ترارح لاقتنا...

آزمایشگاه انتقال حرارت

دستور کار


دانشکده نفت، گاز و پتروشیمی


نحوه نوشتن گزارش انجام آزمایش

یک گزارش مناسب باید شامل قسمت های زیر باشد :

روی جلد گزارش :

اره دانشجویی اعضای گروه و تهیه کننده ی گزارش به صورت منام آزمایشگاه ، عنوان آزمایش ، اسامی و ش -

تفکیک شده ، تاریخ انجام آزمایش و تحویل گزارش کار

هدف، مقدمه و چکیده آزمایش -

تجزیه و تحلیل تئوری آزمایش -

شرح دستگاه ها ، وسایل و روش های مورد استفاده از آن ها -

جدول اطلاعات آزمایش -

ایشنمونه محاسبات مربوط به آزم -

جدولی از کل محاسبات انجام شده برای تمام مراحل آزمایش -

نمودارها و منحنی های خواسته شده -

پاسخ به سوالات دستور کار -

بحث و نتیجه گیری از آزمایش -

منابع مورد استفاده -

لطفا به هنگام نوشتن گزارش نکات زیر را رعایت کنید :

، با خودکار آبی و با رعایت حاشیه های مناسب باشد و A4ر صورت دست نویس بودن گزارش، باید بر روی کاغذ د

در صورت تایپ کردن آن باید به صورت کاملا منظم و با رعایت حاشیه های مناسب و همچنین انتخاب کادر باشد . منحنی

آن ها در دستور کار با دست و کاغذ شطرنجی ذکر شده است. ترجیحا با نرم افزار رسم شود، به جز نمودارهایی که رسم

.همچنین مهلت تحویل هر گزارش حداکثر تا دو هفته بعد از تاریخ انجام آن می باشد


LINEAR HEAT CONDUCTION

HT11C

http://discoverarmfield.com/en/pages/view/about-armfields-device-compatible-websites


آزمایش تعیین ضریب هدایت حرارتی جامدات _ محوری

طریق هدایت در داخل اجسام موقعی پدید می آید که یک گرادیان دمایی بین دو نقطه از جسم ایجاد انتقال حرارت به

شود و هر قدر گرادیان دمایی بیشتر باشد شدت انتقال حرارت هم زیادتر خواهد بود . البته انتقال حرارت به طریق هدایت در اجسام

کس انتقال حرارت به طریق جابجایی در مایعات و گازها خیلی بهتر انجام جامد بهتر صورت می گیرد تا مایعات و گازها ، و بر ع

می شود که در جامدات اصلا صورت نمی گیرد . انتقال حرارت به طریق هدایت معمولا در داخل اجسام بطور سه بعدی انجام می

محاسبات است . که البته از طریق المان های پذیرد . آنالیز سه بعدی انتقال حرارت ساده نبوده و نیازمند صرف وقت زیاد جهت انجام

محدود و برنامه های کامپیوتری می توان در صرف وقت و مشکلات دیگر صرفه جویی کرد . دستگاهی که در این آزمایشگاه بکار

یزان حرارت می رود انتقال حرارت به طریق هدایت و یک بعدی را مورد بررسی قرار می دهد . در این آزمایش قانون مبنایی که م

. بررسی قرار می گیرد ت و سطح مقطع مربوط می سازد موردمنقل شده را به گرادیان درجه حرار

انتقال حرارت را در جهت محوری نشان می دهد . دستگاه دارای ترموکوپل هایی است که درجه حرارت را در نقاط HT 11دستگاه

06ولت توان معادل 42رارت در قسمت گرم سیستم بکار رفته که با ولتاژ مختلف نشان می دهند ، یک المان حرارتی جهت تولید ح

وات تولید می کند و جهت خنک نمودن قسمت سرد از آب شهر استفاده می شود .

این دستگاه طوری طراحی شده است که خطاهای آزمایش مربوط به انتقال حرارت را در سه بعد به حداقل خود برساند و از اتلاف

حرارتی از طریق جابجایی و تشعشع جلوگیری نماید .

کیل شده است از قسمت گرم بااستفاده از این دستگاه می توان قانون هدایت حرارتی فوریه را به سادگی نشان داد ، این دستگاه تش

میلی متر 51( که به فاصله 3( سه عدد ترموکوپل )0( که از برنج ساخته شده است و یک هیتر برقی در آن جاسازی شده )7کننده )

میلی متر است را اندازه گیری می 41از یکدیگر قرار گرفته اند و درجه حرارت را در جهت محوری این میله برنجی که قطر آن

( که توسط جریان آب خنک می شود ، قسمت سرد را تشکیل می 8میلی متر ) 41د . د رطرف دیگر یک میله برنجی به قطر ننمای

( قسمت گرم با قسمت سرد ممکن 3میلی متر از یکدیگر تعبیه شده است ) 51دهد و روی این قسمت نیز ترموکوپل هایی به فاصله

51ترموکوپل به فواصل 0میلی متر را داده که روی آن 41میله واحد برنجی به قطر است مستقیما به یکدیگر متصل شده و تشکیل

( در حالت کلی المان 5میلی متر از یکدیگر تعبیه شده که می تواند به عنوان یک واحد مجزا مورد آزمایش قرار گیرد .) شکل

واسطه بایستی بین این دو قسمت قرار گرفته و مورد آزمایش واقع شود .

و آلومینیوم فولاد ضد زنگ(، 1میلی متر با جنس های برنج ) 36میلی متر و طول 41ن المان عبارت است از سه میله به قطر ای

میلی متر از 51عدد ترموکوپل به فاصله 4( که روی آنها 52میلی متر ) 36میلی متر و طول 53(و یک میله برنجی به قطر 52)

( .3یکدیگر تعبیه شده اند )

نین برای اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی مواد عایق می توان نمونه های عایق موجود در سیستم را بین دو قسمت سرد و همچ

گرم قرار داد و ضریب هدایت حرارتی آنرا بدست آورد ، نمونه ای از مواد عایق می تواند یک ورق کاغذ باشد .

از یک لایه هوا و یک پوشش پلاستیکی به حداقل خود کاهش داده شده است اتلاف حرارتی در طول قسمت مورد آزمایش با استفاده

.


_ هدایت حرارتی در طول یک میله ساده ومرکب 5آزمایش شماره

نحوه انجام آزمایش :

ه سرد و گرم با و المان آلومینیومی بین دو میل فولاداین آزمایش را با جاگذاری المان های واسطه به ترتیب المان برنجی ، المان

ولت تنظیم می کنیم زمانی که سیستم به تعادل رسید 9انجام می دهیم . ابتدا ولتاژ را روی 42و 45،57اعمال سه ولتاژ متفاوت

8ولتاژهای مورد نظر را اعمال می کنیم در هر مرحله صبر نمایید تا دستگاه به حالت تعادل حرارتی برسد و سپس درجه حرارت

یادداشت نمایید این مرحله را برای سه ولتاژ مورد نظر انجام دهید و 5ل میله نمونه مورد آزمایش را در جدول شماره نقطه در طو

نتایج را در جدول زیر ثبت کنید .

1جدول شماره

V(volts) I(Amps) T1 (°c) T2 (°c) T3 (°c) T4 (°c) T5 (°c) T6 (°c) T7 (°c) T8 (°c)


خواسته ها:

منحنی تغییرات دما را نسبت به طول میله برای ولتاژهای مختلف و المان های مشخص رسم کنید و آنها را با هم مقایسه کنید . برای

محاسبه ضریب هدایت حرارتی از قانون فوریه استفاده می کنیم :

Heat flow ( power to heater ) Q = V I ( Watt )

Cross sectional area of bar 𝐴 =𝜋𝐷2

4 ( 𝑚2)

Temperature difference in heated section ∆𝑇ℎ𝑜𝑡=T1 – T3 (℃ )

Conductivity in heated section 𝐾ℎ𝑜𝑡 = 𝑥13𝑄

∆𝑇ℎ𝑜𝑡𝐴ℎ𝑜𝑡 ( w / m℃ )

Temperature difference in inter mediate ∆𝑇𝑖𝑛𝑡= T4-T5 (℃ )

section

conductivity in intermediate section 𝑘𝑖𝑛𝑡 = 𝑋45𝑄

∆𝑇𝑖𝑛𝑡𝐴𝑖𝑛𝑡 ( w / m℃ )

temperature difference in cooled section ∆𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑇6 − 𝑇6 (℃ )

Conductivity in cooled section 𝑘𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑋68𝑄

𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑𝐴𝑐𝑜𝑙𝑑 ( w / m℃ )


جهت تعیین ضریب هدایتی میله مرکب دماهای سطح سرد و گرم از روابط زیر تبعیت میکند :

distance between each thermocouple = 0.015 m

∆ 𝑥 = 0.0075 𝑚

𝑇ℎ𝑜𝑡 𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑇3 − ( 𝑇2−𝑇3)

2 (℃ )

𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑 𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑇6 + ( 𝑇6−𝑇7 )

2 (℃ )

𝐾𝑖𝑛𝑡 = 𝑄 ∆𝑋𝑖𝑛𝑡

𝐴𝑖𝑛𝑡 ( 𝑇ℎ𝑜𝑡 𝑓𝑎𝑐𝑒− 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑 𝑓𝑎𝑐𝑒) ( w / m℃ )

مقادیر ضریب هدایت حرارتی بدست آمده بایستی با مقادیر داده شده در جدول زیر مقایسه گردد . دانشجویان عزیز بایستی در مورد

ین اثر باعث افزایش یا کاهش ضریب هدایت حرارتی می اثر درجه حرارت روی ضریب هدایت حرارتی نظر داده و توجه نمایند که ا

شود و همچنین اثر این فاکتور را روی شکل پروفایل درجه حرارت بررسی کنند.

K( w / m °c) جنس المان

121 برنج

25 فولاد ضد زنگ

180 آلومینیوم

_ تاثیرات عایق 4آزمایش شماره

روی هدایت حرارتی " هدف از انجام آزمایش : " بررسی لایه عایق

در این آزمایش المان واسطه را از دستگاه حذف نموده و بجای آن نمونه های عایق موجود در آزمایشگاه را قرار دهید . و سپس

قسمت سرد و گرم را بهم محکم نموده و آزمایش را انجام می دهیم . قبل از اینکه عایق را بین دو قسمت سرد و گرم قرار دهید


54ولت قرار داده و پس از به تعادل رسیدن سیستم ، ولتاژ را روی 9را اندازه بگیرید . سپس ولتاژ ورودی را روی ضخامت آن

یادداشت نمایید . سپس منحنی تغییرات دما بر حسب طول میله را رسم 4نقطه مورد نظر را در جدول شماره 0تنظیم کنیدو دمای

طول عایق بدست آورید و با استفاده از رابطه انتقال حرارت ،ضریب هدایت حرارتی کنید و از روی آن افت درجه حرارت را در

عایق را محاسبه نمایید .

K= Q / A *(ضخامت / ΔT)


V(volts) I(Amps) T1

(°c)

T2

(°c)

T3

(°c)

T6

(°c)

T7

(°c)

T8

(°c)


RADIAL HEAT CONDUCTION

HT12



آزمایش تعیین ضریب هدایت حرارتی جامدات _ شعاعی

انتقال حرارت به روش رسانایی در داخل اجسام موقعی پدید می آید که یک گرادیان دمایی بین دو نقطه از جسم ایجاد شود و

هر قدر گرادیان دمایی بیشتر باشد شدت انتقال حرارت هم زیادتر خواهد بود. گرادیان دمایی در سیستم های کروی و استوانه ایی

ی است. بنابراین می توان این سیستم ها را یک بعدی فرض کرد. در شرایط دایم و بدون تولید گرما، می اغلب تنها در جهت شعاع

توان با استفاده از روش استاندارد که با شکل مناسب قانون فوریه شروع می شود، این سیستم ها را تجزیه و تحلیل کرد. در این

های شعاعی استفاده می شود.جهت بررسی رسانش در سیستم HT12آزمایش از دستگاه

شامل تجهیزات زیر است : قبلمطابق شکل صفحه HT12 دستگاه

صفحه پایه :

( که قطعات دستگاه روی آن قرار داده شده است. 5) pvcیک صفحه

دیسک برنجی:

میلی متر 14( با قطر 2میلی متر و هسته مرکزی مسی ) 110میلی متر و قطر 3.2( با ضخامت 3دستگاه از یک دیسک برنجی )

می باشد. ℃W/m 125تشکیل شده است . ضریب هدایت حرارتی دیسک برنجی در محدوده ی دمایی که این دستگاه کار می کند

( محاط شده است. 0برای جلوگیری از اتلاف حرارتی،این دیسک توسط یک لایه هوا و یک پوشش پلاستیکی )

رارتی: المنت ح

( حرارت لازم تولید می شود که برای افزایش ایمنی اپراتور با ولتاژ پایین کار 56در مرکز این دیسک توسط یک المان الکتریکی )

می کند .

سیستم خنک کننده دستگاه :

( 9ور )( جریان می یابد. یک رگلات4آب از طریق شیر کنترل، به لوله مسی ).محیط دیسک توسط آب شهر خنک می شود

( که بوسیله یک سوکت 8بر کار سیستم تعبیه شده است و یک شیر سلونوئیدی ) جهت به حداقل رساندن اثر تغییر دبی آب

1.5 – 0قرار دارد میزان دبی آب خروجی را تنظیم می کند. محدوده ی عملکرد این شیر HT10Cکمکی روی دستگاه

Lit / min ( وظیفه نمایش جریان بر حسب 7ربینی)می باشد و یک سنسور جریان از نوع تو Lit / min را زمانی که

فعال باشد را بر عهده دارد. HT10CX( روی باکس 30) wfسوکت

ترموکوپل ها :

مرکز دیسک و در جهت شعاعی قرار گرفته است mm 7میلی متر از یکدیگر به ترتیب از 56( به فواصل 58عدد ترموکل ) 0

ت درجه حرارت را در جهت شعاعی اندازه گیری نماید. که می تواند تغییرا


: بررسی توزیع دما در سیستم شعاعی 5آزمایش شماره

با وارد کردن شارهای حرارتی متفاوت و اندازه گیری گرادیان دمایی از مرکز HT12برای بررسی توزیع دما در دستگاه

سیستم ) قسمت گرم ( تا محیط آن )قسمت سرد( می توان توزیع دما را در جهت شعاعی بررسی کرد.

روش انجام آزمایش :

آب را بیرون کشیده و در جهت عقربه ابتدا برای برقراری جریان آب سرد سیستم دستگیره ی گوی شکل )ضامن( رگلاتور ورودی

نشان دهد بعد از تنظیم دبی ، ضامن را به داخل فشار Lit / min 1.5های ساعت می چرخانیم تا زمانی که سنسور جریان آب را

ژهای مورد را روی گرمکن اعمال می کنیم تا سیستم به حالت تعادل دمایی برسد ، سپس ولتا 12داده تا کاملا قفل شود . حال ولتاژ

نقطه در جهت شعاع 6نظر را بر سیستم اعمال کرده و در هر مرحله صبر کنید تا سیستم به شرایط دائم برسد. آنگاه درجه حرارت

انجام دهید. 24و 21-17یادداشت نمایید. این مراحل را برای سه ولتاژ 1را در جدولی مطابق با جدول شماره

: 1جدول شماره

T6

℃

T5

℃

T4

℃

T3

℃

T2

℃

T1

℃

I(Amps) V(volts)


منحنی تغییرات دما را نسبت به شعاع دیسک برای ولتاژهای مختلف رسم کرده و خطای اندازه گیری را بررسی کنید. منحنی

تغییرات باید مشابه منحنی های زیر رسم شود :

: بررسی قانون فوریه برای سیستم های شعاعی 2آزمایش شماره

این آزمایش برای بررسی قانون فوریه جهت تعیین نرخ انتقال حرارت در شرایط دایم در یک سیستم شعاعی و بدست آوردن ضریب

هدایت حرارتی دیسک فلزی انجام می شود. برای این کار کافی است با دادن ولتاژهای مختلف به دستگاه ، اختلاف دما در شعاع

خارجی ) قسمت سرد سیستم ( به وجود آوریم . داخلی ) قسمت گرم سیستم ( و شعاع

است . طبق قانون فوریه : Td / rd گرادیان دمایی نرمال روی محور استوانه

Q = -2πKR(Td / Rd)

است، با انتگرال گیری خواهیم داشت : Rوابسته به Qپس

Q = 2πxk (𝑇1−𝑇6)

ln(𝑅6−𝑅1) ( where ln = loge)

خواهیم داشت :


K = 𝑄 ln(𝑅6 /𝑅1)

2𝜋𝑥(𝑇1−𝑇6)

استفاده می کنیم و از طریق رابطه 1برای انجام این آزمایش و محاسبه ضریب هدایت حرارتی دیسک فلزی از نتایج آزمایش شماره

مقایسه کنید ℃W/𝑚 125 های داده شده در این قسمت ضریب هدایت حرارتی آزمایشگاهی را بدست آورده و با مقدار واقعی ان که

. ) این محاسبات برای سه ولتاز آورده شده باید انجام و مقادیر بدست آمده با هم مقایسه شوند.(

می رسانیم و ولتاژ دستگاه را Lit / min 0.7 دبی آب ورودی به دستگاه را به، نکته : جهت بررسی اثر تغییر دبی بر رسانش

( مقایسه می کنیم. Lit / min 1.5دمایی با حالت قبل ) دبی تنظیم می کنیم و با بررسی گرادیان 12روی


LAW OF RADIANT HEAT TRANSFER AND RADIANT

HEAH EXCHANGE

HT13



آزمایش بررسی قوانین تشعشع

جابجایی و هدایت تفاوت قابل که با دو شکل دیگر انتقال حرارت ، یعنی است تشعشع یکی از صورت های انتقال حرارت

ملاحظه ای دارد . انتقال حرارت تشعشعی نیاز به محیط مادی ندارد چرا که توسط امواج الکترومغناطیس صورت می گیرد ؛ لذا

برای درک بهتر آن، آشنایی مختصر به خصوصیات امواج الکترومغناطیس لازم است ، گرچه یک مهندس مستقیما با مکانیزمی که

حرارت توسط آن رخ می دهد سر و کار ندارد ولی شناختی مختصر از خواص و قوانین مربوط به آن لازم است .انتقال

تشعشع گرمایی گسیل شده از هر سطح، شامل گستره ای از طول موج هاست. شدت تشعشع بستگی به طول موج دارد. هر سطح

به وجود می آورد. بنابراین، تشعشع دو خصوصیت مهم دارد : تشعشع را در جهت های معینی گسیل می کند و یک توزیع جهتی را

طیفی و جهتی. برای توصیف کامل انتقال گرمای تشعشعی، آثار طیفی و جهتی تشعشع را باید در نظر گرفت. دستگاه موجود به

بررسی توزیع تشعشع از سطح یک منبع حرارتی می پردازد .

ل شده است که در یک طرف آن منبع تشعشع حرارتی قرار گرفته است . یک حسگر) از یک میز افقی ریل دار تشکی HT13دستگاه

sensor ( ه رد کاتشعشع حرارتی یا یک سنجشگر نور را می توان بین دو منبع قرار داد . تعدادی صفحه به همراه دستگاه وجود د

پایه هایی متصل شده اند تا بتوان آن ها را جابجا قابل سوار شدن به روی میز می باشند. تمام حسگرهای تشعشعی و قطعات اضافی به

نموده و در فواصل مختلف از منبع حرارتی قرار داد. یک خط کش در جلوی ریل میز نصب شده است تا با استفاده از آن فاصله ی

می شود. ک کلید کنترلقطعات اندازه گیری شود. نیروی برق مورد نیاز تشعشع از طریق قسمت کنترل و اندازه گیری تامین و توسط ی

یک ترانسفورماتور، تغذیه ولتاژ پایین برای منبع حرارتی را تامین می کند. قسمت کنترل و اندازه گیری از طریق یک کابل به برق

شهر وصل می شود. دمای صفحات فلزی استفاده شده در ارتباط با منبع تشعشع حرارتی روی یک صفحه نمایشگر دیجیتالی قابل

ست. خواندن ا

سنسور اندازه گیری تشعشع :

رادیومتر یا تشعشع سنج ابزاری بسیار حساس است که در استفاده از آن باید دقت شود، سطح سنسور با یک رنگ سیاه مات پوشیده

شده است که در صورت خراش برداشتن آسیب می بیند. این سنسور حتی برای مقادیر کم تشعشع از حساسیت بالائی برخوردار است

نشان می دهد. W / m² و مقادیر را مستقیما بر حسب

تشعشع ورودی و تشعشع صادره :

سنجشگر دیجیتالی، شدت تشعشع ورودی را به رادیومتر نشان می دهد. مقدار نمایش داده شده با مقدار تشعشع صادر شده از صفحه

از صفحه گرم شده مورد نیاز است. برای این منظور بین گرم شده تفاوت دارد. در بعضی از آزمایشات، اندازه گیری تشعشع صادره

از منبع حرارتی قرار گرفته و تشعشع صادره از منبع حرارتی به صورت زیر نشان داده Lتشعشع ورودی به سنسور که در فاصله

می شود:

C ( C = 30.12/ calibration factor ) X صادره از منبع حرارتیتشعشع = عدد خوانده شده توسط رادیومتر


آزمایش اول

قانون مربع معکوس فاصله برای انتقال حرارت از طریق تشعشع

هدف: نشان دادن تناسب شدت تشعشع روی یک سطح با عکس مجذور فاصله سطح از منبع تشعشع

تئوری آزمایش:

اگر یک پرتو باریک از تشعشع در نظر گرفته شود، در امتداد این پرتو در صورت عدم پخش یا جذب شدت تابش ثابت می

از یک سطح گرم باشیم توزیع تابش بر xماند. اما تابش از یک سطح گرم به شکل یک پرتو عمل نمی کند . حال اگر در فاصله

4xتوزیع تابش بر نیمکره ای به شعاع 2xد، در صورت افزایش این فاصله به می باش xروی سطح به شکل نیمکره ای به شعاع

صورت می گیرد)افزایش می یابد(

می تواند روی سطح این نیمکره در HT13در این آزمایش این رابطه را به شکل عملی برررسی می کنیم . رادیومتر در دستگاه

ومتر شعاع نیمکره فرض می شود . وقتی که رادیومتر از منبع حرارتی دور می نظر گرفته شود در واقع فاصله منبع حرارتی تا رادی

شود شعاع این نیمکره افزایش یافته و میزان تشعشع خوانده شده از رادیومتر با عکس مربع فاصله افزایش خواهد یافت. این رابطه در

بیان می شود . Lamberts Cosine Lawتئوری با


تنظیم دستگاه :

از منبع حرارتی قرار دهید.mm 900ومتر را در فاصله رادی

دقیقه( صبر کنید تا هیتر به دمای ثابت برسد. 51مدت زمان کافی )حدود

تذکر: سطح منبع حرارتی و سطح رادیومتر باید کاملا موازی یکدیگر باشند.

نحوه انجام آزمایش:

به یک دمای ثابت برسد )دمای هیتر T10(ولت تنظیم کنید تا 20را روی HT10 XCولتاژ مربوط به منبع حرارتی روی باکس

را در جدولی (X) و فاصله از منبع حرارتی (R)میزان تابش را توسط رادیومتر بخوانید ، عدد رادیومتر mm 900برای فاصله

این جدول را کامل کنید . mm 300تا mm 900یادداشت کنید. این جدول را برای فاصله

دقیقه طول خواهد کشید تا رادیومتر به یک حالت پایدار برسد. 4برای هر موقعیت جدید تذکر:


خواسته ها:

logمقادیر 𝑅 وlog10 𝑋 رابدست آورده و منحنی تغییراتlog 𝑅 را بر حسبlog 𝑋 و شیب آنرا نیز بدست آورید. رسم کنید

بولتزمن-: بررسی قانون استفان 4آزمایش

نشان دادن وابستگی شدت تشعشع با توان چهارم دمای منبع تشعشعیهدف:

تئوری آزمایش:

بولتزمن عبارت است از:-قانون استفان

𝑞ь= σ (𝑇𝑠4_ 𝑇𝑎

4)

w/m²)آن، نرخ انرژی مبادله شده بین جسم سیاه و محیط پیرامون بر واحد سطح جسم سیاه )که در

𝑇𝑠 ( دمای سطحK ، )𝑇𝑎 ( دمای محیطK ) ( و𝐾−4 ( W/𝑚−2 10−9 *1067 =σ بولتزمن است. -ثابت استفان


( قرار دهید. volt 20توان روی صفحه ی کنترل دستگاه را در حالت ماکزیمم ) -

خط کش ( قرار دهید. mm 250از صفحه ی سیاه ) mm 200رادیومتر را در فاصله ی -

تذکر: سطح صفحه ی سیاه و رادیومتر باید کاملا موازی یکدیگر باشند.


را در شرایط محیط بخوانید. سپس در یک محدوده ی مناسب با فواصل انتخابی، توان ( R )و مقادیر عدد رادیومتر ( T )مقادیر دما

ورودی به هیتر را کاهش داده و این مقادیر را به طور همزمان در جدول مربوطه ثبت کنید .


در شکاف توصیه می شود که بین هر کاهش توان گرمکن و هنگام انتظار برای ثابت شدن دمای سطح سیاه، دیسک بازتابشی

( انجام دهید . 8و 54، 50) آزمایش را با ولتاژ رادیومتر قرار گیرد تا اثرات حرارتی مذکور را حذف کند.


Radiation

( w/ 𝑚2)

Distance

( m )

I ( Amp ) V (volt )

خواسته ها :

را تکمیل کنید. 2توسط مقادیر خوانده شده جدول شماره ی -الف

= Fمقادیر –ب 𝑞𝑏

𝑅 را محاسبه و مقایسه کنید.

رسم نمایید. ̊ Kدمای سطح بر حسب Tsرا نسبت به 𝑞ьمنحنی تغییرات –ج

(view factor): محاسبه ضریب دید 3آزمایش

هدف آزمایش :

بوسیله رادیومتر با میزان تشعشع منبع حرارتی بوسیله فاکتور ضریب در این آزمایش نشان می دهیم میزان تشعشع اندازه گیری شده

دید با هم نسبت مستقیم پیدا می کنند.

تئوری آزمایش :

( از رابطه زیر بدست می آید : 𝑞ьطبق آنچه در آزمایش دوم نشان داده شد ، میزان تشعشع منبع حرارتی بعنوان یک جسم سیاه )

𝑞ь = σ ( Ts⁴_ Ta⁴)

ه در آن : ک

( W/m¯²K¯⁴ ) 10−9 X 56.7 = ضریب ثابت استفان بولتزمن= σ

𝑇𝑠 = ( 𝑘 ) دمای منبع حرارتی


𝑇𝑎 = ( 𝑘 ) محیط دمای

( 𝑞ь( با تشعشع صادر شده از منبع حرارتی ) view factor( با فاکتور ضریب دید )𝑞𝑟 تشعشع دریافت شده بوسیله رادیومتر )

𝑞𝑟= 𝐹 σ (𝑇𝑠 تناسب پیدا میکند : 4

−𝑇𝑎4)

زاویه دید از Өبا زاویه دید برای سطوح دایره ای شکل نسبت مستقیم دارد . اگر Fدر این آزمایش نشان می دهیم که مقدار ضریب

sin²را می توان از این رابطه محاسبه کرد : F ر باشد رادیومتر تا سطح نشان داده شده در شکل زی Ө =F

𝑞𝑟=sin² Ө σ (𝑇𝑠

4−𝑇𝑎

4)

∶ بنابراین

نحوه انجام آزمایش

استفاده می شود. 5یکسان است بنابراین جهت محاسبات خواسته شده از نتایج آزمایش 5روش انجام این آزمایش دقیقا با آزمایش

خواسته ها:

تابع جنس و رنگ صفحه از دو روش هندسی و رابطه استفان بولتزمن نشان دهید که ضریب دید Fبا بدست آوردن مقدار ضریب

نیست و فقط تابع ابعاد صفحه می باشد .


( Emissivity of radiating surfaceتعیین ضریب صدور ) : 2آزمایش

( براق، خاکستری( سطوح مختلف ) سیاه مات، Emissivity of radiating surfaceهدف : تعیین ضریب صدور )

نسبت انرزی صادر شده توسط یک سطح به انرژی صادر شده توسط سطح سیاه در تئوری آزمایش : ضریب صدور به صورت

همان دما تعریف می شود. برای اجسام واقعی ضریب صدور تابعی از طول موج تابش، زاویه تابش، دمای سطح و میزان پرداخت

سطح می باشد. اما معمولا در محاسبات از یک مقدار متوسط برای آن استفاده می شود.

دیر جدول بندی شده ضریب صدور در نتایج تست های منتشر شده در این رابطه یافت می شوند. در محاسبات انتقال حرارت مقا

ضریب صدور به صورت یک ضریب ثابت وارد می شود، به عنوان مثال در قانون استفان بولتزمن برای یک سطح واقعی

داریم:

𝑞ь = ξ 𝐹 σ ( Ts⁴_ TA⁴)


تنظیم کنید. 20سوئیچ کنترل ولتاژ دستگاه را روی -

صفحات مورد آزمایش را طبق شکل زیر در فواصل خواسته شده تنظیم کنید. -

رادیومتر را هم طبق شکل زیر تنظیم کنید.سطح صفحه ی مورد آزمایش و سطح رادیومتر باید کاملا موازی یکدیگر باشند. -


پس از پایداری جریان انتقال حرارت ، صفحه سیاه را در نقطه مورد نظر قرار داده تا دمای صفحه ثابت شود حال میزان تشعشع

اندازه گیری شده توسط رادیومتر و دمای صفحه سیاه را یادداشت کنید . بهمین ترتیب برای دو صفحه دیگر همین کار را تکرار

ر هنگام انتظار برای ثابت شدن دمای سطوح مختلف، صفحه بازتابشی در شکاف رادیومتر قرار گیرد تا اثرات حرارتی را کنید.) د

حذف کند (


خواسته ها :

( ضریب صدور دو صفحه دیگر را نسبت به صفحه سیاه بدست آورید ξ = 1با فرض ایده آل در نظر گرفتن صفحه سیاه ) –الف

.

مقایسه مقدار عملی و تئوری ضریب صدور و بررسی خطای آزمایش –ب


COMBIND CONVECTION AND RADIATION

HT14



انتقال حرارت جابجایی ) آزاد و اجباری (

مقدمه: میدانیم که وقتی یک صفحه فلزی داغ در مقابل یک فن قرار گیرد سریعتر از زمانی سرد می شود که در مجاورت هوای ساکن قرار

ی راب گیرد. در این صورت می گوییم که حرارت جابجا شده است و این فرایند را انتقال حرارت جابجایی می نامیم. انتقال حرارت به طریق جابجایی

بیشتر سیستم های انتقال حرارت نقشی اساسی را ایفا می کند این روش انتقال حرارت به دو صورت امکان پذیر است:

( free convection. جابجایی طبیعی یا آزاد ) 5

( force convection. جابجایی اجباری ) 4

ت از سطح گرم به هوا منتقل می شود و هوا در قسمت مجاور سطح زمانی که هوا در مجاورت یک سطح گرم و در تماس با آن قرار می گیرد حرار

رت به اگرم به علت افزایش دما، کاهش دانسیته پیدا کرده و به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد جایگزین آن می شود. به این فرایند انتقال حر

سیال در اثر تغییر چگالی حاصل از گرمایش است. یک رادیوتر گرم روش جابجایی آزاد گفته می شود . جابجایی طبیعی یا آزاد، ناشی از حرکت

رم شدن گمی تواند مثالی برای فرایند جابجایی آزاد باشد که گرما را به طریق جابجایی منتقل می کند. حرکت سیال در اثر نیروی شناوری که هنگام

ای شناوری وارد بر سیال نیروهای بدنه نیز می گویند . طبیعی است و کاهش چگالی بر سیال وارد می شود شکل می گیرد. در اصطلاح به نیروه

ری تکه هر چه دمای سطح بیشتر باشد جابجایی هوا نیز بیشتر خواهد بود و مقدار هوای بیشتری از سطح پراکنده می شود. اگر توان الکتریکی بیش

تی بیشتر شود.به گرمکن بدهیم دمای سطح افزایش می یابد تا امکان انتشار انرژی دریاف

q = h.A( 𝑇𝜔- 𝑇∞)

مرتبط می گردد. Aبا این رابطه نرخ انتقال حرارت به اختلاف کلی درجه حرارت بین جداره سیال و سطح تماس

هنگامی که جریان h( معادله معروف آن است. از این معادله در می یابیم که واحد 5-5را ضریب انتقال حرارت جابجایی و معادله ) hکمیت

دد. ( بیان شود، بر حسب وات بر مترمربع در درجه سیلسیوس بیان می گر w( بیان می شود، بر حسب وات ) wحرارت بر حسب وات )

( انتقال حرارت جابجایی از یک صفحه 5-5شکل )

( و جابجایی ) conductionاساس کار بیشتر مبدل های حرارتی و سیستم های مرتبط با آن، انتقال حرارت هم زمان به طریق هدایت )

convection . آزاد یا اجباری است )


( در داخل heat flux( و میزان حرارت منتقل شده بر واحد سطح ) Temperature profile این موارد با مطالعه چگونگی تغییرات دما )

( extended surfaceیک کانال هوا، در یک سطح صاف و با یک سطح گسترده )

می توان ضریب انتقال حرارت را پیش بینی و محاسبه کرد.

شرح دستگاه

با استفاده از این دستگاه و به کمک مطالعه پروفایل دما و شار حرارتی در کانال هوای تعبیه شده روی دستگاه برای سطح لوله استوانه ای

می توان به اندازه گیری و تخمین ضرایب حرارت پرداخت.

شت کانال هوا تعبیه شده است که هوا را به سمت ( با دور متغییر در قسمت پایین و پ fanبرای جابجایی اجباری در این دستگاه یک فن )

این صفحه ها هدایت می نماید و باعث حرکت هوا بر روی سطوح گرم می شود.

قابل مشاهده است. HT10یادآوری می شود که سرعت هوا توسط سرعت سنج نصب شده روی کانال هوا قابل اندازه گیری و در واحد

شرح قطعات دستگاه :

تگاه شامل یک کانال قائم است. این کانال طوری طراحی شده است که دما و سرعت هوای درون دستگاه را به سادگی می توان کنترل و دس

اندازه گیری و با قرار دادن انواع سطوح گرم با ابعاد مشخص در جریان هوای مورد نیاز در حالت جابجایی اجباری را تامین کرد.

کنار کانال هوا قرار دارد که توسط سیستم های مناسب امکان اندازه گیری دما، کنترل توان ورودی و سرعت هوا را فراهم مجموعه ای دیگر نیز در

نصب است قابل HT10و یک نمایشگر دما که بر حسب درجه سانتیگراد و بر روی واحد PT100می کند. اندازه گیری دما توسط یک ترموکوپل

نمایش می باشد.

(قابل تنظیم و اندازه گیری است. توان گرمکن دستگاه را می Anemometerوای جاری در کانال نیز توسط یک دستگاه سرعت سنج ) سرعت ه

توان به کمک ولت متر و آمپر متر موجود روی دستگاه و رابطه زیر محاسبه نمود:

V = RI q = 0.24 VI.t → q = 0.24 RI . I². t

( که در حالت عمومی flat plateستفاده از این سیستم می توانیم ضریب انتقال حرارت در حالت جابجایی آزاد و اجباری را برای سطح صاف )با ا

قابل مشاهده است را بدست آوریم.

قابل نمایش است. به HT10Xدرون این سطح صاف یک المان گرمایی قرار دارد که دمای ماکزیمم آن توسط یک ترموکوپل بر روی دستگاه

اد. دکمک فن دستگاه می توان جریان هوایی به سمت بالا و با سرعت های مختلف ایجاد نمود و این مقدار را توسط تنظیم کننده جریان فن، تغییر

و صفحه HT10Xدر واحد PT100( و دمای خروجی با ترموکوپل Anemometerاندازه گیری دمای هوای ورودی بر روی صفحه نمایش )

نمایشی آن قابل رویت است.

آزمایش ها، نحوه انجام و محاسبات آنها

آزمایش هایی که توسط این سیستم انتقال حرارت انجام می شوند:


بررسی رابطه ی بین توان ورودی و دمای سطح در انتقال حرارت از طریق جابجایی آزاد -5

بررسی رابطه ی بین توان ورودی و دمای سطح در انتقال حرارت از طریق جابجایی اجباری -4

در انتقال حرارت از طیق جابجایی آزاد میزان انتقال حرارت از سطح به میزان جابجایی هوا در اثر گرم شدن بستگی دارد. در صورتی که هوا

FORCED CONVECTIONبه چنین پروسه ای در انتقال حرارت، جابجایی اجبار ) خود دارای سرعت باشد، میزان انتقال حرارت بیشتر است.

یی( گفته می شود. در این نوع انتقال حرارت به ازاء توان ورودی یکسان و سطح تماس برابر، دمای سطح گرم تر از دماهای همان سطح در جابجا

آزاد خواهد بود.

آزمایش اول :

رودی و دمای سطح در انتقال حرارت از طریق جابجایی آزادبررسی رابطه ی بین توان و


ا وهمانطور که قبلا گفتیم زمانی که هوا در مجاورت یک سطح گرم و در تماس با آن قرار می گیرد حرارت از سطح گرم به هوا منتقل می شود و ه

کرده و به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد جایگزین آن می شود. به این در قسمت مجاور سطح گرم به علت افزایش دما، کاهش دانسیته پیدا

( بستگی Pr( و پرانتل ) Gr( به عددهای گراشف ) Nuفرایند انتقال حرارت به روش جابجایی آزاد گفته می شود . در جابجایی آزاد عدد ناسلت )

دارد و حرارت منتقل شده به شکل زیر بیان می شود :

Nu = f( Gr, Pr ) Ra = (Gr Pr)

( K) = دمای سطح لوله استوانه ایی 𝑇𝑠اگر

D ( قطر لوله استوانه ایی =m )

L ( طول گرم شده لوله استوانه ایی =m )

𝑇 ( m= دمای هوای محیط )

Ra ) عدد رایلی ) بدون بعد =

𝐴𝑠 ( πDL ) = سطح مقطع انتقال حرارت

𝐻𝑐𝑚 𝐴𝑠 ( 𝑇𝑠 - 𝑇𝑎 ) 𝑄𝐶 =حرارت منتقل شده از طریق جابجایی آزاد

𝐴𝑠 = 𝐻𝑟𝑚 𝑄𝑟 ( 𝑇𝑠 - 𝑇𝑎 ) حرارت منتقل شده از طریق تشعشع

𝑄𝑟 𝑄𝐶 = 𝑄𝑡𝑜𝑡 +وله استوانه ای کل حرارت منتقل شده از ل

از رابطه زیر محاسبه می شود : 𝐻𝑟𝑚 ضریب متوسط انتقال حرارت تشعشی

(𝑇𝑠4−𝑇𝑎

4)

(𝑇𝑠−𝑇𝑎) Fσσ = 𝐻𝑟𝑚

σ ( ضریب استفان بولتزمن =W m-2K-4 )

σ ) ضریب صدور ) بدون بعد =


F =5 ) ضریب دید ) بدون بعد =

𝐻𝑐𝑚ضریب متوسط انتقال حرارت جابجایی آزاد با استفاده از روابط زیر محاسبه می شود :

𝑇𝑓𝑖𝑙𝑚= ( 𝑇𝑠−𝑇𝑎)

2

( K-1) = 1

𝑇𝑓𝑖𝑙𝑚β

𝐺𝑟𝐷= 𝑔𝛽(𝑇𝑠−𝑇𝑎)𝐷3

𝜗

𝑅𝑎𝐷= ( 𝐺𝑟𝐷Pr )

𝑁𝑢𝑚 = c (𝑅𝑎𝐷)n

𝐻𝑐𝑚= ( 𝑘𝑁𝑢𝑚)

𝐷 ( Wm-2K-1)

Ra ) عدد رایلی ) بدون بعد =

Gr ) عدد گراشف ) بدون بعد =

= 𝑁𝑢𝑚 ) عدد ناسلت ) بدون بعد

Pr ) عدد پرانتل ) بدون بعد =

( ms-2= شتاب جاذبه زمین ) 9685 =

β = ضریب انبساط حجمی (K-1 )

= 𝜗 ( ویسکوزیته هواm2s-1 )

K ( ضریب هدایت حرارتی هوا =Wm-1K-1 )

د. ( هستند . ) این پارامترها از جداول خواص فیزیکی هوا استخراج می شون 𝑇𝑓𝑖𝑙𝑚خواص فیزیکی هوا در دمای 𝜗و k ،prنکته :

Q𝑖𝑛= VIمقدار واقعی توان حرارتی لوله استوانه ای :

برای جابجایی آزاد بر روی لوله استوانه ای را نشان می دهد : nو cجدول زیر مقادیر ثابت


RaD c n

10-9 to 10-2 .675 0.058

10-2 to 102 1.02 0.148

102 to 104 0.850 0.188

104 to 107 0.480 0.250

107 to 1012 0.125 0.333

مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد بصورت تئوری به شکل زیر محاسبه می گردد :

𝐻𝑐𝑚 = 1.32(𝑇𝑠−𝑇𝑎

𝐷)0.25


𝑇9 ،𝑇10 ،Vولت تنظیم می کنیم و صبر می کنیم تا دستگاه به حالت پایدار برسد . سپس پارامترهای 5ابتدا ولتاژ هیتر را روی

ولت انجام می دهیم و نتایج را برای 20و 15، 12 ، 8یادداشت می کنیم . این کار را برای ولتاژهای HT10XCرا از واحد Iو

کلیه ولتاژها یادداشت می کنیم . پارامترهای زیر در این ازمایش مورد استفاده قرار می گیرد :

D = 0.01= قطر المنت استوانه ایی (m )

L = 0.07= طول المنت استوانه ایی (m )

σ = 0.95= ضریب صدور سطح

σ = 56.7 9−10= ثابت استفان بولتزمن × ( Wm-2k-9 )

خواسته های آزمایش :

نشان دهید حرارت انتقال یافته از سطح گرم به محیط مجموع حرارت ناشی از جابجایی آزاد به اضافه گرمای تشعشعی است -5

.

نشان دهید حرارت انتقال یافته با افزایش دمای سطح هیتر افزایش می یابد . -4


محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی و تشعشی و رسم نمودار این دو پارامتر بر حسب دمای سطح گرم )نکته نمودار : از -3

افته صرفنظر کرد( درجه سانتیگراد به بعد نمی توان از اثر حرارت تشعشعی در حرارت انتقال ی 230دمای

آزمایش دوم :

بررسی رابطه ی بین توان ورودی و دمای سطح در انتقال حرارت از طریق جابجایی اجباری


در انتقال حرارت از طریق جابجایی آزاد میزان انتقال حرارت از سطح به میزان جابجایی هوا در اثر گرم شدن بستگی دارد . در

صورتی که هوا خود دارای سرعت باشد، میزان انتقال حرارت بیشتر است . به چنین پروسه ای در انتقال حرارت، جابجایی اجباری)

forced convection ) گفته می شود. در این نوع انتقال حرارت به ازاء توان ورودی یکسان و سطح تماس برابر، دمای سطح گرم

کمتر از دمای همان سطح در جابجایی آزاد خواهد بود.

راوابط حاکم بر سیستم در صورتی که انتقال حرارت به صورت جابجایی اجباری باشد :

𝐴𝑠 (πDL) = سطح مقطع انتقال حرارت

𝐻𝑓𝑚 𝐴𝑠 ( 𝑇𝑠 - 𝑇𝑎 ) 𝑄𝑓 = حرارت منتقل شده از طریق جابجایی آزاد

𝐴𝑠 ( 𝑇𝑠 - 𝑇𝑎 ) حرارت منتقل شده از طریق تشعشع

= 𝐻𝑟𝑚 𝑄𝑟


𝑄𝑟 +قل شده از لوله استوانه ای کل حرارت منت

𝑄𝑓 = 𝑄𝑡𝑜𝑡

ضریب انتقال حرارت تشعشعی (𝑇𝑠

4−𝑇𝑎4)

(𝑇𝑠−𝑇𝑎) Fσσ = 𝐻𝑟𝑚

ضریب هدایت حرارت جابجایی اجباری

𝑁𝑢𝑚 = 𝐾

𝐷 𝐻𝑓𝑚

(1+(𝑅𝑒

282000)0.5) 0.3 +

0.62𝑅𝑒0.5𝑃𝑟0.33

(1+(0.4

𝑃𝑟)0.66)0.25

= 𝑁𝑢𝑚

Re =𝑈𝑐 D/𝜗 ) عدد رینولدز )بدون بعد

pr ) عدد پرانتل برای هوا ) بدون بعد

𝑈𝐶= 1.22 𝑈𝑎 سرعت تصحیح شده هوا

: نحوه انجام آزمایش

steady. ابتدا تا متر بر ثانیه قابل تنظیم است 7.0تا 0.5ولت تنظیم میکنیم . سرعت فن بین 20برای انجام این آزمایش ولتاژ هیتر را روی

می کنیم و نتیج را یادداشت می کنیم RUNمتر بر ثانیه و همان ولتاژ سیستم را 0.5با فن خاموش صبر می کنیم سپس با سرعت T10شدن دمای

متر بر ثانیه ادامه پیدا می کند . د رنهایت 7.0متر بر ثانیه افزایش داده و نتایج را مشاهده و یادداشت می کنیم اینکار تا سرعت 661سپس سرعت را

ژ هیتر را روی حداقل تنظیم کرده و دستگاه را خاموش می کنیم. ولتا

خواسته های آزمایش :

محاسبه مقدار تئوری و عملی ضریب انتقال حرارت جابجایی در حالت اجباری و مقایسه آنها . -5

برحسب سرعت )متر بر ثانیه ) درجه سانتیگراد ( T10)دمای لوله استوانه ای ( با رسم نمودار T10بررسی تاثیر سرعت فن بر دمای -4

. )


EXTENDED SURFACE HEAT TRANSFER

HT15

( HT15آزمایش سطوح گسترش یافته )

بررسی انتقال حرارت در سطوح گسترش یافته ) بررسی توزیع دما در فین (


ه ه ببا افزایش مساحت سطحی که جابجایی بر آن روی می دهد، آهنگ انتقال گرما افزایش می یابد. این کار با استفاده از پره هایی که از دیوار

ای هداخل سیال اطراف گسترش یافته، انجام می گیرد. چند کاربرد پره ها عبارتند از : پره های خنک کن بدنه موتور در موتور سیکلت و یا پره

خنک کن در ترانسفورماتورهای برق و همچنین لوله های پره داری که برای تقویت تبادل گرما بین هوا و سیال عامل دستگاه تهویه به کار می

هرود. در هر کاربرد، انتخاب نوع پره به عواملی مانند ابعاد، وزن، هزینه، میزان ضریب جابجایی در سطح و افزایش افت فشار جریان روی پر

وسیله ای مناسب برای تحقیق در مورد اثر سطح انتقال حرارت، جنس فین و دمای مبنا در توزیع و انتقال حرارت HT15ها بستگی دارد. دستگاه

در فین است.

( convection( سطحی است که برای افزایش نرخ انتقال حرارت از سطح یک جسم امتداد می یابد و جابه جایی ) fin پره یا فین حرارتی )

حرارتی را افزایش می دهد.

( از یک جسم، تعیین کننده میزان حرارتی است [ آن radiation( و تابش ) convection( ، جابه جایی ) conductionمیزان رسانایی )

( ، heat transfer coefficientجسم انتقال می دهد. افزایش اختلاف دما بین جسم و محیط، افزایش ضریب انتقال حرارت جابه جایی )

افزایش مساحت سطح جسم باعث افزایش انتقال حرارت می شود. گاهی تغییر دو گزینه اول غیر اقتصادی یا غیر عملی است. در این موارد اضافه

کردن فین به سطح جسم باعث افزایش مساحت سطح می شود و می تواند یک راه حل اقتصادی برای مسایل انتقال حرارتی باشد.

:( HT15شرح دستگاه )

10جهت بررسی قطر میله ) (cm) 5دستگاه شامل یک میله استوانه ای افقی است که روی یک پایه فلزی قرار گرفته است . فاصله های

mm ( نسبت به طول آن) 350 mmحرارت از ( کم بوده در نتیجه هدایت حرارتی در طول میله یک بعدی در نظر گرفته می شود و از افت

بالای سطح صرفنظر می شود. در این دستگاه میزان انتقال حرارت هدایتی در طول میله با حرارت جابجا شده با محیط از طریق جابجایی و

و این میله بوسیله یک المنت حرارتی الکتریکی ) 10mm( و همانطور که گفته شد قطر آن brass تشعشعی مقایسه می شود. جنس میله برنج )

cuntridge 50( که با ولتاژهای پایین کار می کند گرم می شود، هشت ترموکوپل به فاصله هایmm از همدیگر روی میله قرار گرفته اند که

است. یک ترموکوپل روی پایه میله قرار داده شده است که دمای محیط بوسیله آن قابل اندازه گیری است . ضریب 350mmدر نهایت طول میله

می باشد، انتهای آزاد میله یک پیچ پلاستیکی تعبیه شده است ) به منظور آدیاباتیک در نظر گرفتن شرایط ℃w/m 121رارتی برنج هدایت ح

در HT10XCمرزی سیستم ( ، جهت تغییر در ولتاژ هیتر و نمایش ولتاژ، جریان، و دماهای اندازه گیری شده بوسیله ترموکوپل ها از واحد

اه استفاده می شود. مجاورت این دستگ


شکل دستگاه

آزمایش اول :

هدف آزمایش : اندازه گیر یتوزیع دما در طول سطح فین و مقایسه نتایج آزمایشگاهی با نتایج تئوری .


تقال حرارت ثابت در نظر گرفته شود باید ( باشد و نرخ ان convectionوقتی نیاز به سرد کردن یک سطح با روش انتقال حرارت جابجایی )

یی در اسطح مقطع جسم را افزایش داد این کار معمولا با اضافه کردن سطح گسترش یافته که فین یا پین نامیده می شود انجام می گیرد. گرادیان دم

نتقل شده به محیط ا زطریق جابجایی و تابش طول فین یا پین بوجود می آید که تابعی از ضریب هدایت حرارتی فلز تشکیل دهنده ان و حرارت م

می باشد.

یک المان روی پره در نظر بگیریم و بالانس انرژی روی آن نوشته شود به نتایج زیر می رسیم : steady state اگر در حالت


𝑑2𝜃(𝑥)

𝑑𝑥2 -𝑚2 𝜃(𝑥) = 0

𝑚2=𝐻𝑃

𝐴𝐾𝐵𝑟𝑎𝑠𝑠

𝜃(𝑥) = 𝑇𝑥 − 𝑇𝑎

x=L → 𝑑𝜃(𝑥)

𝑑𝑥= 0

با توجه به روابط بالا :

𝜃(𝑥)

𝜃0=

𝑇𝑥 − 𝑇𝑎

𝑇1 − 𝑇𝑎=

cosh 𝑚(𝑙 − 𝑥)

cosh 𝑚𝑙

و مقدار گرمای منتقل شده از فین د رآزمایش دوم کامل تشریح شده است . ( Hنحوه ی محاسبه ضریب کلی انتقال حرارت نکته :)


به (𝑇1قرار می دهیم تا اولین ترموکوپل ) volt 20روی عدد HT10XCدر این آزمایش ولتاژ را از طریق سوئیچ کنترل موجود در واحد

به حداقل خود 𝑇1برسد یعنی تغییرات دمایی در نقطه steady state قرار داده تا سیستم به حالت volt 9برسد سپس ولتاژ را روی ℃90

𝑇1برسد سپس دمای − 𝑇8 را خوانده و همچنین𝑇9 .


در نظر بگیرید ( Hجهت محاسبه 7.4را mنیز تکرار می کنیم .) نکته : حدس اولیه مقدار 14تا 12این نتایج را برای ولتاژهای

خواسته ها :

توزیع دمای تئوری و عملی را برای ولتاژهای گفته شده بدست آورده و مقایسه کنید. -

رسم نمودار توزیع دمای تئوری بر حسب فاصله بین ترموکوپل ها برا ی ولتاژهای گفته شده و همچنین رسم و مقایسه دماهای تئوری -

و عملی برای یک ولتاژ خاص بر حسب فاصله .

آزمایش دوم :

هدف : مقایسه حرارت انتقال یافته با مقدار گرمای تئوری

تئوری :

است که طبق آن کل حرارت منتقل McGraw-Hill در کتاب انتقال حرارت W.H. McAdamsرابطه به کار برده شده برای این آنالیز رابطه

شده به محیط از رابطه ی زیر برای فین محاسبه می شود :

𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= H𝐴𝑠(𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)

( مجموعی از ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد و تابشی است: Hکه در این رابطه ضریب کلی انتقال حرارت )

H =𝐻𝑐𝑚+𝐻𝑟𝑚

A =πDL ) کل سطح فین

(

L = ) 𝑇1 − 𝑇8 طول فین ) فاصله

D = قطر فین

آزاد از رابطه زیر بدست می آید : –متوسط ضریب انتقال حرارت جابجایی

𝐻𝑐𝑚 = 1.32 [(𝑇𝑠−𝑇𝑎)

𝐷]

0.25

(w𝑚−2𝑘−1)


𝑇𝑠=(( 𝑇1 + 273) + (𝑇8 + 273))/8

) 273+ 𝑇9دمای هوای محیط )= 𝑇𝑎

متوسط ضریب حرارت تشعشعی از رابطه زیر بدست می آید :

𝐻𝑟𝑚= 𝛿휀𝑓(𝑇𝑠

4−𝑇𝑎4)

(𝑇𝑠−𝑇𝑎) (w𝑚−2𝑘−1)

δ = بولتزمن استفان ضریب = 56.70 × ) بدون بعد ( 10−9

𝑓 = 1 ) بدون بعد ( ضریب دید =

شرح آزمایش :

نحوه ی گزارش نتایج این آزمایش دقیقا مشابه آزمایش اول است .

خواسته ها :

- 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 کنید و در اختلاف بین گرمای واقعی و مجموع را بدست آورید و با مقدار گرمای واقعی )( مقایسه

گرمای جابجایی و تشعشعی بحث کنید.

آزمایش سوم :

مشخص کردن خصوصیات فیزیکی ) ضریب هدایت حرارتی ( میله فلزی

تئوری : در این آزمایش نشان داده می شود که جریان گرما در طول سطح گسترش یافته به ضریب هدایت فلزی که فین را

تشکیل داده است بستگی دارد. بر طبق آنچه گفته شد :

𝑚2= 𝐻𝑃

𝐾𝐵𝑟𝑎𝑠𝑠𝐴

𝐾𝐵𝑟𝑎𝑠𝑠= 𝐻𝑃

𝑚2𝐴

H = ضریب کلی انتقال حرارت جابجایی و تابشی )w 𝑚−2𝑘−1(

P = محیط فین = 𝜋𝐷 ( m )


A = سطح مقطع عرضی فین = 𝜋𝐷2

4 ( 𝑚2)

را می توان با حدس و خطا از رابطه زیر بدست آورد : mمقدار

𝑇𝑥 − 𝑇𝑎

𝑇1 − 𝑇𝑎=

cosh 𝑚(𝑙 − 𝑥)

cosh 𝑚𝑙

H =𝐻𝑐𝑚+𝐻𝑟𝑚

𝐻𝑐𝑚 = 1.32 [(𝑇𝑠−𝑇𝑎)

𝐷]

0.25

𝐻𝑟𝑚= 𝛿휀𝑓(𝑇𝑠

4−𝑇𝑎4)

(𝑇𝑠−𝑇𝑎)

(w 𝑚−2𝑘−1 =𝐾𝐵𝑟𝑎𝑠𝑠 121 در نظر گرفته شود. ) 7.4جهت حدس و خطا m نکته : مقدار اولیه

خواسته ها : بدست آوردن ضریب هدایت حرارتی سطح گسترش یافته به صورت عملی و مقایسه با مقدار تئوری داده شده در بالا.



TEMPERATURE MEASUREMENT AND

CALIBRATION

TH1

ویژگی های تجهیزات صنعتی

تئوری :


از دیدگاه صنعتی دما یکی از مهمترین پارامترهای اندازه گیری است. در بیشتر سیستم های صنعتی از تجهیزات اندازه گیری دما

استفاده می RTD ، دماسنج های مقاومتی Tc مانند دماسنج های مایع در شیشه ، دماسنج با صفحه مدرج، حسگرهای ترموکوپل

شود.

دمای ترمودینامیکی نقطه سه گانه آب می باشد. درجه 1/273.16گیری دما، کلوین است که برابر با برای اندازه SIواحد مبنای

به رسمیت شناخته می شود. SIسیلسوس نیز در سیستم

دما میزان گرمی یک شیء و تابع قوانین ترمودینامیکی است. مقیاس دما بر قانون اول و دوم ترمودینامیک معروف به مقیاس دمای

است. اولین مقیاس دمای ( ( IT S-90 1990ودینامیکی مبتنی است. مقیاس دمای کاربردی رایج ، مقیاس دمای بین المللی ترم

1968( شد، در ( IT S-48بازبینی و تبدیل به 1948در IT S-27 تعریف شد. 1927 در IT S-27کاربردی معروف به

بود. مقیاس دما در نقاط میانی مقیاس با استفاده از 1968س دمای کاربردی بین المللی بازبینی جامع تری انجام شد که نتیجه ان مقیا

پلاتین استاندارد بعنوان تجهیزات –دماسنج هایی معین می شود که تجهیزات درون یابی نامیده می شود. از دماسنج های مقاومتی

) نقطه انجماد نقره ( استفاده می شود. در دماهای ℃ 961.78)نقطه سه گانه هیدروژن ( تا 𝐾° 13.8033درون یابی در گستره

، مقیاس بر حسب یک تشعشع کننده جسم سیاه مرجع تعریف می شود . ℃961.78بالاتر از

برای اندازه گیری دما در صنعت از انواع دماسنج ها استفاده می شودو انواع اصلی آن عبارتند:

( دماسنج های ترموکوپلیthermocouple thermometer )

( دماسنج های مقاومتیResistance thermometer )

( دماسنج های مایع در شیشهLiquid in Glass thermometer )

( دماسنج های دو فلزیthermometer Bi- metal )

( دماسنج های تابشی Radiation thermometer )

( پایرومترههای نوریOptical pyrometer )

موجود می باشند . TH1حال به بررسی تجهیزات اندازه گیری دمایی می پردازیم که در دستگاه آزمایشگاهی

K ( Chromel(+) – Alumel(-) ) ترموکوپل نوع -

( با نام تجاری کرومل در این دستگاه موجود است. شاخصه مهم این Ni – Crکروم ) –از آلیاژ نیکل K ترموکوپل نوع

ترموکوپل ها ارزان قیمت بودن است و در نتیجه یکی از پر کاربردترین ترموکوپل محسوب می شوند. رنج عملکرد دمایی آن

اده قرار می گیرد. قبل است و معمولا در دماهای بالا مورد استف ѵ𝜇 41/ ℃می باشد و حساسیت آن ℃ 1200+تا ℃ 200-

از این : ترموکوپل یکی از پرمصرفترین سنسورهای اندازه گیری دما محسوب می گردد و در واقع یک نوع مولد برق محسوب

می شود. این ابزار اندازه گیری دما از پدیده سیبک استفاده می شودبه این صورت که، در صورت حرارت دادن محل اتصال،

جنس دو فلز، در دو سر دیگر که آزاد هستند اختلاف پتانسیل ایجاد می شود از اختلاف پتانسیل ایجاد شده به علت متفاوت بودن

در دو سر مفتول که تابع میزان حرارت اعمال شده است برای محاسبه درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل استفاده می شود.


ا، رنج دما، دقت اندازه گیری و ... در انواع مختلفی تقسیم بندی می ترموکوپل ها با توجه به کاربرد، محیط اندازه گیری دم

است. معمولا جهت جلوگیری از آسیب دیدن ترموکوپل، آن را درون k شوند که ترموکوپل استفاده شده در این دستگاه از نوع

غلاف فلزی یا سرامیکی قرار می دهند.

( RTDدماسنج های مقاومتی ) -

ومتی یا سنسورهای اندازه گیری دما از خاصیت تغییر میزان مقاومت در برابر دما استفاده می کنند. آنچه که در دماسنج های مقا

( می باشد. ℃/Ohmمورد دماسنج های مقاومتی مهم است تغییرات مقاومت بر حسب دما )

این نوع سنسورها در دو گروه قرار دارند. گروه اول سنسورهایی که با افزایش دما مقاومتشان کم می شود و دسته دوم

سنسورهایی که با افزایش دما مقاومتشان افزایش می یابد. اسم این سنسورها از دو قسمت تشکیل شده است قسمت اول جنس فلز

معرف RTD PT100 ،PTرا نشان می دهد. به طور مثال ℃ 0در دمای به کار رفته و قسمت دوم اسم مقاومت سنسور

است که در این PT100همان RTDاست. متداولترین 𝛺 100برابر ℃ 0فلز پلاتین است و مقاومت سنسور در دمای

دستگاه به بررسی نتایج اندازه گیری آن می پردازیم.

(: (RTDتفاوت ترموکوپل با دماسنج های مقاومتی

از ترموکوپل برای مواردی که دقت بالایی نیاز نیست یا مواردی که رنج دمایی بسیار وسیع است و یا دمای بسیار بالایی

مورد اندازه گیری باشد، استفاده می شود. در حالیکه دقت دماسنج های مقاومتی بسیار بیشتر از ترموکوپل ها بوده ولی محدوده

( است. ℃ 600ایین تر ) کاربردشان در دماهای پ

به صورت کلی بهتر است در دماهای بالا از ترموکوپل و در دماهای پایین از دماسنج های مقاومتی استفاده کرد.

( (thermistor probeترمیستورها -

تور ه یک ترمیسترمیستورها یک تجهیز نیمه هادی است که از اکسیدهای فلزی ساخته شده است. اساس اندازه گیری دما به وسیل

این است که مقاومت الکتریکی آن با دما تغییر می کند. اغلب ترمیستورها دارای ضریب مقاومت منفی هستند و از اینرو با

مقاومت عمومی تفاوت دارند. ضریب مقاومت منفی به این معنی است که با افزایش دما کاهش می یابد.

ها دارند. به همین دلیل تغییرات کوچک دما راحت تر قابل تشخیص RTDه ترمیستورها ضریب دمایی خیلی بالاتری نسبت ب

73-ها را ندارند و احتمالا به همین دلیل کاربرد آن ها به عنوان ابزار دقیق محدود است و دمای RTDاست. ترمیستورها دقت


لای ترمیستورها، اغلب برای تشخیص درجه سانتی گراد را اندازه گیری می کند. با توجه به هزینه کم و حساسیت با 311+تا

وضعیت های آلارم فرایند از ترمیستورها استفاده می شود.

ترمومتر مایع در شیشه -

این ترمومتر یکی از قدیمی ترین ابزار اندازه گیری برای دماست. در این روش از جیوه یا الکل در لوله شیشه ای استفاده می

درون لوله حرکت می کند. البته هوای درون لوله تخلیه شده است. شود که با ازایش دما انبساط کرده و

نیاز داشتن به کالیبراسیون مجدد. -سادگی -مزایا: هزینه کم

-شکننده -معایب: اندازه گیر یتنها به صورت محلی

ترمومتر دو فلزی -

صل از دو طرف که دارای ضریب انبساط اگر دو فلز مستقیمو متفاوت به یکدیگر چسبانده شده و حرارت داده شوند، نوار حا

پایین تری است خمیده می شود. میزان این تغیییر شکل متناسب با مجذور طول نوار و تغییرات دمایی و به طور معکوس

متناسب با ضخامت فلزهاست. یک نوار دوفلزی )بی متال ( را می توان برای ایجاد یک تغییر شکل از پیش تعیین شده، در

کالیبره کرد. از آنجا که میزان جابه جایی به وجود آمده توسط نوار بی متال، کوچک است برای تقویت آن، نوار دمای مشخص

متال به شکل فنری یا حلزونی ساخته می شود. محدوده ی عملکرد ، برای کاربردهای متفاوت متغیر است. محدوده پایین تر -بی

وجود دارد . جنس ترمومتر از فولاد کربن ، فولاد ضد زنگ، یا مواد 550تا 100و محدوده بالا از ℃ 50+تا 70-از

مناسب برای خروج آسان یا مقاوم در برابرمحیط های خورنده است.

احتمال شکستن کمتر در مقایسه با ترمومترهای شیشه ای -ساخت ساده -مزایا: ارزان

خارج شدن از وضعیت کالیبره -فقط اندازه گیری محلی -سادهفقط قابل استفاده برای نمایش یا سویچینگ -معایب: دقت محدود

در اثر شوک.

آزمایش کالیبراسیون و اندازه گیر ی دما

هدف : بررسی خواص ترموالکتریکی دماسنج های مختلف : دماسنج های مقاومتی ، ترموکوپل ، مایع در شیشه ف دو فلزی )

Bi- metal و ترمیستور )



برای دیدن تغییرات خواص سنسورهای خروجی در محدودهی دمایی مشخص از مخزن آب گرم استفاده می کنیم . این دستگاه

دستگاه ف دارای سوئیچ روشن و HT10از یک مخزن آب مجهز به یک هیتر و یک همزن برقی که هر کدام روی واحد

سیله یک لوله آبنما که روی دیوره بیرونی مخزن قرار گرفته خاموش می باشندتشکیل شده است . سطح آب موجود در مخزن بو

است مشخص می شود. برای این آزمایش ، سنسورهای زیر بکار برده می شوند:

PT 100 ( صنعتیIND PT 100 ،)PT 100 ( مرجعref PT 100 ترموکوپل نیکل ، )– straight ،تریستور ،

IND PT.چک کنید تمام سنسورهای نام برده در جای خود قرار گرفته باشند. Bi-metalترمومتر مایع در شیشه و ترمومتر

" قرار داده شود. IND SET" قرار گرفته باشد و سوئیچ مربوط به ترموکوپل روی " LOWباید در وضعیت جریان " 100

نمایش می دهند یادداشت کنید . HT10ابتدا دمایی را که هر کدام از سنسورهای روی واحد

که دمای آب مخزن افزایش یافت مقدار دمای نشان داده شده توسط ℃5سپس سوئیچ هیتر و هم زن را روشن کنید . هر

یادداشت کنید . زمانی که بخار آب از دریچه بخار بالای مخزن به 1سنسورهای مورد نظر را بخوانید و در جدول شماره

شد آب مخزن به نقطه جوش خود رسیده است . حال شروع به خواندن دماها صورت کاملا پایدار در مدت زمان چند دقیقه دیده

در مسیر برگشت کنید توجه داشته باشید سطح آب مخزن از خط دوم نشان داده شده روی لوله آبنما پایین تر نیاید. در هنگام

روشن بودن همزن به سرعت پایین خواندن دماها در مسیر برگشت ، هیتر را خامش اما همزن را همچنان روشن نگه دارید .)

آوردن دما کمک میکند. (

Bi-metal

(℃)

Liquid in –

glass

(℃)

Thermistor

𝛺

Thermocouple

(𝜇𝑣)

PT 100 IND

𝛺

PT 100

REF

(℃)

خواسته ها :

را پر کنید. 1جدول شماره -

رسم PT 100 REF نمودار تغییرات دماهای خوانده شده از سنسورهای مختلف را بر حسب دماهای خوانده شده توسط -

کنید.

ترارح لاقتنا...

Documents