Wyznaczanie efektywnego współczynnika przenikania ciepła oraz współczynnika przenikania ciepła przez konwekcję.
Wstęp
Rozpatrzmy ciało o powierzchni S i temperaturze T1 umieszczone w ośrodku o temperaturze T2. Ilość ciepła oddana do otoczenia lub pobrana z otoczenia w jednostce czasu dla małych różnic temperatur jest proporcjonalna do pola powierzchni ciała S, stanu powierzchni, różnicy temperatur T2-T1 oraz efektywnego współczynnika przenikania ciepła
(równanie Newtona):
(1)
Z równania (1) otrzymujemy
. (2)
Współczynnik oznacza moc przekazywaną lub pobieraną z otoczenia przez jednostkę powierzchni ciała, gdy ΔT=1K. Wielkość wyrażona jest w [W/m2K].
Ciepło przekazywane jest przez promieniowanie, konwekcję oraz przewodzenie.
Efektywny współczynnik przekazywania ciepła jest sumą współczynników przekazywania ciepła przez promieniowanie , konwekcję i przewodzenie .
Należy zwrócić uwagę na to, że energia przekazywana ( pobierana) przez promieniowanie jest różnicą energii wypromieniowanej do otoczenia i energii pochłoniętej.
, (3)
Gdzie: a – zdolność absorpcyjna ciała, S- powierzchnia, - stała Stefana Boltzmanna, T- temperatura w K, T0- temperatura otoczenia w K.
Dla małych różnic temperatur można przyjąć, że
, (4)
Rozpatrzmy drut oporowy o promieniu r, długości l i rezystancji R zasilany ze źródła o napięciu U. Moc wydzielana na rezystancji R
, (5)
gdzie I- natężenie prądu płynącego przez rezystancję.
Temperatura drutu ustali się gdy moc dostarczona do drutu będzie równa mocy przekazanej do otoczenia określonej równaniem (1).
. (6)
Mierząc napięcie i natężenie prądu oraz temperaturę drutu i otoczenia możemy obliczyć wartość efektywnego współczynnika przenikania ciepła drutu w danych warunkach:
. (7)
Jeżeli pomiary zostaną wykonane dla drutu umieszczonego wewnątrz zamkniętej komory, to wkład do efektywnego współczynnika przenikania ciepła wnoszony przez konwekcję będzie mały.
Zadania pomiarowe
Zależność współczynnika przenikania ciepła od temperatury wyznaczamy mierząc zależność temperatury drutu od mocy elektrycznej dostarczanej do badanego drutu dla zamkniętej komory w której umieszczony jest drut.
W celu oszacowania wkładu konwekcji do efektywnego współczynnika przenikania ciepła należy wykonać pomiary zależności temperatury drutu od mocy dostarczanej, gdy przez komorę pomiarową może przepływać powietrze (komora pomiarowa otwarta z góry i dołu).
Opracowanie wyników pomiarów
Na jednym rysunku narysować wykresy zależności zależności T(Pel).
Obliczyć i narysować (na jednym rysunku) zależności hef (T) obliczone dla zamkniętej i otwartej komory pomiarowej. Na podstawie tego wykresu oszacować wkład do hef
pochodzące od konwekcji i promieniowania.
Przeprowadzić dyskusję wpływu temperatury oraz warunków pomiarów na uzyskane wyniki.
