Necesitatea cunoasterii coeficientului global de transfer termic k si a conductivitatii termice echivalente l _e se impune in multe domenii ale tehnicii si in special in cazul izolatiilor termice, schimbul de caldura dintre partile componente ale diverselor instalatii si mediul inconjurator constituind o problema deosebit de importanta.

Schimbul global de caldura are loc intre doua fluide despartite printr-un perete (fig.11.1), si este realizat din succesiunea transferului termic prin convectie si radiatie intre fluidul 1 de temperatura > si suprafata B a peretelui de temperatura, conductia termica prin peretele neomogen (format din straturile de grosime d ₁, d ₂,..., d _n avand conductivitatile termice l ₁, l ₂,..., l _n), si transferul termic prin convectie si radiatie de la suprafata C a peretelui de temperatura la fluidul 2, avand temperatura < .

Fluxul de caldura reprezinta cantitatea de caldura transmisa in unitatea de timp si se exprima in W. Densitatea fluxului de caldura q este fluxul termic transmis pe unitatea de suprafata:

[ W/m^2] , (11.1)

unde: A reprezinta aria suprafetei de schimb de caldura, in m².

In cadrul schimbului global de caldura, aportul radiatiei termice la transmiterea caldurii se ia in considerare prin coeficientul de transfer termic

de suprafata prin radiatie a _rad, rezultand valoarea coeficientului de transfer termic de suprafata a :

a = a _conv + a _rad [W / (m^2× K)], (11.2)

unde: a _conv este coeficientul de convectie termica, in W / (m^2× K) .

In acest fel, transferul de caldura prin convectie si radiatie intre fluidul 1 si peretele B, respectiv intre peretele C si fluidul 2, se inlocuieste cu un transfer de caldura de suprafata.

Avand in vedere cele de mai sus, transferul de caldura dintre fluidul 1 si suprafata B a peretelui, se poate exprima cu ajutorul legii lui Newton :

unde: a _l este coeficientul de transfer termic de suprafata de la fluidul l la

perete, in W / (m^2× K) ;

Din relatia (11.3) rezulta:

Pe baza legii lui Fourier, fluxul de caldura transmis prin primul strat al peretelui este dat de relatia:

(11.5)

unde: l ₁ este conductivitatea termica a primului strat, in W / (m× K) .

Diferenta de temperatura pe stratul de grosime d ₁ a peretelui se obtine din relatia (11.5):

[ ° C] . (11.6)

In mod analog , rezulta:

[ ° C] , (11.7)

……………………….

[ ° C] . (11.8)

Prin asemanare cu relatia (11.4) se exprima diferenta dintre temperatura suprafetei C si temperatura fluidului 2:

Considerand procesul de transmitere a caldurii stationar, adica =₁ = ₂ = . . . = = = , si adunand relatiile (11.4), (11.6) ¸ (11.9), rezulta:

[ ° C] . (11.10)

Din relatia (11.10) rezulta:

[ W] ,(11.11)

unde: [W / (m²K) ] , (11.12)

si se numeste coeficient global de transfer termic.

Daca se considera numai procesul de transmitere a caldurii prin conductie in interiorul peretelui, din insumarea relatiilor (11.6) ¸ (11.8), rezulta:

[ ^oC ] , (11.13)

de unde:

unde: [W / (m.K) ] , (11.15)

si reprezinta conductivitatea termica echivalenta a peretelui, d fiind grosimea totala a peretelui, in m .

12.2. Descrierea aparaturii si mersul lucrarii

Scopul lucrarii este determinarea coeficientului global de transfer

termic si a conductivitatii termice echivalente a unui cuptor incalzit electric. Instalatia experimentala (fig.11.2) se compune din cuptorul electric 1 incalzit prin intermediul barelor de silita 2 si aparatura de reglare si masurare a temperaturii din cuptor.

Fluxul de caldura ce ia nastere in cuptor se regleaza cu ajutorul reostatului 10.

Temperatura din interiorul cuptorului se masoara cu un termocuplu 4, prin intermediul milivoltmetrului 14. Temperatura suprafetelor exterioare ale cuptorului se determina cu ajutorul unui termometru cu rezistenta din cupru 5 cuplat cu un logometru 12 si a trei termometre cu rezistenta din platina 3 cuplate cu un logometru indicator-inregistrator 6 plasat pe stativul 8. Dimensiunile cuptorului sunt date in figura 11.2.

Lucrarea se efectueaza dupa ce cuptorul a ajuns in stare de echilibru termic. In acest scop, intrucat inertia termica este destul de mare, incalzirea cuptorului incepe cu cateva ore inainte, prin actionarea intrerupatoarelor 7 si 15.

Dupa obtinerea regimului stationar de transfer de caldura, se determina consumul de energie electrica prin masurarea intensitatii I si a tensiunii U a curentului electric cu ajutorul ampermetrului 16 si a voltmetrul 13 plasate pe panoul 9. Se determina de asemenea temperatura t_c a mediului din cuptor cu ajutorul pirometrului termoelectric 4 si indicata de milivoltmetrul 14. Se masoara in continuare temperatura suprafetelor exterioare ale cuptorului cu ajutorul celor trei termorezistente 3, temperaturi indicate de logometrul 6, si a termorezistentei 5, temperatura indicata de logometrul 12.

Media acestor masuratori va reprezenta temperatura exterioara a peretelui cuptorului t_e.

11.3. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Rezultatele masuratorilor si marimile obtinute prin calcul se centralizeaza in tabelul 11.1.

Coeficientul global de transfer termic k se calculeaza cu relatia (11.11) care, prin transformare si adaptarea notatiilor de mai sus, devine:

[ W / (m² K )] , (11.16)

Tabelul 11.1 Rezultatele masuratorilor si a calculelor

unde: este fluxul de caldura determinat cu relatia:

= 0,85× U× I [W], (11.17)

U - tensiunea curentului electric, in V;

I - intensitatea curentului electric, in A;

t_c - temperatura indicata de termocuplu, in ^oC;

t_a - temperatura mediului ambiant, in ^oC;

A_m-aria suprafetei medii de transfer de caldura care, avand in vedere

forma si dimensiunile cuptorului, se calculeaza cu expresia :

[m² ] , (11.18)

unde: A_i este aria suprafetei interioare a cuptorului, in m²;

d - grosimea peretilor; se poate adopta d = 0,120 m;

y_i – suma muchiilor interioare ale cuptorului; å y_i = 0,175 m.

Conductivitatea termica echivalenta rezulta din relatia (11.14) in care s-a tinut seama de notatiile de mai sus si in ipoteza ca a ₁ = _¥ :

[ W / (m× K)] (11.19)

unde , d , A_m si t_c au semnificatia de mai sus, iar t_e este temperatura medie a suprafetelor exterioare ale cuptorului.

Partea scrisa a lucrarii va cuprinde o succinta descriere a instalatiei experimentale folosite, tabelul cu rezultatele masuratorilor si a calculelor precum si o analiza a factorilor care influenteaza coeficientul global de transfer termic precum si conductivitatea termica echivalenta.