Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχεδιασμός: Δρ. Δημήτρης Κουλλάς.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχεδιασμός: Δρ. Δημήτρης Κουλλάς."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχεδιασμός: Δρ. Δημήτρης Κουλλάς Επιμέλεια: Δρ. Ευαγγελία Παντατοσάκη ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Γ. ΦΟΥΝΤΟΥΚΙΔΗΣ ΔΡ. ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΟΛΟΓΟΣ

2 Δεύτερο Θερμοδυναμικό Αξίωμα Δεν μπορεί να μεταφερθεί θερμότητα από σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας σε σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας, χωρίς κατανάλωση έργου. Τρεις τρόποι μετάδοσης της θερμότητας Αγωγή (Conduction) Μεταφορά ή συναγωγή (Convection) Ακτινοβολία (Radiation)

3 Bασική εξίσωση μετάδοσης θερμότητας με αγωγή όπου Q = θερμότητα, kcal t = χρόνος, s = ροή θερμότητας, kcal/s K = συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, kcal/s ·m² · (°C/m) S = επιφάνεια κάθετη στη ροή θερμότητας, m² θ = θερμοκρασία, °C l = μήκος, m Νόμος του Fourier:

4 Μόνιμες συνθήκες λειτουργίας Θ 1 > Θ 2 Θ1Θ1 Θ2Θ2 21 S ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας, kcal/(s·m 2 ) Θ 1 > Θ 2 Θ1Θ1 Θ2Θ2 21 S Θ1Θ1 Θ2Θ2 ρευστό στερεό Στην επιφάνεια υπάρχει προσκολλημένο ένα ακίνητο στρώμα αέρα που προκαλεί μεγάλη αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας ( οριακό στρώμα ή οριακή στοιβάδα αέρα ). Μετάδοση θερμότητας διαμέσου του οριακού στρώματος

5 Θερμικές Απώλειες Θ1Θ1 Θ2Θ2 Θ3Θ3 Θ4Θ4 Μετάδοση θερμότητας διαμέσου τοιχώματος lσlσ l1l1 l2l2 K1K1 K2K2 KσKσ

6 Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα ομοίωμα οικίας με δύο γυάλινα παράθυρα διαστάσεων 20 Χ 20 cm και πάχους 0,5 cm. Στο εσωτερικό της οικίας λειτουργεί λαμπτήρας ισχύος Ρ = 40 Watt. Θεωρούμε ότι τα τοιχώματα της οικίας είναι πλήρως μονωμένα, οπότε η θερμότητα διαφεύγει μόνο διαμέσου των παραθύρων. Μετρούμε τις θερμοκρασίες στο εσωτερικό της οικίας (θ 1 ), στο εσωτερικό τοίχωμα του γυαλιού (θ 2 ), στο εξωτερικό τοίχωμα του γυαλιού (θ 3 ), και στο περιβάλλον (θ 4 ). Ζητούνται να υπολογιστούν τα : Κ ολ, l 1, l 2, Κ σ. Θερμικές Απώλειες – 1 Ο ΠΕΙΡΑΜΑ

7 Είναι Ρ = 40 W = 40 J/s = 40 · kJ/s. Για να μετατρέψουμε τα kJ σε kcal χρησιμοποιούμε τον συντελεστή μετατροπής a = 0,24 kcal/kJ. Άρα Ρ=dQ/dt= a∙40∙10 -3 kJ/s = 0,24 kcal/kJ∙40∙10 -3 kJ/s = 9,6∙10 -3 kcal/s. Η επιφάνεια δια μέσου της οποίας διέρχεται η θερμική ροή είναι S = 2∙20∙20 cm 2 ή S = 800∙10 -4 m 2. Άρα τελικά βρίσκεται ότι η ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας είναι: 0,12 kcal/(s·m 2 ) Θερμικές Απώλειες – 1 Ο ΠΕΙΡΑΜΑ

8 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α Θ 2 =σταθερή θ 1,εξ θ 1,ει σ Ασυνεχής λειτουργία : Η μάζα του θεωρούμενου ρευστού στο συγκεκριμένο χώρο δεν ανανεώνεται. Μπορεί να υπάρχει ή όχι ανάδευση του ρευστού, αλλά δεν υπάρχει είσοδος και έξοδος ρευστού. Συνεχής λειτουργία : Η μάζα του θεωρούμενου ρευστού στο συγκεκριμένο χώρο ανανεώνεται. Υπάρχει συνεχώς είσοδος νέου ρευστού και έξοδος.

9 ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ – 2 ο ΠΕΙΡΑΜΑ dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α Επιλέγω ένα ρευστό που θα αποτελεί τη βάση των υπολογισμών. Το ρευστό αυτό το ονομάζω ρευστό αναφοράς και το χαρακτηρίζω σαν ρευστό 1. Το άλλο ρευστό είναι το ρευστό 2. Καμπύλη λειτουργίας : Είναι η σχέση που σε κάθε χρονική στιγμή δίνει τη θερμοκρασία του δεύτερου ρευστού (ρευστό 2), συναρτήσει της θερμοκρασίας του ρευστού 1 που αποτελεί τη βάση των υπολογισμών : θ 2 = f (θ 1 )

10 dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α Ρυθμίζουμε την θερμοκρασία στο υδατόλουτρο σε θ 2 =50°C. Μετράμε την εσωτερική (d εσ ) και εξωτερική διάμετρο (d εξ ) του πλαστικού κυλινδρικού δοχείου και την εκφράζουμε σε μέτρα. Γεμίζουμε το πλαστικό κυλινδρικό δοχείο με νερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αφήνοντας περιθώριο 2-3 mm από τα χείλη του δοχείου, και μετράμε το ύψος h του νερού μέσα στο δοχείο. ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ – 2 ο ΠΕΙΡΑΜΑ

11 dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α Μεταφέρουμε το νερό σε ογκομετρικό κύλινδρο του ενός λίτρου και με αυτό τον τρόπο βρίσκουμε τον όγκο V του νερού στο πλαστικό κυλινδρικό δοχείο. Μεταφέρουμε το νερό πάλι από τον ογκομετρικό κύλινδρο στο πλαστικό δοχείο, τοποθετούμε μέσα το μαγνητικό αναδευτήρα, κλείνουμε το δοχείο και περνάμε από την οπή που υπάρχει στο καπάκι το θερμόμετρο. ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ – 2 ο ΠΕΙΡΑΜΑ

12 dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α και όπου : θ 1s : θερμοκρασία του ρευστού 1 στην αρχή, °C θ 1f : θερμοκρασία του ρευστού 1 στο τέλος, °C S 1 : η επιφάνεια του στερεού που διαχωρίζει τα δύο ρευστά και διαμέσου της οποίας γίνεται η εναλλαγή. Αφορά την επιφάνεια που εφάπτεται του ρευστού 1, m 2. Κ ολ1 : ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, υπολογισμένος με βάση το ρευστό 1, Kcal/ s∙m 2 ∙ °C Απαιτούμενος χρόνος για ορισμένη θερμοκρασιακή μεταβολή του ρευστού 1 από θ 1s σε θ 1f

13 Πρόκειται για ασυνεχή λειτουργία με ρευστό αναφοράς (ρευστό 1) το νερό στο εσωτερικό του πλαστικού κυλινδρικού δοχείου. Το ρευστό 2 είναι το νερό στο υδατόλουτρο που έχει σταθερή θερμοκρασία θ 2 =50 °C. H καμπύλη λειτουργίας δίνεται από την εξίσωση θ 2 = 50. Ο ολικός χρόνος t ΟΛ έχει καταγραφεί. Επίσης έχουν καταγραφεί τα θ 1s και θ 1f Απαιτούμενος χρόνος για ορισμένη θερμοκρασιακή μεταβολή του ρευστού 1 από θ 1s σε θ 1f Η μάζα του νερού m 1 μέσα στο πλαστικό κυλινδρικό δοχείο είναι εύκολο να υπολογισθεί σε kg αφού ο όγκος του V έχει μετρηθεί και η πυκνότητα του νερού ρ βρίσκεται από πίνακες (m 1 =V∙ρ). Επίσης η ειδική θερμότητα του νερού C p1 λαμβάνεται από πίνακα. Η επιφάνεια εναλλαγής S 1 είναι η εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια του πλαστικού δοχείου, S 1 = π∙d εσ ∙h σε m 2. dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α

14 η μονάδα εναλλαγής (μοναδιαίος χρόνος), sec ο αριθμός μονάδων εναλλαγής, αδιάστατος Απαιτούμενος χρόνος για ορισμένη θερμοκρασιακή μεταβολή του ρευστού 1 από θ 1s σε θ 1f Ο υπολογισμός του ολοκληρώματος μπορεί να γίνει από τον τύπο: = dεξ hdεσ Θ1Θ1 Θ 2 =σταθερή R 220 V α

15 d 1 =d εσ, d 2 =d εξ, l σ =(d εξ -d εσ )/2 και d M =(d 1 +d 2 )/2 Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του πλαστικού λαμβάνεται Κ σ =6∙10 -5 Kcal/s∙m 2 ∙(°C/m). Επίσης οι συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας του νερού λαμβάνονται από πίνακες. Απαιτούμενος χρόνος για ορισμένη θερμοκρασιακή μεταβολή του ρευστού 1 από θ 1s σε θ 1f Αν θεωρήσουμε ότι τα οριακά στρώματα του νερού μέσα στο πλαστικό δοχείο (l 1 ) και στο υδατόλουτρο (l 2 ) είναι ίσα μεταξύ τους (l 1 = l 2 ) μπορούμε από την σχέση να υπολογίσουμε το πάχος τους (l 1 = l 2 = l). Ισχύει:

16 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

17 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Επιλέγω ένα ρευστό που θα αποτελεί την βάση των υπολογισμών. Το ρευστό αυτό το ονομάζω ρευστό αναφοράς και το χαρακτηρίζω σαν ρευστό 1. Το άλλο ρευστό είναι το ρευστό 2. Συνεχής λειτουργία : Η μάζα του θεωρούμενου ρευστού ανανεώνεται. Υπάρχει συνεχώς είσοδος νέου ρευστού και έξοδος. Το σύστημα εξετάζεται σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας (steady state conditions). Τότε οι θερμοκρασίες, σε ορισμένη θέση, παραμένουν σταθερές και δεν μεταβάλλονται χρονικά.

18 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα αναδευόμενο υδατόλουτρο (βλ. Σχήμα 5), όπου το νερό διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία πχ. θ 2 = 50 °C. Στο υδατόλουτρο είναι βυθισμένος ένας καμπυλωμένος χάλκινος σωλήνας συνολικού μήκους L με εσωτερική διάμετρο d εσ και εξωτερική διάμετρο d εξ. Μέσα στον χάλκινο σωλήνα κυκλοφορεί με παροχή m (Kg/s) νερό (ρευστό αναφοράς), που εισέρχεται σε θερμοκρασία θ 1,εισ. Το νερό εξέρχεται από το σωλήνα σε θερμοκρασία θ 1,εξ. Ζητείται να υπολογιστεί ο ολικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας Κ ολ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

19 η μονάδα εναλλαγής (μοναδιαίο μήκος), m ο αριθμός μονάδων εναλλαγής (φορές), αδιάστατος ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

20 m 1 : μάζα ρευστού 1, Kg S D : επιφάνεια δια μέσου της οποίας ρέει καθέτως το ρευστό 1, m 2 S 1 : επιφάνεια εναλλαγής, που εφάπτεται στο ρευστό 1, m 2 C p1 : ειδική θερμότητα ρευστού 1, kcal/kg∙°C ρ 1 : πυκνότητα ρευστού 1, kg/m 3 Κ ΟΛ1 : ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, υπολογισμένος με βάση το ρευστό 1, kcal/s∙m 2 ∙°C d 1 : η διάμετρος του σωλήνα, που δια μέσου του τοιχώματός του γίνεται η εναλλαγή θερμότητας και εφάπτεται στο ρευστό 1. l : μήκος σωλήνα, m : μαζική παροχή ρευστού 1, Kg/s ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

21 Θ 2 =σταθερή θ 1,εξ θ 1,εισ Πειραματική διάταξη για τη μελέτη της μετάδοσης θερμότητας σε συνεχή λειτουργία. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

22 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ Ρυθμίζουμε την θερμοκρασία στο υδατόλουτρο σε θ 2 =50°C. Μετράμε την εσωτερική (d εσ ) και εξωτερική διάμετρο (d εξ ) του χάλκινου σωλήνα με παχύμετρο και την εκφράζουμε σε μέτρα. Συλλέγουμε το νερό στην έξοδο σε ογκομετρικό κύλινδρο και με τη χρήση χρονομέτρου μετράμε τον χρόνο (t) που απαιτείται, για να εκρεύσει ορισμένος όγκος νερού (V). Έτσι μπορούμε να υπολογίσουμε την παροχή του νερού m (kg/s) που διέρχεται από το σωλήνα. Μετράμε τις θερμοκρασίες στην είσοδο του νερού στο σωλήνα (θ 1,εισ ο C) και στην έξοδο (θ 1,εξ ο C). Όταν η θερμοκρασία στη έξοδο του νερού σταθεροποιηθεί, το σύστημα έχει αποκαταστήσει σταθερές συνθήκες λειτουργίας (steady state conditions). Tότε καταγράφονται οι θερμοκρασίες θ 1,εισ ο C και θ 1,εξ ο C. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

23 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Πρόκειται για συνεχή λειτουργία με ρευστό αναφοράς (ρευστό 1) το νερό που ρέει στο εσωτερικό του χάλκινου σωλήνα. Το ρευστό 2 είναι το νερό στο υδατόλουτρο που έχει σταθερή θερμοκρασία θ 2 =50 °C. Για να βρούμε την καμπύλη λειτουργίας δεν απαιτείται ισοζύγιο ενέργειας. Είναι προφανές ότι η καμπύλη λειτουργίας δίνεται από την εξίσωση θ 2 = 50. Αντικαθιστούμε στην σχέση όλα τα γνωστά μεγέθη: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

24 Το απαιτούμενο μήκος του σωλήνα (l) είναι γνωστό. Επίσης έχουν καταγραφεί τα θ 1,εισ (θερμοκρασία του νερού στην είσοδο στο σύστημα εναλλαγής θερμότητας) και θ 1,εξ (θερμοκρασία του νερού στην έξοδό του από το σύστημα εναλλαγής θερμότητας). Το d 1 είναι η εσωτερική διάμετρος του χάλκινου σωλήνα. Η μαζική παροχή του νερού (m 1 ) σε kg/s, υπολογίζεται από την σχέση Η ειδική θερμότητα του νερού είναι C p =1,0 kcal/kg· ο C. Επίσης μπορούμε να υπολογίσουμε το ολοκλήρωμα από τον τύπο (14). Έτσι από την σχέση (11) υπολογίζουμε το Κ ολ1. V:ο όγκος του νερού που συλλέγεται στον ογκομετρικό κύλινδρο, m 3 ρ :η πυκνότητα του νερού, 1000 kg/m 3 t : ο χρόνος που αντιστοιχεί στον όγκο V, σε sec m 1 :μαζική παροχή του νερού (ρευστό 1), kg/s ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

25 Ρυθμίζουμε την θερμοκρασία στο υδατόλουτρο σε θ 2 =50°C. Μετράμε την εσωτερική (d εσ ) και εξωτερική διάμετρο (d εξ ) του πλαστικού κυλινδρικού δοχείου και την εκφράζουμε σε μέτρα. Γεμίζουμε το πλαστικό κυλινδρικό δοχείο με νερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αφήνοντας περιθώριο 2-3 mm από τα χείλη του δοχείου, και μετράμε το ύψος h του νερού μέσα στο δοχείο. Μεταφέρουμε το νερό σε ογκομετρικό κύλινδρο του ενός λίτρου και με αυτό τον τρόπο βρίσκουμε τον όγκο V του νερού στο πλαστικό κυλινδρικό δοχείο. Μεταφέρουμε το νερό πάλι από τον ογκομετρικό κύλινδρο στο πλαστικό δοχείο, τοποθετούμε μέσα το μαγνητικό αναδευτήρα, κλείνουμε το δοχείο και περνάμε από την οπή που υπάρχει στο καπάκι το θερμόμετρο. Απαιτούμενος χρόνος για ορισμένη θερμοκρασιακή μεταβολή του ρευστού 1 από θ 1s σε θ 1f

26 Βυθίζουμε το πλαστικό κυλινδρικό δοχείο στο υδατόλουτρο. Ρυθμίζουμε την μαγνητική ανάδευση. Αρχίζει η μέτρηση του χρόνου ταυτόχρονα με την καταγραφή της αρχικής θερμοκρασίας του νερού θ 1s στο εσωτερικό του πλαστικού δοχείου. Kαταγράφουμε τον ολικό χρόνο t ΟΛ σε sec που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού στο εσωτερικό του πλαστικού κυλινδρικού δοχείου κατά 10 °C.


Κατέβασμα ppt "ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχεδιασμός: Δρ. Δημήτρης Κουλλάς."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google