Ćwiczenie 12 Lab TMC Badania RadiatoraPDF, SIMR, V, lab termodynamiki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->Z. Nagórski. Ćwiczenie laboratoryjne nr 12:Badania eksperymentalne i symulacyjne przepływu ciepła w modelu radiatoraOpracował: dr inż. Zdzisław NagórskiĆwiczenie laboratoryjne nr 12:BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE PRZEPŁYWUCIEPŁA W MODELU RADIATORAA.WprowadzeniePodzespoły silników cieplnych wymagają mniej lub bardziej intensywnego chłodzeniaw celu zachowania wymaganej temperatury eksploatacyjnej elementów i czynników robo-czych. Przepływ ciepła między medium roboczym (np. spaliny, sprężone powietrze, olejesmarujące, płyny chłodzące) a otoczeniem (zwykle powietrze) odbywa się poprzez ściankielementów silnika. Ścianki te mogą mieć powierzchnie „gładkie” lub – najczęściej – jed-nostronnie użebrowane. Użebrowanie stanowi zasadniczą część radiatora cieplnego i służycelowej intensyfikacji przepływu ciepła między dwoma czynnikami o różnych temperatu-rach. Najczęściej radiator jest tak ukształtowany, że powierzchnia „cieplejsza” jest znacz-nie mniejsza od powierzchni „zimniejszej”. Ilość ciepła przepływającego przez pojedynczeżebro zależy przede wszystkim od właściwości termofizycznych jego materiału, po-wierzchni żebra kontaktującej się z płynem, różnicy temperatury między płynami i szybko-ści ich przepływu.B.Cel ćwiczeniaCelem ćwiczenia o charakterze eksperymentalno - symulacyjnym jest poznanie i analizaprocesu przepływu ciepła w modelu radiatora (pojedyncze żebro) oraz czynników decydu-jących o intensywności tego procesu. Badania eksperymentalne rozkładu temperatury napowierzchni żebra w wybranych stanach cieplnych zostaną wykorzystane w modelu symu-lacyjnymustalonegoprzepływu ciepła w radiatorze i będą podstawą do wyznaczeniadwuwymiarowego pola temperatury w przekroju poprzecznym radiatora oraz innych wiel-kości cieplnych, charakteryzujących badany proces. Wyznaczone w tym przekroju poletemperatury będzie podstawą do analizy przepływu ciepła w modelu radiatora.C.Stanowisko do badania temperatury powierzchni radiatoraNa rys. 1 pokazano strukturę stanowiska do eksperymentalnych badań przepływu ciepław modelu radiatora. Stanowisko składa się z (rys. 1a):- obiektu badanego, którym jest pojedyncze żebro radiatora wykonane z kawałka sta-lowego teownika. Żebro jest usytuowane w poziomie i może być chłodzone powie-trzem w sposób naturalny lub wymuszony wentylatorem,- zespołu grzałek zasilanych z autotransformatora o regulowanej mocy, które ogrzewa-ją płaską, tylną powierzchnię żebra (teownika). Pomiar prąduIi napięciaUzasilają-cego grzałki jest podstawą do obliczenia mocy elektrycznejNeldostarczanej do grza--1-Z. Nagórski. Ćwiczenie laboratoryjne nr 12:Badania eksperymentalne i symulacyjne przepływu ciepła w modelu radiatorałek z zależnościNel[W ]U[V ]I[ A ](1)Zakłada się, że izolacja cieplna grzałek jest tak dobra, że starty ciepła do otoczeniamożna zaniedbać. Oznacza to, że strumień ciepła przepływający przez żebroQ[W]jest równy mocy elektrycznejNeldoprowadzonej do grzałek,- wentylatora, który pozwala zmieniać intensywność chłodzenia powietrzem pozosta-łych powierzchni żebra,a)ŻebroTermoelementy Fe-Konst.Grzałki10GTył żebra9GAutotransformatorI(A)8G7G6G5G4G3G2G1G0SFe220 VU(V)8D9D10D7D6D5D4D3D2D1DPowietrzeTotTermoelementy Fe-Konst.Izolacja cieplnab)10GTermoelementyFe-Konst.Termostat „zimnych”końcówModel żebra w ExceluPC9G8G7G6G5G4G3G2G1G0S8D9D7D6D5D4D3D2D1DFeTiTotmVUi[mV]Ti[K]10DSpoiny „gorące”Rys. 1. Schemat stanowiska do badania przepływu ciepła w modelu żebra:a) struktura blokowa stanowiska,b) wielopunktowy układ pomiaru temperatury na powierzchni żebra- wielopunktowego układu pomiaru temperatury (rys. 1b), który umożliwia pomiartemperatury wipunktach (nazwanych tu obserwacyjnymi), położonych na chłodzo-nych powietrzem powierzchniach żebra. Układ ten składa się zi= 21 termopar typuFe – Konstantan (stop niklu i chromu), których wspólną masą elektryczną jest mate--2-Z. Nagórski. Ćwiczenie laboratoryjne nr 12:Badania eksperymentalne i symulacyjne przepływu ciepła w modelu radiatorariał żebra. Dziesięć termopar znajduje się na górnych (symbol G) powierzchniach że-bra (termopary oznaczone symbolami 1G -10G), kolejne 10 - na dolnych (symbol D)powierzchniach żebra (1D - 10D), a jedna termopara umieszczona jest w osi żebra(0S, symbol S). W punktach pomiaru temperatury złącza drutu konstantanowegoi materiału żebra (żelazo Fe) tworzą spoiny „gorące” termopar, których „zimne” koń-ce są termostatowane w temperaturze otoczeniaTot. W warunkach ustalonej wymianyciepła, różnice temperatur „gorących” i „zimnych” końców każdej zi= 21 termopargenerują napięcia termoelektryczneUi, które kolejno odczytuje się z miliwoltomie-rza mV. Po uwzględnieniu charakterystyki napięciowej termopary Fe – Konst. napię-cia te są przeliczane na lokalne nadwyżki temperaturyTipowierzchni żebra ponadtemperaturę otoczeniaTotwg zależnościTiTiTotktUi(2)gdziektjest współczynnikiem charakterystyki napięciowej termopary Fe-Konst.W niewielkim zakresie zmian tempereatury charakterystykę tę można przyjąć jako li-niową; wówczas wartośćkt0,05 mV/K,- komputera PC, z dwuwymiarowym modelem symulacyjnym ustalonego przepływuciepła w żebrze. W modelu, osadzonym w środowisku MS Excel, wykorzystuje sięzmierzone na powierzchni żebra temperaturyTi. Model symulacyjny przepływu cie-pła w żebrze, z tak określonymi temperaturami na powierzchni żebra (są to tzw. wa-runki brzegowe Dirichleta), pozwala wyznaczyć ustalone pole temperatury w we-wnątrz przekroju poprzecznego żebra, przy wykorzystaniu iteracyjnej metody KM3R[2].D.Krótkie repetytorium z wymiany ciepła[1,3]Strumień ciepłaQ[W] przepływający przez izotropową ścianę o powierzchniFjest -zgodnie z prawem Fouriera (rys. 2a) – wprost proporcjonalny do ujemnego gradientu tem-peratury. Prawo to stosuje się do przepływu ciepła w substancjach, których cząsteczki niemogą się przemieszczać; przepływ ciepła odbywa się tu głównie za pośrednictwem swo-bodnych elektronów i fononów (drgania oscylacyjne atomów).Prawo Fouriera(nazywanetakże prawem przewodzenia ciepła) wyraża równanieQFq FT2T1gFT1T2g(3)gdzie:T1iT2(tuT1>T2) – temperatury izotermicznych powierzchni zewnętrznych ścianyo grubościg,[W/(m K)] – współczynnik przewodzenia ciepła, który dla różnych materiałówtechnicznych może przyjmować wartości od ok. 0,001 do ok. 400 W/(m K),2q[W/m ] – powierzchniowa gęstość strumienia ciepła.Należy wyjaśnić, że izotermy są powierzchniami lub liniami o takiej samej temperatu-rze, a adiabaty (doskonała izolacja cieplna) powierzchniami lub liniami, przez które nieprzepływa ciepło. W dowolnym ciele, przez które przepływa ciepło, powierzchnie (lublinie) izotermiczne są zawsze prostopadłe do powierzchni (lub linii) adiabatycznych-3-Z. Nagórski. Ćwiczenie laboratoryjne nr 12:Badania eksperymentalne i symulacyjne przepływu ciepła w modelu radiatora(o takich powierzchniach lub liniach mówi się, że są ortogonalne lub harmonicznie sprzę-żone). W materiale żebra przepływ ciepła odbywa się przez przewodzenie.Ciepło przepływające wewnątrz żebra dopływa do jego powierzchni zewnętrznychi jest odbierane przez płyn (tu powietrze). Zjawisko wymiany ciepła między powierzchniąciała a płynem (lub między płynem i powierzchnią ciała) - nazywane konwekcyjnymprzejmowaniem ciepła - występuje w substancjach, których cząsteczki mogą się prze-mieszczać swobodnie lub w sposób wymuszony. Taką cechę mają ciecze i gazy (nazywanepłynami). W płynach, przy powierzchni ciała tworzy siętermiczna warstwa przyścienna(rys. 2b), w której przepływ ciepła podlegaprawu Newtona.Prawo to (nazywane prawemkonwekcyjnego przejmowania ciepła) głosi, że strumień ciepłaQprzejmowany przezpłyn od ściany (przy założeniuTs>Tpł) jest wprost proporcjonalny do różnicy temperaturyściankiTsi płynuTpłpoza termiczną warstwą przyścienną. Prawo to wyraża równanie(4)QαF q F α(TsTpł)gdzie:Q[W] – strumień ciepła przejmowany przez płyn od powierzchniF,[W/(m2K)] – współczynnik przejmowania ciepła, zależny od parametrów ter-micznych i hydrokinetycznych płynu w termicznej warstwie przyściennej; możeprzyjmować wartości od 0 do kilku tysięcy W/(m2K).a)T[K]b)T[K]PŁYNFŚCIANAT1FTsQT2QTpłgx[m]Termiczna warstwa przyściennaRys. 2. Poglądowe modele wymiany ciepła przez:a) przewodzenie (prawo Fouriera),b) przejmowanie (prawo Newtona)Termiczna warstwa przyścienna powstaje w płynie przy powierzchni ściany, a jej gru-bość wyznacza miejsce, od którego temperatura płynu zaczyna zależeć od odległości odściany (rys. 2b) – prawo Newtona obowiązuje tylko w termicznej warstwie przyściennej.-4-Z. Nagórski. Ćwiczenie laboratoryjne nr 12:Badania eksperymentalne i symulacyjne przepływu ciepła w modelu radiatoraPodczas ustalonej wymiany ciepła, strumień ciepła przepływający przez dowolną po-wierzchnięFciała stałego (prawo Fouriera) jest równy strumieniowi ciepła przejmowane-mu przez termiczną warstwę przyścienną (prawo Newtona) płynu. Tak więc, strumień cie-pła dostarczany do tylnej powierzchni żebra przez grzałki elektryczne o mocyNel(przyzaniedbaniu upływu ciepła przez izolator grzałek), spełniający równanie(5)NelQ Qprzepływa przez żebro (Q) i jest przejmowany przez powietrze (Q) od pozostałych po-wierzchni żebra głównie przez konwekcję (radiację można tu zaniedbać), zgodnie z pra-wem Newtona. Przy ustalonej mocy grzałki, lokalne temperatury na powierzchni żebrazależą od intensywności odbioru ciepła przez powietrze, która m. in. zależy od szybkościprzepływu powietrza nad powierzchniami żebra.Na powierzchniach każdego modelu cieplnego zadawane są warunki brzegowe wymia-ny ciepła, zależne od sposobu definiowania parametrów termicznych na tych powierzch-niach. Rozróżnia się cztery rodzaje warunków brzegowych wymiany ciepła, z którychw modelu żebra wykorzystano dwa, tj.:- I rodzaju (nazywane także warunkami brzegowymi Dirichleta), które wymagająpodania wartości temperaturyTina powierzchniach obiektuTiT(xb,yb,zb)(6)- II rodzaju (nazywane także warunkami brzegowymi Neumanna), które wymagająpodania powierzchniowej gęstości strumienia ciepłaqina powierzchniach obiektu qiq( xb, yb, zb)(7)gdziexb,yb,zbsą współrzędnymi punktów na tych powierzchniach.Prawa Fouriera i Newtona oraz przyjęte w modelu warunki brzegowe wymiany ciepłamają podstawowe znaczenie przy opisie analitycznym i budowie dyskretnego modelu sy-mulacyjnego wymiany ciepła między żebrem i otoczeniem.E.Opis modelu ustalonego przepływu ciepła w żebrzeDwuwymiarowy model symulacyjny ustalonego przepływu ciepła w żebrze zbudowanow arkuszu kalkulacyjnym MS Excel przy pomocy metody KM3R [2]. Symulacyjny modelcieplny żebra znajduje się w pliku (skoroszycie) o nazwieModel radiatora.xls.Skoroszytz modelem symulacyjnym zawiera arkusze o nazwach:- Model cieplny żebra,w którym znajduje się dyskretny model obliczeniowy żebra,- Wykres pola temperatury,w którym znajduje się - aktualizowany po kolejnych ite-racjach - wykres pola temperatury w żebrze.W arkuszuModel cieplny żebraw polu prostokąta J13:CL79 znajduje się dwuwymia-rowy model geometryczny i obliczeniowy żebra, zbudowanego z kwadratowych elementówdyskretnych, którym przypisano komórki arkusza. W komórkach modelu wykorzystywanesą zależności analityczne właściwe dla ustalonej wymiany ciepła. W komórkach modeluznajdują się formuły wewnętrzne (komórki jasnoniebieskie), formuły brzegowe linioweDirichleta (komórki ciemnożółte) i Neumanna (komórki brązowe) oraz narożnikowe: Diri-chleta-Dirichleta (komórki fioletowe), Dirichleta – Neumanna (komórki szare) i Neumanna-5-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]