آزمایشگاه انتقال حرارت
جابجایی آزاد و اجباری
يكي از مكانيزمهاي انتقال گرما انتقال حرارت به روش جابجايي مي‌باشد. انتقال حرارت به شيوه جابجايي به دو صورت جابجايي آزاد و جابجايي اجباري رخ مي‌دهد. جابجايي آزاد، به علت اختلاف چگالي ناشي از تفاوت دما و توسط نيروي بويانسي رخ مي‌دهد كه بدون وجود نيروي جاذبه جابجايي آزاد رخ نخواهد داد. در جابجايي اجباري، حركت سيال در اثر عوامل خارجي نظير فن يا باد به وجود مي‌آيد.انتقال حرارت به‌روش جابجايي تابع سرعت سيالي، چگالي، ضريب هدايت حرارتي (k) و ويسكوزيته سيال مي‌شود.اين دستگاه امكان بررسي انتقال حرارت به هر دو روش جابجايي آزاد و اجباري را با المان‌هاي متفاوت براي دانشجويان فراهم مي‌كند.
آزمایش های قابل انجام توسط این دستگاه عبارتند از:
· مطالعه جابجايي آزاد و اجباري روي المان‌هاي مسطح و ميله‌اي
· بررسي رابطه بين سرعت هوا و دماي سطح در حالت جابجایی آزاد و جابجایی اجباري
· محاسبه ضريب انتقال حرارت، بازده و نرخ انتقال گرما
دستگاه تشعشع
تشعشع حـرارتـي يك از روشهاي انتقال حرارت است كه با مكانيزمهاي ديگر انتقال حرارت (جابجايي و هدايت) كاملاً تفاوت دارد. انتقال حرارت به طريق تشعشع در محيط خلاء نيز صورت مي گيرد و مانند دو مكانيزم ديگر احتياج به محيط واسطه (Media) ندارد. انتقال حرارت تشعشعي در صنايع به خصوص كوره ها و بسياري از فرآيندهاي گرمايش، سرمايش، خشک‌کردن صنعتي و همچنين روشهاي تبديل انرژي نظير احتراق سوخت فسيلي و تشعشع خورشيدي رخ می‌دهد.اين دستگاه با داشتن منبع توليد حرارت و نور قابل تنظيم و فيلترهاي رنگي مختلف گستره انجام آزمايشات را افزايش مي‌دهد.
آزمایش های قابل انجام توسط این دستگاه عبارتند از:
· بررسي قوانين اساسي حاكم بر تشعشع گرمايي توسط دو نوع منبع نوري و گرمايي
· بررسي اثر قرارگيري سطوح مقابل هم در انتقال حرارت تشعشعي
· بدست آوردن ضريب صدور (Emissivity) براي صفحات مختلف در انتقال حرارت تشعشعي
· بدست آوردن اثر زاويه ديد (Shape Factor) در انتقال حرارت تشعشعي
· بررسي قانون لامبرت
· بدست آوردن ثابت استفان بولتزمن
چگالش
هنگامي كه بخار در تماس با سطحي قرار بگيرد كه دماي سطح كمتر از دماي اشباع بخار باشد، بخار ميعان پيدا کرده، سطح را خيس مي‌كند و ميعانات در اثر نيروي وزن به سمت پايين جاري مي‌گردند. با توجه به‌خاصيت ترشوندگي سطح، ميعان به دو صورت قطره‌اي يا فيلمي رخ مي‌دهد. اگر مايع سطح جامد را كاملاً خيس كند و يك لايه از مايع روي سطح را كاملاً بپوشاند، ميعان فيلمي رخ مي‌دهد. اما اگر مايع ايجاد شده روي سطح به‌صورت يكنواخت نبوده و تنها قطراتي روي سطح به‌صورت پراكنده به‌وجود بيايد ميعان قطره‌اي رخ مي‌دهد.دستگاه حاضر به گونهای طراحی شده است که کار با آن بسیار ساده است و امکان مشاهده همزمان میعان فیلمی و قطرهای روی کندانسور را ممکن میسازد. این دستگاه از یک محفظه شیشهای تشکیل شده است.یک هیتر درون محفظه قرار دارد و سیال مورد نظر درون محفظه شیشهای ریخته می‌شود. به منظور مشاهده میعان فیلمی و قطرهای دو کندانسور به صورت عمودی در محفظه تعبیه شده است .
آزمایش های قابل انجام توسط این دستگاه عبارتند از:
· مطالعه انتقال حرارت هدايتي در فرآيند چگالش
· مطالعه انتقال حرارت در فرآيند چگالش
· بررسي اثر دما و فشار بر فرآيند چگالش
· مشاهده ميعان قطره‌اي و فيلمي
· محاسبه ضريب انتقال حرارت
مبدل حرارتی پوسته لوله
مبدل حرارتی پوسته - لوله متداول‌ترین و پرکاربردترین نوع مبدلی است که در صنعت مورد استفاده قرارمی‌گیرد و برای کاربردهای مختلف و در اندازه‌های گوناگون ساخته می‌شود. از این نوع مبدل‌ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می‌شود. این نوع مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگری در تماس می باشد، تشکیل یافته وعمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد.
آزمایش های قابل انجام توسط این سیستم عبارتند از:
· آشنایی با فرآيند انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتي پوسته و لوله
· بررسي تأثیر انواع جریان‌ها (همسو و غیرهمسو) در اندازه‌گیری میزان تبادل حرارت
· محاسبه ضريب انتقال حرارت كلي و راندمان در مبدل‌هاي حرارتي پوسته و لوله
· بررسي موازنه انرژي در مبدل‌های حرارتي پوسته و لوله
· برآورد اتلاف حرارت و تأثير نرخ جريان روي انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته و لوله
· مقايسه با انواع ديگر مبدل‌هاي حرارتي
سطوح گسترش یافته
مبحث سطوح گسترش يافته معمولاً جهت بررسي توزيع دما، انتقال حرارت به روش رسانش )هدايت( در جسم جامد و يا انتقال حرارت به روش همرفت و تشعشع از سطح جانبي جسم جامد به کار مي رود.راستاي انتقال حرارت از سطح جانبي جسم عمود بر جهت انتقال حرارت در طول جسم خواهد بود. براي هر فين)سطح گسترش يافته( مي توان گردايان دما را بر حسب ضريب هدايت ماده تشکيل دهنده فين و ميزان اتلاف انرژي از جسم به محيط اطراف به دست آورد. این دستگاه وسیلِه ای مناسب برای تحقیق در مورد اثر جنس فین و دمای مبنا در توزیع دما و انتقال حرارت در فین ها است.
آزمایش های قابل انجام توسط این سیستم عبارتند از:
· بررسي اثر جنس فين بر توزيع دما و انتقال حرارت در فين‌ها
· بررسي اثر دماي مبنا بر توزيع دما و انتقال حرارت در فين‌ها
ضریب هدایت حرارتی سیالات
هنگامي که در جسمي گراديان دمايي وجود داشته باشد، انتقال انرژي از ناحيه داراي دماي بالا به ناحيه داراي دماي پايين‌تر صورت مي‌گيرد.انتقال حرارت به شیوه هدایت توسط مولکول های سازنده جسم صورت می گیرد. دماي هر نقطه به انرژي مولکول‌هاي گاز در همسايگي آن نقطه وابسته است .در صورت وجود گراديان دما انتقال انرژي توسط هدايت در جهت کاهش دما صورت مي‌گيرد. در مايعات نيز وضعيت تقريباً مشابهي اتفاق مي‌افتد با اين تفاوت که فاصله مولکول‌ها نزديک‌تر بوده، فعل و انفعال مولکولي قويتر مي‌باشد.دستگاه حاضر با انتخاب شکاف و روزنهای بسيار كوچك بين دو المان، انتقال گرمای ناشی از همرفت قابل چشم پوشی مي‌باشد. همچنين بدلیل دماهای پایین و سطوح پالیش شده، سهم انتقال گرما از طریق تشعشع نیز بسيار ناچيز است .این دستگاه قابلیت اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی سیالات را دارا می باشد. دستگاه شامل سه لایه استوانهای شکل است. در درونی ترین لایه هیتر و در بیرونی ترین لایه آب شهر جریان دارد. در لایه میانی سیال مورد نظر محبوس میگردد.
آزمایش های قابل انجام توسط این سیستم عبارتند از:
· بررسي قوانين حاكم بر هدايت حرارتي
· اندازه گيري ضريب هدايت حرارتي هوا
هدایت جامدات
انتقال حرارت به طریق هدایت در داخل اجسام موقعی پدید می‌آید که گرادیان دمایی بین دو نقطه از جسم ایجاد شود، هر قدر گرادیان دما بیشتر باشد شدت انتقال حرارت زیادتر خواهد بود. هدايت، انتقال انرژي از ذرات پر‌انرژي به ذرات کم‌انرژي در يک ماده است که توسط فعل و انفعال بين ذرات صورت مي‌گيرد. در جامدات هدايت توسط فعاليت اتمي به شکل ارتعاش شبکه‌ها صورت مي‌گيرد. رسانش در هر سه حالت جامد، مایع و گاز صورت می‌پذیرد اما انتقال گرما به این روش در جامدات بیشتر از مایعات و گازهاست، زیرا هر چه مولکول‌ها به هم نزدیک‌تر باشند گرما با سرعت بیشتری در ماده منتقل می‌شود.دستگاهی که در اختیار شماست امکان می‌دهد ضریب هدایت حرارتی برای جامدات را در دو سیستم خطی و شعاعی ممکن میسازد، هر دو قسمت خطی و شعاعی دارای ترموکوپلها هستند که درجه حرارت را در نقاط مختلف با دقت 0.1درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. یک المان حرارتی جهت تولید حرارت در قسمت گرم به کار رفته است و جهت خنک کردن بخش سرد از آب شهر استفاده می‌شود.
آزمایش های قابل انجام توسط این سیستم عبارتند از:
· مطالعه اثرات سطح تماس در انتقال حرارت هدايتي جامدات
· مطالعه اثر جنس المانها در انتقال حرارت هدايتي
· ترسيم منحني‌ها ، پروفيل خطي و شعاعي دما
· بدست آوردن ضريب انتقال حرارت هدايتي در مدل‌هاي شعاعي و محوري
دستور کار آزمایشگاه انتقال حرارت