laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia PC-13
BADANIE DZIAŁANIA EKRANÓW CIEPLNYCH
1.
WPROWADZENIE TEORETYCZNE
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie ideę działania ekranu cieplnego. Ekran
cieplny umieszczony pomiędzy powierzchniami wymieniającymi ciepło na drodze
promieniowania powoduje zmniejszenie strumienia ciepła, jeżeli temperatura powierzchni
emitującej jest utrzymywana na stałym poziomie lub spowoduje podwyższenie temperatury
powierzchni emitującej jeżeli strumień ciepła będzie utrzymywany jako stały. Ekrany cieplne
znalazły zastosowanie jako elementy izolacyjne, szczególnie w zakresie wysokich temperatur,
zmniejszające strumień ciepła wymieniany na drodze radiacyjnej.
Jednym z zastosowań ekranu cieplnego jest wykorzystanie jego działania do ochrony
spoiny pomiarowej termoelementu inżekcyjnego (tzw. aspiracyjnego). Termoelementy te
służą do pomiaru temperatury gazów mających inną temperaturę niż otaczające ściany
komory (np. pomiar temperatury spalin we wnętrzu pieców grzejnych). W tym przypadku
ekran (jeden lub dwa) jest wykonany w postaci rurki ceramicznej. Jego celem jest ochrona
końcówki pomiarowej termoelementu przed nagrzewaniem (lub ochładzaniem) jej drogą
promieniowania przez otaczające ściany. Nagrzewanie końcówki termoelementu następuje
natomiast na drodze konwekcji od spalin omywających końcówkę termoelementu w wyniku
zasysania ich do wnętrza rurki.
Innym przykładem jest zastosowanie cienkich ekranów (folii) metalowych
(wykonywanych nawet ze złota) wkładanych pomiędzy warstwy izolacji cieplnej pracującej
w zakresie wysokich temperatur. Przykładowo, izolacje takie są stosowane w konstrukcji
wysokotemperaturowych ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe to jedna z
perspektywicznych technologii produkcji energii elektrycznej, polegająca na bezpośredniej
transformacji energii chemicznej paliwa (np. wodoru) w energię elektryczną.
W stanie ustalonym następuje równość radiacyjnych strumieni ciepła wymienianych
pomiędzy powierzchnią 1 i ekranem oraz pomiędzy ekranem i powierzchnią 2, rys. 1. Można
zatem zapisać następującą zależność wyrażającą powyższe stwierdzenie:
Q& r , 1−e = Q& r , e − 2
(1)
Po rozwinięciu, warunek (1) można przedstawić za pomocą poniższej zależności [1, 2]:
 T  4  T  4 
 T  4  T  4 
e
1
A 1 C c ε 1−e 
  = A e C c ε e − 2  e  −  2  
 −
(2)
100
100
 
 
 100   100  

gdzie:
- pole powierzchni zewnętrznej elementu wskazanego przez indeks, m2,
A
=5,67 W/(m2K4) - stała promieniowania ciała doskonale czarnego,
Cc
- temperatury poszczególnych elementów, K,
T
ε 1−e , ε e −2 - stosunki wymiany energii promienistej pomiędzy powierzchnią 1 i ekranem
oraz ekranem i powierzchnią 2.
W przypadku gdy wszystkie wymienione powierzchnie mają kształt cylindrów, stosunek
wymiany energii promienistej wyznacza się za pomocą wzoru Christiansena [1, 2]. Dla
powierzchni 1 oraz ekranu „e” wzór ten ma postać:
1
ε 1−e =
A1  1

1
(3)
 − 1
+
ε 1 Ae  ε e 
Wzór na obliczanie ε
e −2
otrzymuje się z (3) po odpowiednim przestawieniu indeksów.
Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
2
2
e
.
Q r, 1-e
.
Q r, e-2
2.
1
e
2
Rys. 1. Schematyczne przedstawienie działania
ekranu cieplnego; 1-powierzchnia elementu
grzejnego, e- powierzchnia ekranu, 2 – ścianka
zewnętrzna
CEL ĆWICZENIA I ZASADA POMIARU
Celem ćwiczenia jest:
a) Zapoznanie się z zasadą działania ekranu cieplnego,
b) Pomiarowe i obliczeniowe sprawdzenie efektu izolacyjnego działania ekranu.
Zasada pomiaru sprowadza się do pomiaru temperatur elementu grzejnego (powierzchni
emitującej promieniowanie), ekranu i ścianki zewnętrznej po osiągnięciu stanu ustalonego.
Pomiar ten należy przeprowadzić dwukrotnie. Jeden raz przy obecności ekranu cieplnego i
drugi raz bez ekranu, zachowując cały czas stałą moc grzałki elektrycznej.
Następnie, w oparciu o równanie (2), należy wyznaczyć teoretyczną temperaturę ekranu i
porównać ją z wartością zmierzoną.
Po usunięciu ekranu wymiana ciepła będzie zachodzić bezpośrednio pomiędzy
powierzchniami 1 i 2, rys. 1. Przy zachowaniu stałego strumienia ciepła oddawanego przez
powierzchnię 1 spowoduje to obniżenie temperatury elementu grzejnego. W oparciu o
równania (1, 2), dla obu badanych przypadków, obliczyć wymieniane strumienie ciepła i
porównać z wartościami zmierzonymi.
3.
OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO
3.1. Opis stanowiska
Stanowisko składa się z dwóch zasadniczych części: modułu roboczego i modułu
zasilająco-pomiarowego. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 2.
Element grzejny ma kształt pionowego walca 1. Wewnątrz tego elementu umieszczona jest
elektryczna grzałka 5. Walec 1 wykonany jest z metalu dobrze przewodzącego ciepło co ma
zapewnić wyrównywanie się pola temperatury w całej jego objętości. Temperatura elementu
grzejnego 1 mierzona jest za pomocą termoelementu 7. Element grzejny 1 otoczony jest
cylindryczną ścianką zewnętrzną 3 z nawiniętą na nią wężownicą 4 wykonaną z miedzianej
rurki. Ścianka ta jest chłodzona wskutek przepływu wody przez wężownicę. Pomiędzy
element 1 i ściankę 3 włożony jest cylindryczny ekran cieplny 2. Temperatura ekranu 2 oraz
ścianki zewnętrznej 3 mierzona jest za pomocą termoelementów 8 i 9.
Stanowisko zasilane jest prądem stałym, o regulowanym napięciu, przez moduł
zasilająco- pomiarowy 11. Moc grzałki nastawiana jest poprzez dobór wysokości napięcia
zasilającego na zasilaczu 16. Pomiar temperatury przeprowadzany jest poprzez zestaw
mierników 12, 13. Dodatkowo, miernik 14 wskazuje temperaturę przyjętą na danym
stanowisku jako temperatura alarmowa. Przekroczenie zadanego progu wartości temperatury
Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
3
alarmowej spowoduje okresowe wyłączenie zasilania grzałki stanowiska. Dzięki sprzężeniu
modułu zasilająco-pomiarowego z komputerem istnieje możliwość śledzenia mierzonych
wartości w postaci graficznej na monitorze i ich rejestracji na komputerze 21.
6
10
3
8
5
13
16
12
14
4
9
7
15
22
17
2
23
1
6
24
...
18
20 21
19
11
10
PC
Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego
1-element grzejny, 2-cylindryczny ekran cieplny, 3-ścianka zewnętrzna, 4-rurka wężownicy z
wodą, 5-elektryczna grzałka patronowa, 6-doprowadzenie i odprowadzenie wody chłodzącej,
7,8,9-termoelementy do pomiaru temperatury elementu grzejnego, ekranu i ścianki
zewnętrznej, 10-izolacja cieplna, 11-moduł zasilająco-pomiarowy, 12-przełącznik miejsc
pomiarowych, 13-miernik temperatury, 14-miernik temperatury alarmowej, 15-gniazda
termoelementów, 16-zasilacz stałoprądowy, 17-wyłącznik zasilacza, 18-gniazdo wyjściowe
zasilania, 19-wyłącznik główny, 20-gniazdo wyjściowe RS-232 do komunikacji z
komputerem, 21-komputer, 22,23-bezpiecznik wejściowy i wyjściowy, 24-lampki
sygnalizacyjne
3.2. Opis działania stanowiska
W czasie prowadzenia pomiaru element 1 nagrzewany jest z zadaną mocą. Zadawanie
mocy grzałki polega na nastawieniu pożądanego napięcia zasilania grzałki 5. Wartość
napięcia nastawia się pokrętłem zasilacza 16. Przyjmuje się, że przepływ ciepła zachodzi
głównie na drodze promieniowania od elementu 1 do ekranu 2, a następnie do chłodzonej
wodą ścianki zewnętrznej 3. Po odpowiednio długim czasie działania stanowiska następuje
osiągnięcie stanu ustalonego i spełniony zostaje warunek wyrażony równaniem (2).
Zewnętrznym objawem tego stanu jest ustabilizowanie się wartości temperatur. Dla tego
stanu należy odczytać wartości temperatur i mocy grzałki.
Pomiar taki należy powtórzyć po usunięciu ekranu 2. W tym przypadku, po wyciągnięciu
ekranu, należy zamknąć górny wylot kolumny pomiarowej za pomocą odpowiedniej zatyczki.
Odczyt wartości mierzonych należy przeprowadzić po osiągnięciu stanu ustalonego.
Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
4
3.3. Uwagi dotyczące bezpiecznej eksploatacji stanowiska
a) Maksymalna temperatura elementu grzejnego 400 oC.
b) Przy załączaniu stanowiska najpierw włączyć moduł zasilająco-pomiarowy włącznikiem
19 a następnie włączyć zasilacz 16 włącznikiem 17.
c) Przy wyłączaniu stanowiska należy najpierw odłączyć zasilanie grzałki, wyłączyć
zasilacz 16, a następnie po odczekaniu aż nastąpi schłodzenie zasilacza i wentylator
przestanie pracować, wyłączyć zasilanie modułu 11 wyłącznikiem 19.
d) W razie przekroczenia dopuszczalnej wartości temperatury alarmowej nastąpi okresowe
wyłączenie zasilania grzałki. W takim przypadku należy nieco zmniejszyć moc grzałki
(przez obniżenie napięcia zasilającego) i odczekać do ponownego automatycznego
załączenia grzałki po obniżeniu się jej temperatury.
e) W początkowym okresie nagrzewania stanowiska przez chwilę można nie uruchamiać
przepływu wody chłodzącej. Spowoduje to szybsze nagrzanie się elementu grzejnego 1,
rys. 2. Nie dopuszczać do nagrzania się ekranu cieplnego powyżej temperatury 250oC.
3.4. Dane techniczne stanowiska
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Średnica walcowego elementu grzejnego 1 ( rys. 2) 30mm,
Średnica ekranu 2, 50 mm,
Średnica cylindrycznej ścianki zewnętrznej 3, 70 mm,
Czynna długość wymienionych wyżej elementów 180 mm,
Rezystancja linii zasilającej stanowisko 0,07 Ώ,
Emisyjność powierzchni 1 przyjmować 0,8, emisyjność powierzchni ekranu i ścianki
zewnętrznej 0,96.
4.
PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE
a)
Na początku uczestnicy ćwiczenia zapoznają się z budową, działaniem i sterowaniem
pracą stanowiska.
Włączyć włącznikiem głównym zasilanie stanowiska. Włączyć zasilacz 16 i nastawić
zadaną wartość napięcia zasilania. Załączyć zasilanie grzałki 5 i uruchomić przepływ
wody chłodzącej.
Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego zapisując okresowo lub obserwując wartości
poszczególnych temperatur na monitorze komputera.
Obserwacja wielkości zmian poszczególnych temperatur pozwoli określić moment
osiągnięcia stanu ustalonego.
Zapisać końcowe wartości wielkości mierzonych.
Zamienić ekran i przeprowadzić powtórnie opisany powyżej pomiar.
b)
c)
d)
e)
f)
a)
b)
c)
d)
Wielkościami mierzonymi są następujące parametry:
Temperatura elementu grzejnego,
Temperatura ekranu (pomiar w dwóch punktach)
Temperatura ścianki zewnętrznej (pomiar w dwóch punktach),
Moc grzałki poprzez pomiar napięcia zasilania i natężenia prądu. Przy obliczaniu mocy
grzałki należy uwzględnić spadek napięcia na rezystancji linii zasilającej grzałkę.
Wartość tej rezystancji podano w danych technicznych stanowiska.
Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
5
5.
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW I WYKONANIE SPRAWOZDANIA
5.1. Opracowanie wyników pomiarów
W ramach opracowania wyników pomiarów należy:
a) Obliczyć wartości temperatury ekranu i porównać z wynikami pomiarów.
b) Obliczyć strumień wymienianego ciepła pomiędzy powierzchnią elementu 1 i ekranem 2
(oraz równocześnie ekranem i ścianką 3) dla obliczonej temperatury ekranu.
c) Obliczyć strumień ciepła dla temperatury elementu 1 i ścianki 3 dla przypadku pomiaru
bez ekranu cieplnego.
d) Obliczone strumienie ciepła porównać z wartością nastawionej mocy grzałki.
e) Jeżeli pomiar przeprowadzono stosując więcej ekranów (o zróżnicowanej emisyjności
powierzchni), przeprowadzić powtórnie wymienione obliczenia.
f) Wskazać potencjalne przyczyny ewentualnych niezgodności pomiędzy wartościami
obliczonymi i zmierzonymi (temperatury ekranu i wymienianych strumieni ciepła).
5.2. Sporządzenie sprawozdania
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Sprawozdanie powinno zawierać:
Krótkie wprowadzenie teoretyczne,
Krótki opis stanowiska pomiarowego,
Opis pomiarów,
Wyniki pomiarów,
Obliczenia teoretyczne i porównanie wyników obliczeń z wynikami pomiarów,
Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe.
LITERATURA CYTOWANA I UZUPEŁNIAJĄCA
[1]
[2]
Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, kilka wydań.
Kostowski E (red), Praca zbiorowa: Zbiór zadań z przepływu ciepła. Wyd. Pol. Śląskiej,
Gliwice, kilka wydań.
Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek
Kruczek T.: PC-13, Badanie ekranów cieplnych, 15.02.2008
6