Studiul experimental al transferului de cldur la fierbere

1. Scopul lucrrii

Scopul lucrrii este de a studia procesul de transfer de cldur la fierberea convectiv, nucleic i n film pentru freonul R141b. Lucrarea permite determinarea experimental a fluxului termic unitar de suprafa i a coeficientul de convecie la temperatur constant. Se poate stabilii n acelai timp i variaia temperaturii cu presiunea la saturaie. De asemenea se poate studia condensarea n film cu determinarea coeficientului global de schimb de cldur la condensare.

2. Descrierea instalaiei experimentale

Instalaia experimental i elemente componente ale acesteia sunt prezentate n figura 1, iar schema de principiu a standului experimental n figura 2.

Fig. 1. Schema instalaiei experimentale

Fig. 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 camer vertical cilindric din sticl. Temperatura conductorului de cupru este msurat printr-un termocuplu, valoarea acesteia fiind afiat cu ajutorul unui indicator numeric de temperatur. Puterea electric necesar nclzirii conductorului electric este vizualizat prin intermediul unui wattmetru numeric (max. 600 W). Dac temperatura conductorului din cupru depete o anumit valoare prestabilit (160 C), 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 vaporilor produi prin fierberea lichidului aflat la partea inferioar a camerei de sticl, lichidul format fiind returnat pentru re-evaporare. O supap de siguran este montat la condensator pentru evacuarea vaporilor n cazul unei presiuni mai mari de 240 kN/m2 (2,4 bar).

Pentru msurarea debitului de ap la condensator este utilizat un aparat de tip rotametru cu domeniul de msur de 0 12 g/s. Temperaturile apei la intrarea i ieirea din condensator sunt msurate prin intermediul a dou termometre din sticl cu coloan de mercur (0 50 C).

Dou termometre din sticl cu mercur (-10 +100 C) sunt utilizate de asemenea pentru determinarea temperaturilor celor dou faze (lichid i vapori) existente n vasul de sticl.

Msurarea presiunii freonului din condensator este realizat cu ajutorul unui manometru (-100 250 kN/m2).

Caracteristicile tehnice ale instalaiei sunt: Dimensiunile suprafeei de nclzire:

Lungimea util: L= 42 mm Diametrul: D = 12,7 mm Aria suprafeei: A = 0,0018 m2 Dimensiunile condensatorului:

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: = 32 W/(mK)

Fluidul de lucru: Diclor-1-fluoretan (R141b), CCl2F-CH3

Camera de sticl: Diametrul intern = 80 mm Lungimea = 300 mm Volumul = 0,0015 m3 Cantitatea de fluid din camera de sticl:

Nivelul de lichid nu trebuie s coboare cu mai mult de 50 mm sub elementul de nclzire.

Notaii:

t1 = temperatura elementului de nclzire, C; t2 = temperatura lichidului, C; t3 = temperatura vaporilor, C; t4 = temperatura apei la intrarea n condensator, C; t5 = temperatura apei la ieirea din condensator, C; tsat = temperatura la saturaie, C; t = t1-t2, diferena de temperatur metal/lichid (perete/fluid

la saturaie);

=

52

42

45med

tttt

ln

ttt diferena medie logaritmic de

temperatur din condensator, C; psat = presiunea la saturaie, bar; m = debitul de ap din condensator, g/s;

Q = fluxul transmis la fierbere (puterea electric disipat n elementul de nclzire), W;

( )45paa ttcmQ = , fluxul termic preluat de apa din condensator, W;

cpa = 4180 J/(kgK), cldura specific a apei;

ap QQQ = , fluxul termic pierdut n mediul ambiant, W;

AQqS = , fluxul termic unitar de suprafa, W/m2;

4D

10mw2i

a

3

=

, viteza apei n condensator, m/s;

a = 1000 kg/m3, densitatea apei;

med

as tS

Qk = , coeficientul global de transfer de cldur de suprafa la condensator, W/(m2K).

sei

l k2DDk += , coeficientul global de transfer de cldur

liniar la condensator, W/(mK).

3. Modul de lucru

nainte de demararea lucrrii trebuie verificate urmtoarele: racordul de alimentare cu ap este conectat; presiunea i temperatura fluidului corespund valorilor din tabelele

pentru R141b la saturaie; n caz contrar exist aer n instalaie care trebuie evacuat prin intermediul supapei prevzute la nivelul condensatorului;

exist legtura la mas pentru conexiunea electric.

Prima operaie const n demararea alimentrii cu energie electric. Trebuie verificat totodat dac valoarea indicatorului numeric de temperatur corespunde celei a termometrului din sticl montat pentru determinarea temperaturii fazei lichide de R141b.

3.1 Vizualizarea modurilor fundamentale de transfer de cldur la fierbere

Realizai alimentarea cu energie electric i ap, meninndu-le reglate

la nivele coborte (< 20 W). Lsai s se stabilizeze valoarea indicatorului numeric de temperatur, urmrind n acelai timp temperatura lichidului.

Privii atent lichidul din vecintatea nclzitorului. Putei observa curenii convectivi i n acelai timp lichidul sub form de picturi care cade de pe serpentina condensatorului, ceea ce nseamn c procesul de vaporizare a nceput.

Cretei puterea electric, meninnd presiunea vaporilor la o valoare constant prin ajustarea debitului de ap din condensator. Se creeaz astfel condiiile pentru apariia fierberii nucleice.

Prin mrirea n continuare a puterii electrice, ntre 300 i 400 W, natura fierberii se va schimba radical, ca i diferena ntre temperatura metalului i cea a lichidului. Transferul termic se va diminua n continuare iar nivelul debitul apei din condensator trebuie redus pentru a avea o presiune de condensare stabil. Puterea electric trebuie redus la aproximativ 40 W. Un examen atent al suprafeei nclzitorului ne va arta c aceasta este acoperit de o pelicul practic nentrerupt de vapori, ceea ce va conduce la reducerea intensitii transferului termic. Puterea electric trebuie cobort n final la zero. Vom constata c n timp ce diferena de temperatur metal/lichid scade la aproximativ 80 K, fierberea devine brusc important n timp ce fierberea pelicular revine la cea nucleic.

Exemplu :

Fig. 3. Activarea centrelor de nucleaie

Fig. 4. Fierberea nucleic

Fig. 5. Tranziia dintre fierberea nucleic i cea n film

3.2 Determinarea fluxului termic i a coeficientului de transfer de cldur de suprafa la presiune (temperatur) constant

Fixai puterea electric la aproximativ 50 W i ajustai debitul de ap

din condensator pn ce se atinge presiunea de condensare dorit. Notai puterea electric, presiunea vaporilor, temperatura lichidului i temperatura metalului. Cretei puterea electric pn la aproximativ 100 W i reglai debitul de ap din condensator pentru obinerea presiunii dorite i atunci cnd este stabil, ateptai 5 minute i rencepei observaiile.

Repetai msurtorile pentru diverse trane de putere electric pn ce se atinge tranziia dintre fierberea nucleic i cea pelicular. Ajustnd atent acest punct, este posibil o evaluare precis a condiiilor critice. Cnd fierberea pelicular este stabilit, puterea electric trebuie redus i citirile trebuiesc realizate pn ce temperatura metalului atinge valoare de 160 C. Rezultatele msurtorilor se vor trece n tabelul 1. Se va reprezenta grafic (n coordonate logaritmice) variaia fluxului termic unitar de suprafa i a coeficientului de transfer termic de suprafa cu diferena de temperatur metal/lichid (t) la presiune constant.

Tabel 1

Rezultatele msurtorii la p=ct. Mrimi msurate Mrimi calculate

Q [W]

t1 [C]

t2 [C]

qS [kW/m2]

t [C]

[kW/m2K]

Pentru poriunile liniare a curbelor qS = f(t) i = f(t) se vor

identifica constantele regresiilor (a, b, A i B) :

( ) ( ) ( )tlgbalgqlgtaq SbS +== ( ) ( ) ( )tlgBAlglgtA B +==

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: 2/ mkWAQqs =

- diferena de temperatur metal/lichid:

Cttt = 21 - coeficientul de transfer de cldur de suprafa:

)/( 2KmkWt

qs=

3.3 Influena presiunii asupra fluxului critic

Metodologia este similar celei prezentate anterior, dar reglarea puterii

electrice i a debitului de ap la condensator trebuie realizat cu mare grij pentru a stabili ct mai exact tranziia de la fierberea nucleic la cea pelicular pentru diverse presiuni.

Rezultatele msurtorilor se vor trece ntr-un tabel de tipul celuia prezentat n tabelul 2. Se va reprezenta grafic variaia fluxului critic cu presiunea de saturaie.

Tabel 3 Rezultatele msurtorilor pentru determinarea fluxului critic

Mrimi msurate

Mrimi calculate

psat [bar]

Q [W]

qcr [kW/m2]

Mrimi msurate:

- presiunea de saturaie a R141b: psat [bar]

- fluxul transmis la fierbere: Q [W]

Mrimi calculate:

- fluxul termic unitar de suprafa critic:

2/ mkWAQqcr =

3.4 Condensarea pelicular

Condensarea pelicular poate fi observat pe suprafaa exterioar a

serpentinei condensatorului. n continuare se va prezenta metodologia de calcul a coeficientului

global de schimb de cldur de suprafa ntre vaporii de agent frigorific i apa de rcire i a coeficientului de transfer de cldur la condensare.

Se regleaz fluxul termic i debitul de ap ce trece prin condensator pn cnd presiunea de condensare i cantitatea de condens devin constante. n momentul n care condiiile sunt stabile, se noteaz debitul de ap din condensator, temperaturile de intrare i ieire a apei din condensator i temperatura de saturaie a R141b.

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:

( ) [ ]WttcmQ 45paa = Pierderile de cldur n mediul ambiant se calculeaz ca diferena

dintre fluxul termic transmis la fierbere (puterea electric) i fluxul termic preluat de apa din condensator:

[ ]WQQQ ap = Coeficientul global de transfer de cldur de suprafa din

condensator:

= Km

WtS

Qk 2med

as

unde: [ ]Ctttt

ln

ttt

52

42

45med

= este diferena medie logaritmic de

temperatur n condensator. Viteza de curgere a apei

]s/m[

4D

mwSwm

a

2i

aacaa

==

Regimul de curgere al apei

a

aiaa

DwRe =

n care proprietile apei se determin pentru temperatura medie din

condensator ( [ ]C2

ttt 54a += ).

Se definesc urmtoarele numere Reynolds limit [1]:

RDi

4,16Re' = 28,0

R2d18500Re"

=

cu ajutorul crora se delimiteaz urmtoarele trei domenii de curgere a fluidului n serpentin:

- Rea < Re: curgerea este laminar fr apariia circulaiei secundare; coeficientul de convecie se determin utiliznd relaia Sieder-Tate pentru calculul conveciei forate monofazice la curgerea laminar prin evi [1].

- Re < Rea < Re: curgerea este laminar cu circulaie secundar, coeficientul de convecie determinndu-se cu formulele lui Miheev sau Petuhov pentru calculul conveciei forate monofazice la curgerea turbulent prin evi [1].

- Rea > Re: curgerea este turbulent cu circulaie secundar; coeficientul de convecie se stabilete cu formulele lui Miheev sau Petuhov pentru curgerea turbulent [1], multiplicnd membrul drept cu un factor de corecie r pentru schimbarea direciei de curgere a fluidului dat de relaia:

RD8,11 ir +=

Coeficientul de transfer de cldur prin convecie la condensare:

=

KmW

DDln

21

D1

k1D

12

i

e

aile

c

Calculul se poate repeta i pentru alte debite ale apei de rcire, alte temperaturi ale apei de rcire i alte fluxuri termice transmise la fierbere.

3.5 Variaia presiunii cu temperatura la saturaie

Fig.

10.

Dia

gram

a Pr

esiu

ne -

Enta

lpie

pen

tru fr

eonu

l R14

1b

Raportul dintre presiunea i temperatura la saturaie se poate stabili

pn la un maxim de 220 kN/m2. Se alimenteaz instalaia cu energie electric, ajustndu-se fluxul termic la fierbere la aproximativ 200 W. Debitul de ap din condensator este reglat la nivel maxim i cnd condiiile sunt stabile se demareaz citirea celor doi parametri. Se reduce debitul de ap din condensator i se repet msurtorile pentru o presiune mai mare. Se traseaz apoi graficul presiune de saturaie = f(temperatura de saturaie).

Temperatura la saturaie corespunde valorii indicate de termometrul t2. Ecuaia de variaie a presiunii cu temperatura la saturaie, obinut

printr-o regresie de tip exponenial din tabelul 5, este:

]bar[ep 2423,1t0428,0t0001,0sat satsat+=

Tabel 5 Proprietile pe curba de saturaie ale freonului R141b

Tempertura (C)

Presiunea (bar)

Densitatea lichidului (kg/m3)

Densitatea vaporilor (kg/m3)

Entalpia lichidului (kJ/kg)

Entalpia vaporilor (kJ/kg)

10 0,4351 1263 2,207 211,3 444,5 15 0,5341 1254 2,671 217,0 448,0 20 0,6503 1244 3,208 222,7 451,4 25 0,7857 1234 3,826 228,4 454,8 30 0,9425 1224 4,534 234,2 458,3 35 1,1230 1214 5,339 240,1 461,7 40 1,3290 1204 6,250 246,0 465,1 45 1,5630 1194 7,278 251,9 468,6 50 1,8280 1184 8,432 257,8 472,0 55 2,1270 1173 9,723 263,8 475,4 60 2,4610 1163 11,16 269,9 478,8 65 2,8350 1152 12,76 276,0 482,2 70 3,2490 1141 14,53 282,1 485,6 75 3,7080 1130 16,49 288,3 488,9 80 4,2140 1119 18,65 294,6 492,3

Bibliografie: [1] tefnescu, D., .a. Transfer de cldur i mas. Teorie i aplicaii.

Editura Didactic i Pedagogic Bucureti, 1983