Tillämpad termodynamik och strömningslära. Laborationshandledning

Transkript

1 Tillämpad termodynamik och strömningslära (TMMV03) Laborationshandledning (VT-15) - Kyl- och värmepump - Strömningsförluster - Instationär konvektiv värmeöverföring - Kompressibel strömning

2 Tillämpad termodynamik och strömningslära Laboration Information om laborationskursen i Tillämpad termodynamik och strömningslära (TMMV 03) Teckningslista: Laborationslokaler: Förkunskaper: Genomförande: Laborationsredogörelse: Examination: Laborationskursens betydelse för betyget: Handledning: Läggs ut på kursens hemsida. Tidpunkt för detta meddelas i kursinformationen. Laborationslokalen (STRO) finns i hus A på bottenvåningen (plan 2) i korridor C mellan ingång 15 och 17. Laborationerna kräver att teori som behandlas på föreläsningar, lektioner samt i kurslitteraturen är väl inhämtad. Se instruktioner till respektive laboration för ytterligare information. Förberedelseuppgifterna syftar till att ge kunskaper som underlättar laborationens genomförande. Svaren till dessa behöver ej lämnas in. Laborationerna genomförs i grupper om maximalt fem personer. För varje laboration utarbetar gruppen en egenhändigt författad maskinskriven redogörelse, vilken lämnas till respektive laborationsassistent senast en vecka efter laborationstillfället. De redogörelser som inte blivit godkända returneras för komplettering och skall vara godkända senast två veckor efter laborationstillfället. Ange födelsedatum (åå mm dd) för samtliga gruppmedlemmar samt en e- postadress på rapporten. Fack för in- och utlämning av rapporter finns i C-korridoren mellan ingång 15 och 17, utanför laborationslokalen. Godkända rapporter lämnas ut i slutet av kursen. Alla rapporter lämnas ut i ett fack utanför labbet. För godkänd laborationskurs krävs närvaro vid laborationstillfällena samt godkända skriftliga redogörelser. Varje student ansvarar själv för att närvaron noteras vid laborationstillfället. För att erhålla slutbetyg i ämnet krävs att laborationskursen är godkänd, vilket innebär att laborationen är genomförd samt redogörelsen inlämnad och godkänd. Materialet som behandlas på laborationerna är tentamenspliktigt. Handledaren på laborationerna fungerar som en diskussionspartner.

3 Rapportmall En rapport ska vara lätt att läsa, tydlig och lätt att förstå. Här nedan följer några rekommendationer på hur en laborationsrapport kan vara utformad. Följ rekommendationerna i möjligaste mån! Inledning Beskriv kortfattat vad som var målet och syftet med laborationen. Genomförande Beskriv vad som gjordes under laborationen. Redogör för vilka mätningar som gjordes och hur de utfördes. Rita gärna figur över laborationsanläggningen! Mätresultaten presenteras tydligt. Använd införda beteckningar för samma storhet genomgående i hela rapporten och i möjligaste mån följ formelsamlingens beteckningar. Beräkningar och resultat Beräkningar, där mätresultaten används, ska vara tydliga, med insättning av siffror i sambanden, så det går lätt att följa beräkningarna. Är det flera beräkningar där samma samband används så presentera ett genomräknat värde och sedan resten i tabell för överskådlighetens skull. Analys och diskussion Analysera mätmetoden, t.ex. vilka felkällor finns. Analysera och diskutera resultaten. Är resultaten rimliga? Stämmer de överens med förväntade resultat? Jämförelse mellan teori och experiment. Slutsatser Ange kortfattat de viktigaste slutsatserna. Referenser Om hänvisning sker till någon bok, artikel, e.d. så ange referensen. Att tänka på vid rapportskrivning: Undvik personliga pronomen i rapporten som t.ex. jag och vi. Var försiktig med att blanda tempus. Lösningsgången ska vara tydlig. Använd Microsoft equation eller motsvarande vid skrivning av ekvationer. Använd olika typer av linjer och inte färg, vid ritning av många grafer i ett och samma diagram, vilket gör diagrammet lättläst vid svart-vit utskrift. Alla figurer ska ha figurnummer och figurtext under figuren. Kursivera figurtexten. Alla tabeller ska ha tabellnummer och tabelltext över tabellen. Kursivera tabelltexten. Hänvisa till samtliga figurer och tabeller från den löpande texten. Vid komplettering ska de nya kompletterade sidorna häftas fast bakom den ursprungliga laborationsrapporten. Både den ursprungliga laborationsrapporten och de kompletterade sidorna lämnas in vid retur.

4 Kort beskrivning av laborationerna Kyl- och värmepump Vid laborationen studeras hur en kyl- och värmepump fungerar. Köldmediets tillstånd uppmäts på strategiska platser i processen och relateras till fasomvandlingsdiagram med hjälp av temperatur- och tryckmätningar på processen. Processens effektivitet studeras med hjälp av godhetstal. Strömningsförluster Vid laborationen studeras rörströmning och speciellt de förluster som uppkommer då vatten med olika tryck och hastighet pumpas genom rören. Utrustningen består bland annat av en frekvensstyrd pump kopplad till ett system av plexiglasrör. Tryckförluster kan studeras med hjälp av tryckuttag på olika platser längs rören. Instationär konvektiv värmeöverföring Vid laborationen studeras instationär konvektiv värmeöverföring från en uppvärmd kopparstav till strömmande luft. Ett termoelement inuti kopparstaven är kopplat till en extern temperaturmätare. Kopparstaven placeras tillsammans med plaststavar vinkelrätt mot anströmningsriktningen i ett genomströmmat rör. Konfigurationen gör att värmeövergången kan studeras för olika positioner på kopparstaven relativt plaststavarna. Kompressibel strömning Vid laborationen studeras hur mängdbegränsning uppstår vid kompressibel strömning.

5 LABORATION KYL- OCH VÄRMEPUMP Laborationens syfte Syftet med laborationen är att analysera hur en kyl- och värmepump fungerar utgående från termodynamiska principer, samt beskriva processen med hjälp av temperatur-entropi- (Ts-)-diagram och godhetstal. Förberedelser Läs kapitel 9.2 samt i upplaga 4 eller kapitel 23.2 samt (kapitel 23 finns som en PDF på hemsidan) i upplaga 3. Gör förberedelseuppgifterna. Laborationsutrustning och genomförande För att lösa uppgifterna finns en värmepump utrustad med tryck-, temperatur- och flödesmätare. Kyl- och värmepumpen är byggd enligt normala konstruktionsprinciper. Värme upptas från och avges till kranvatten som strömmar förbi kondensor och förångare. Kompressorn tillförs elektrisk energi som mäts med en elmätare. Lämpliga vattenflöden och tryck i kondensor och förångare meddelas på laborationen. Observera att processen måste ställa in sig innan mätningar utförs, vilket tar ca 30 minuter. Mätningar ska göras för 2 driftsfall, baserade på trycket på lågtryckssidan av värmepumpen (d.v.s. trycket i förångaren).

6 Uppgift 1: Beräkning av effekt, godhetstal mm (Alla deluppgifter löses för två driftsfall.) Hur stor är värmepumpens värmeeffekt? Beräkningar ska göras både på köldmediet och på vattnet. Hur stor är värmepumpens kyleffekt? Beräkningar ska göras både på köldmediet och på vattnet. Vilken är värmefaktorn mellan avgivet värme och arbetet som tillförs köldmediet? Vilken är värmefaktorn mellan avgivet värme och tillfört elektiskt arbete? Vilken är den högsta möjliga värmefaktorn (Coefficient of Performance, COP) som kan uppnås om alla förhållanden är ideala? Motivera val av T L och T H vid beräkningen! Uppgift 2: Analys Analysera resultaten i uppgift 1. Exempel på saker att diskutera: Hur förhåller sig aktuell värmepump till den ideala kompressorcykeln beträffande t. ex. förluster och (fullständig?) kondensering och förångning? Hur påverkar tryckförhållandet i de två driftfallen godhetstal och effekt? Förklara/diskutera de skillnader som uppkommer. Skiljer sig resultaten från vad man kan förvänta sig? Lycka till!

7

8 Förberedelseuppgifter Värmepump En värmepump består huvudsakligen av fyra komponenter, vilka?... Mellan dessa komponenter cirkulerar ett köldmedium i en helt sluten krets. Var (i vilka komponenter) ändras köldmediets tryck och var är det konstant (bortsett från förluster)? I vilka av ovanstående komponenter sker energiutbyte med omgivningen, hur sker utbytet (med värme eller arbete) och i vilken riktning (till eller från värmepumpen)?

9 LABORATION STRÖMNINGSFÖRLUSTER Laborationens mål Teknologen skall efter genomförd laboration I) Kunna läsa av och beräkna tryckförluster som uppkommer vid rörströmning. II) Ha kunskap om förutsättningarna bakom aktuella teoretiska formler och kunna avgöra i vilken utsträckning dessa är uppfyllda när verklig rörströmning studeras och tryckförluster analyseras. Teori Repetera föreläsningsanteckningar om Bernoullis utvidgade ekvation och tryckförluster vid rörströmning. Se även aktuella avsnitt i formelsamlingen. Studera kap. 14-1, 14-3 och 14-6 samt ekvationerna och Gör förberedelseuppgifterna. Laborationsutrustning Utrustningen består av en vattenreservoar från vilken vatten pumpas genom ett rörsystem. Detta består av glasrör av olika dimensioner sammankopplade med rörkrökar. Uppställningen ger god möjlighet att studera intressanta strömningstekniska fenomen som friktions- och engångsförluster, effekt av inloppssträcka etc. Utrustningens handhavande introduceras av laborationshandledaren vid laborationstillfället. Uppgift Gruppen skall med hjälp av laborationsutrustningen mäta och beräkna ett antal tryckförluster och koefficienter för ett flöde. Resultaten från mätningarna skall jämföras med beräknade (teoretiska) värden enligt nedan. Eventuella skillnader och felkällor analyseras och diskuteras. Följande förluster skall studeras och redovisas i en skriftlig rapport. Tips: Fundera redan under pågående experiment på vad som kan orsaka skillnader mellan teoretiska och experimentella värden. Tryckuttag 1-2 Bestäm experimentell tryckförlust och jämför denna med ett teoretiskt värde med hjälp av formelsamling och antagandet att rören är släta. Tryckuttag 2-3 Bestäm experimentell tryckförlust och jämför denna med motsvarande teoretisk. Fortfarande släta rör. Tryckuttag 3-4 Bestäm experimentell tryckförlust och beräkna med hjälp av denna ett experimentellt värde på engångsförlustkoefficienten ς. Jämför detta med motsvarande teoretiskt hämtat ur kurslitteraturen.

10 Tryckuttag 4-5 Bestäm experimentell tryckförlust och jämför sedan med motsvarande teoretiska värde (rören anses släta). Tips 1: Det kan finnas fler orsaker till att trycket ändras än förluster. Tips 2: Kan förlusten delas upp i flera ``komponenter''? Tryckuttag 6-7 Bestäm experimentell tryckförlust och jämför denna med motsvarande teoretiska. Tryckuttag 9-10 Bestäm experimentell tryckförlust och beräkna med hjälp av denna ett värde på rörets ekvivalenta sandskrovlighet. Tryckuttag Tryckförlusten orsakas här av en strypning. Utgå från Bernoullis utvidgade ekvation och visa schematiskt i ett diagram hur statiskt tryck, dynamiskt tryck och totalt tryck varierar i flödet genom strypningen. Diskussion I diskussionen skall de erhållna teoretiska och experimentella värdena jämföras samt eventuella skillnader analyseras. Ledning: I) Hur påverkas förlusterna om hastigheten ökar? II) Vilken betydelse har hastighetsprofilen för förlusten? III) Hur påverkas ett avläst värde av flödets natur vid tryckuttaget? IV) Två typer av förluster studeras, friktions- respektive engångsförluster. Ofta dominerar den ena typen över den andra, vad gäller för detta här? Rapporten Fullständiga beräkningar enligt uppgifterna ovan skall redovisas. Samtliga mätresultat skall redovisas. Någon ``fullständig'' teknisk rapport behöver dock inte skrivas. Ange alltid källhänvisning för formler, konstanter etc. som hämtas ur någon litteratur. Lycka till!

11 Förberedelseuppgifter Strömningsförluster Två typer av strömningsförluster finns, den ena förknippas med hela rörsektioner och beror bl. a. av rörets längd och ytans beskaffenhet medan den andra uppstår i samband med enskilda förändringar i rörets riktning och form. Vad kallas dessa typer av förluster? Tryck kan anges i ett flertal olika enheter såsom mm H 2 O (millimeter vattenpelare), mm Hg (millimeter kvicksilverpelare), bar, atm (atmosfär) och Pa = N/m 2. Hur omvandlas ett höjdtryck, t.ex. mm H 2 O, till SI-enheten Pa? Bernoullis utvidgade ekvation kan ibland användas för att bestämma tryckförluster vid rörströmning enligt: pf = p1 p 2 + ρ(v1 v 2 ) + ρg(z1 z 2 ) [Pa] Där p1 p2, (v1 v 2 ) 2 ρ och ρ g(z z ) 1 2 är skillnaden i statiskt tryck, dynamiskt tryck och höjdtryck (hydrostatiskt tryck) mellan två punkter på en strömlinje i ett genomströmmat rör. Vilken av dessa skillnader erhålls från vätskepelarnas höjdskillnad, h, i Figur 1?. Det totala trycket är summan av statiskt, dynamiskt och hydrostatiskt tryck. Vilket av dessa tryck sjunker p.g.a. förluster och leder samtidigt till att det totala trycket minskar för strömning i ett horisontellt och jämntjockt rör?. Figur 1: Genomströmmat rör med två piezometerrör anslutna.

12 LABORATION INSTATIONÄR KONVEKTIV VÄRMEÖVERFÖRING Laborationens mål Målet med laborationen är dels att visa hur man på experimentell väg kan bestämma värmeövergångskoefficienten (värmeövergångstalet) h för en omströmmad cylinder i ett tubknippe samt att diskutera resultatet mot värden från lämpliga semiempiriska ekvationer. Värmeövergångskoefficienten h bestäms i tre olika positioner, d.v.s. för tre olika strömningsfall. Teori Läs kap och 19-1 i boken samt studera avsnittet Empiriska uttryck för värmeövergångstalet i formelsamlingen. Gör förberedelseuppgifterna. Laborationsutrustning Laborationsutrustningen består av ett genomströmmat rör med plaststavar monterade vinkelrätt mot anströmningsriktningen. En fläkt suger luft genom röret. Flödet (samma i alla mätningarna) regleras med en skjutbar skiva som stryper utflödet. Ett Prandtl-rör mäter trycket i röret. Prandtlröret kopplas så att det statiska trycket i det genomströmmade röret kompenseras bort, vilket ger en vätskepelare som motsvarar det dynamiska trycket. Plaststavarna är monterade som rören i en tvärströms värmeväxlare, se Figur 2. Varje stav kan bytas ut mot en uppvärmd kopparstav. Denna har ett inbyggt termoelement med vars hjälp temperaturen kan mätas. Maximalt tillåten temperatur för kopparstaven är 90 C. Plaststavar Rad nr: Strömningsriktning Figur 2: Röranordning för mätning av värmeavgivning.

13 Uppgift Uppgiften är att studera instationär konvektiv värmetransport genom temperaturmätning och beräkningar. Värmeövergångskoefficienten h, som förekommer i Newtons värmeöverföringslag, skall bestämmas för tre olika strömningsfall och resultaten analyseras. Deluppgift 1 Beräkna värmeövergångskoefficienten, utifrån temperaturmätningar för tre olika strömningsfall (d.v.s. tre olika positioner i tubknippet) när den uppvärmda kopparstaven kyls av strömmande luft. Mätningar görs systematiskt i 5-gradersintervall ner till cirka 25 C och tiden antecknas för varje mätpunkt. Deluppgift 2 Beräkna värmeövergångskoefficienten med hjälp av semiempiriska ekvationer och korrektionsfaktorer (utan användande av temperaturmätningar) för strömningsfallen i Deluppgift 1. Deluppgift 3 Analysera resultaten genom att diskutera varför värmeövergångstalet skiljer mellan olika positioner i tubknippet samt varför teoretiska/semiempiriska värden skiljer sig från de experimentella. Ledning Värme kan överföras på tre principiellt olika sätt. Vilka? Ibland dominerar ett eller två av dessa värmetransporten. Ofta inför man även andra förenklingar eller försummar felkällor av olika slag. Görs något av detta här som påverkar resultatet märkbart? Diskutera! Den lokala omströmningshastigheten påverkar värmetransporten mellan olika punkter i anordningen. Rapporten Förutom resultaten till uppgifterna ovan skall följande ingå i rapporten: Skiss över tubknippet som tydligt visar de positioner kopparstaven placerats på samt riktning på den strömmande fluiden. Handritad är ok. Samtliga avlästa värden. (Tryck och temperatur) Fullständiga beräkningar för ett av strömningsfallen, endast resultaten för de övriga. Tydliga hänvisningar varifrån formler, koefficienter och dylikt har hämtats. Lycka till!

14 Förberedelseuppgifter Instationär konvektiv värmeöverföring Studera Figur 2 och fundera på hur strömningen runt en pinne kan förväntas se ut beroende på i vilken rad pinnen sitter, d.v.s. hur påverkas strömningen av att passera igenom tubknippet? Klumpmetoden (Lumped system analysis) kan ibland användas för att studera transient värmeöverföring. Kriteriet för detta brukar vara att Biottalet Bi < 0,1. Förklara innebörden av detta Studera exempel 12-4 i kursboken och lös nedanstående exempel. Ex. Ett Prandtlrör, anslutet till en manometer med vatten i, används för att mäta lufthastighet. Se figur nedan. Bestäm lufthastigheten om manometerutslaget är 7,3 cm. Antag att luftens densitet är 1,25 kg/m 3.

15 Laboration Kompressibel strömning Laborationens mål Laborationen avser att visa att mängdbegränsning inträffar vid en viss trycksänkning, då luft får strömma från en behållare till en annan Arbetsgång 1. Se till att alla röranslutningar, slangklämmor och dylikt är väl åtdragna. Anslut slangen till tryckluftsuttaget om inte detta är gjort. 2. Öppna ventilerna A, B, C och D så att tryckluften strömmar genom behållarna. Vrid på reduceringsventilen B så att trycket i behållare 1 blir 4 atö. 3. Stäng ventil D. Trycket stiger nu i båda behållarna. Till slut är trycken lika, ingen tryckluft strömmar nu genom rören. 4. Injustera trycket i behållare 1 till exakt 4 atö med hjälp av reduceringsventilen B. Trycket skall hela tiden vara injusterat på 4 atö (5 atm), för att tätheten skall vara konstant. 5. Injustera trycket i behållare 2, enligt tabell på nästa sida, med hjälp av ventil D. Låt rotameterutslaget stabilisera sig mellan varje tryckinställning, avläs och notera utslaget.

16 P 1 (atm) P 2 (atm) P 2 /P 1 Rotameterutslag Rita diagram P 2 /P 1 som funktion av rotameterutslaget, jämför med formelsamling. Mängdbegränsning har inträtt då en sänkning av trycket P 2 inte ökar rotameterutslaget. 7. Stäng av tryckluften (A, B och C). Känn på röret och iakttag temperaturförändringen. Varför blir röret kallt då man stänger av för tryckluften? Uppgift: Genomför laborationen enligt ovan. Redovisa mätdata och diagram samt kommentera resultaten. Diskussion: I diskussionen ska nedanstående punkter besvaras. Vilken typ av anordning är det vid utloppet? Är det ett munstycke, diffusor eller lavaldysa och hur ser man det? Hur skulle diagrammet principiellt se ut om det varit något av de andra anordningarna? Skissa. Vilken typ av hastighet (underljudshastighet, ljudhastighet, överljudshastighet) är det vid utloppet när P2 är 4,0 atm respektive 1,0 atm och varför?