Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere

8/7/2019 Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere

1/18


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.


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);


4/18


( )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).


5/18


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


6/18


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


7/18


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.


8/18


9/18


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


10/18


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.


11/18


3.3. Stabilirea dependenei fluxului critic de presiunea de saturaie


Lucrarea urmrete stabilirea relaiei de dependen dintre fluxul critici presiunea de saturaie.


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


12/18


3.4. Stabilirea coeficientului global de schimb de cldur n condensator(ntre vaporii de agent frigorific i apa de rcire)


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.


13/18



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).


14/18


3.5. Stabilirea dependenei dintre presiune i temperatur lasaturaie, pentru R141b


Lucrarea are ca scop stabilirea dependenei dintre presiune itemperatur la saturaie, la fierberea agentului frigorific R141b.


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.


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


15/18


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)


16/18


Anexa 3.1. Diagrama presiune - entalpie pentru agentul frigorific R141b

Fi

g.3.10.Diagramapresiune-entalpiepentrufreonulR141b


17/18


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


18/18


Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere

Documents

Transcript of Studiul Experimental Al Transferului de Caldura La Fierbere