C;-fluxul termic transmis la fierbere: Q =124 W.
Mrimi calculate:-fluxul termic preluat de ap n condensator:
( ) ( ) 1045,200,254180105,5 345 ===
ttcmQ paa W;
-pierderile de cldur n mediul ambiant:
20104124 === ap QQQ W;
-diferena medie logaritmic de temperatur n condensator:
97,5
2529
5,2029ln
5,2025
ln52
42
45=
=
=
tt
tt
tttmed C;
-coeficientul global de transfer de cldur din condensator
38,54497,5032,0
104=
=
=
med
as
tS
Qk W/(m2K).
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
14/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator58
3.5. Stabilirea dependenei dintre presiune i temperatur lasaturaie, pentru R141b
3.5.1. Scopul lucrrii
Lucrarea are ca scop stabilirea dependenei dintre presiune itemperatur la saturaie, la fierberea agentului frigorific R141b.
3.5.2. Efectuarea lucrrii
Se alimenteaz instalaia cu energie electric, reglnd fluxul termic lafierbere la aproximativ 200 W. Debitul de ap din condensator este reglat lanivel maxim i cnd condiiile sunt stabile se citesc cei doi parametri(temperatura i presiunea la saturaie). Se reduce debitul de ap dincondensator i se repet msurtorile (n regim stabilizat) pentru o presiunemai mare. Se procedeaz la fel i pentru alte debite de ap. Se traseaz apoigraficul de variaie a presiunii funcie de temperatura la saturaie, psat=f(tsat).
Temperatura la saturaie corespunde valorii indicate de termometrul t2.
3.5.3. Exemplu de calcul
Pe baza mrimilor msurate, se traseaz curba psat=f(tsat), care se vacompara cu cea real obinut pentru valorile din anexa 3.2. Pentru a
evidenia diferenele dintre valorile msurate i cele reale, se vor determinai erorile maxime relative procentuale. Un exemplu n acest sens, esteprezentat n figura 3.9.
0.91
1.11.21.31.41.5
1.61.71.81.9
22.12.22.3
30 40 50tsat [C]
psat[bar]
Valori masurate Tabel proprietati 5%
Fig. 3.9. Variaia presiunii cu temperatura la saturaie - exemplu
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
15/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 59
Ecuaia de variaie a presiunii cu temperatura la saturaie, obinut dinanexa 3.2, printr-o regresie de tip exponenial, este:
2423,10428,00001,0 += satsat
tt
sat ep [bar]. (3.6)
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
16/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator60
Anexa 3.1. Diagrama presiune - entalpie pentru agentul frigorific R141b
Fi
g.3.10.Diagramapresiune-entalpiepentrufreonulR141b
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
17/18
Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere 61
Anexa 3.2. Proprietile agentului frigorific R141b pe curba de saturaie
Temperatura
(C)
Presiunea
(bar)
Densitatea
lichidului
(kg/m3)
Densitatea
vaporilor
(kg/m3)
Entalpia
lichidului
(kJ/kg)
Entalpia
vaporilor
(kJ/kg)
10 0,4351 1263 2,207 211,3 444,515 0,5341 1254 2,671 217,0 448,020 0,6503 1244 3,208 222,7 451,425 0,7857 1234 3,826 228,4 454,830 0,9425 1224 4,534 234,2 458,335 1,1230 1214 5,339 240,1 461,7
40 1,3290 1204 6,250 246,0 465,145 1,5630 1194 7,278 251,9 468,650 1,8280 1184 8,432 257,8 472,055 2,1270 1173 9,723 263,8 475,460 2,4610 1163 11,16 269,9 478,865 2,8350 1152 12,76 276,0 482,270 3,2490 1141 14,53 282,1 485,675 3,7080 1130 16,49 288,3 488,980 4,2140 1119 18,65 294,6 492,3
-
8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere
18/18
Transfer de cldur ndrumar de laborator62