ชุดสาธิต Flow Across Cylinder

ชุดสาธติ การพาความรอ้ น Flow Across Cylinder จัดทาโดย นาย รักษพล รักษง์ าม 58080502012 นาย ธีรพงษ์ ส่ยุ รมั ย์ 58080502018 นาย สิทธิพงษ์ บุญอาจ 58080502025 นาย อลงกรณ์ แสงงาม 58080502031 นักศึกษาภาควชิ าครศุ าสตร์เคร่ืองกล ชน้ั ปีท่ี 3รายงานเล่มนีเ้ ป็นส่วนหนึง่ ของรายวชิ า MTE 342 Heat Tranfer ปีการศกึ ษาท่ี 1/2560 ภาควิชาครุศาสตรเ์ ครอ่ื งกล มหาวิทยาลยั เทคโนลีพระจอมเกล้าธนบุรี

ชดุ สาธิตการพาความรอ้ น Flow Across Cylinderสมาชกิ 1. นาย รักษพล รกั ษ์งาม 58080502012 2. นาย ธรี พงษ์ สยุ่ รัมย์ 58080502018 3. นาย สทิ ธิพงษ์ บญุ อาจ 58080502025 4. นาย อลงกรณ์ แสงงาม 58080502031 นกั ศกึ ษาภาควชิ าครุศาสตรเ์ คร่อื งกล ช้ันปีท่ี 3วตั ถุประสงค์ 1. เพื่อศกึ ษาการพาความรอ้ นแบบบงั คับ ( Forced Convection Heat Transfer) ในกรณที ี่ อุณหภมู ิพืน้ ผิวชดุ ใหค้ วามร้อนทรงกระบอกคงที่ 2. เพอื่ ศึกษาการคานวณค่าสัมประสิทธิ์ความรอ้ นแตล่ ะอณุ หภมู อิ ากาศทีเ่ ปลย่ี นแปลงไป 3. เพื่อศึกษาการคานวณหาคา่ นัสเซลนมั เบอรแ์ ละอัตราการถ่ายเทความร้อน 4. เพือ่ ออกแบบชดุ สาธิตการพาความรอ้ นในกรณี (Flow Across Cylinder )บทนา เนื่องจากในปัจจุบันการเรียนการสอนในวชิ าท่เี กย่ี วข้องกบั พลังงานมีความสาคญั ตอ่ การนาความรูไ้ ปใช้ในการวางแผนและออกแบบระบบตา่ งๆ ใน สายงานวิศวกรรมเครื่องกล การเรียนร้เู ก่ียวกบั การพาความรอ้ นเปน็ ปัจจัยหนงึ่ ในการเปล่ียนแปลงพลงั งานและเปน็ ปัจจัยหลักๆในการออกแบบระบบการพาความรอ้ นทดี่ ีและมีประสทิ ธิภาพ ดังนัน้ ผู้จัดทาจงึ ทาการออกแบบ ชุดสาธิตชุดสาธติ การพาความรอ้ นแบบบังคับภายนอกในกรณีFlow Across Cylinder เพื่อทาใหผ้ เู้ รียนได้ศกึ ษาวิธใี นการพาความร้อนแบบบังคับภายในนอกและสังเกตการทดลองในการเปลี่ยนแปลงอตั ราการถา่ ยเทความร้อนที่อุณหภมู ติ ่างๆ ทง้ั นย้ี งั เป็นการพิสูจนท์ ฤษฏกี ารพาความร้อนแบบบังคับทีเ่ ก่ียวขอ้ งกับอณุ หภมู ิและความเร็วของอากาศที่จะพาความร้อนโดยการทดลองผา่ นชุดสาธิต

ทฤษฎีเบือ้ งต้น 4 . ค่าอัตราของการถ่ายเทความร้อนจากดา้ นหนึ่งของแผ่นความรอ้ นทีอ่ ุณหภมู ิผิว(Heater )คงที่ คือ ������ = ℎ������(������������−������∞)

ตารางในการทดลองProperties of air 1atm



อปุ กรณใ์ นการทดลอง 1. ชดุ ควบคุมไฟฟ้าเพ่ือให้ความร้อน (heater) แบบแท่งทรงกระบอก 2. สายวดั อุณหภมู ิระหวา่ งจดุ (Thermocouple Type K) 3. เคร่ืองวัดอณุ หภมู ิ 4. ชดุ วัดอตั ราไหลของอากาศ (Anemometer) 5. ชดุ พัดลมดดู อากาศขนาด 4.5 นวิ้ 220 V AC 6. ชดุ อโุ มงค์อากาศจากแผน่ อะครลิ คิ 7. ชดุ ตัดและควบคุมไฟฟ้า (Electric Breaker) 8. สวทิ ช์ควบคมุ ไฟฟา้ ชนดิ AC 9. ชุดควบคมุ และตัดอุณหภมู ิ (Thermostat)รปู ภาพที่ 1 รูปภาพที2รูปภาพที่ 3 รปู ภาพท่ี 4

รูปภาพท่ี 5 รปู ภาพท่ี 6รูปภาพท่ี 7 รปู ภาพท่ี 8รูปภาพที่ 9

ตารางบันทึกผลการทดลองอณุ หภมู ิ อุณหภมู ิ อุณหภูมิ ความ สัมประสิทธก์ิ าร ค่า Renold ค่า Nusselt อัตราการHeater อากาศ เฉล่ยี เรว็ ถ่ายเทความร้อน Number Number ถา่ ยเท ( K) อากาศ (× 10−5) ความรอ้ น (K) ������������ m/s (ℎ������) Q (W) (ใชค้ ่า K อากาศ) (K) ตาแหน่งบรเิ วณก่งึ กลาง Heater80 C 3.3 59.48 6.22 19.05 10.54353 K 303.6 328.3 59.66 5.76 18.45 13.34 59.95 4.48 17.45 20.36100 C 60.18 4.48 17.08 24.13373 K 310.7 341.85 3.32 60.42 3.9 16.34 31.69140 C 3.35413 K 318.4 365.7160 C433 K 321.3 377.15 3.38200 C 3.4473 K 326.9 399.95รปู แบบการคานวณในการหาอตั ราการสญู เสยี ความร้อน 1. คานวณหาคา่ Renold Number ในช่วงความเร็วอากาศ ณ บรเิ วณก่งึ กลาง Heater ������������ ������������ ������ = ������ = ความหนดื ภายใต้แรงโนม้ ถ่วง ������ = ความเร็วอากาศ ณ อณุ หภมู ติ าแหนง่ นั้น ������ = เสน้ ผา่ นศูนย์กลางฮีทเตอร์

- ที่ อุณหภูมเิ ฉล่ีย ������������ = 328.3 K เปิดตาราง A-22������ = ความหนืดภายใตแ้ รงโนม้ ถว่ ง������ = ความเรว็ อากาศ ณ อณุ หภูมติ าแหน่งนั้น������ = เสน้ ผา่ นศูนย์กลางฮีทเตอร์ ������������ ������������ ������ = =1.833.435������1������××100.0−059������������2/������ = 1619.412. คานวณหาคา่ Nusselt Number ณ อุณหภูมิแหง่ น้ัน- ณ อณุ หภมู เิ ฉลย่ี ������������ = 328.3 K มี ������������ = 1619.41 มีค่า ������������ < 4000ใช้ ������������ 1 =0.633������������0.466������������3 ������������ 1 =0.633(1619.41)0.466(0.708)3 ������������ = 19.05

3. หา ค่า สปส. การพาความร้อน ณ อุณหภมู ิเฉลีย่ ������������ = 328.3 Kℎ = ������������������ K= สปส. การนาความรอ้ นของอากาศ ������ ������⁄������.ℎ = 19.05 × 0.0281 ������ 0.009 ������ℎ = 59.48 ������⁄������2. ������4. คานวณหาคา่ ������������ พืน้ ที่ทงั้ หมดทสี่ มั ผสั อากาศ ณ อณุ หภมู ิเฉลีย่ ������������ = 328.3 K ������������ = ������������ = π������������ ������������ = 3.14 × 0.009 ������ × 0.127 ������ ������������ = 3.59 × 10−3 ������25. คานวณหาค่าอตั ราการสญู เสยี ความร้อน Q ณ อุณหภูมิเฉลี่ย ������������ = 328.3 K ������ = ℎ������(������������−������∞) ������ = 59.48 × 3.59 × 10−3 ������2 × (353 − 303.6) ������ = 10.54 ������

วธิ วี ิเคราะห์ขัน้ ตอนการคานวณและบนั ทึกผลการทดลอง1. กาหนดอุณหภูมิที่ผวิ ของชุดให้ความรอ้ น Heater โดยกาหนดที่ Thermostat2 .ทาการวดั ความเรว็ อากาศเหนือ Heater แลว้ ทาการจดบันทกึ ค่าความเรว็ อากาศลงตารางบันทึกผล3.ทาการวดั อุณหภูมอิ ากาศเหนือ Heater แลว้ ทาการบนั ทึกคา่ ลงตารางบันทกึ ผล4.คานวณคา่ Ranold Number Nusselt Number สมั ประสทิ ธ์การพาความร้อน และ อัตราการถ่ายเทความรอ้ น ตามลาดบั5. สงั เกตและวิเคราะหก์ ารทดลองสรปุ จากตารางที่ 1 จะเหน็ ไดว้ า่ เมื่ออณุ หภูมิเฉล่ียนมคี า่ เพิ่มขึน้ ค่าความหนืดจากแรงโน้มถ่วงมีคา่เพิ่มข้ึนซงึ่ คา่ ความหนดื จากแรงโน้มถ่วงแปรผกผนั กับค่าของ Renold Number ทาให้เมือ่ อณุ หภูมิเพิ่มข้ึนคา่Renold numberกจ็ ะมีค่าลดลง ตารางเปรียบเทยี บ Tf และ Re18001600140012001000 800 600 400 200 0 Tf(K) Re T1 T2 T3 T4 T5 ตารางท่ี 1

จากตารางท่ี2 จะเห็นไดว้ ่า อตั ราการถา่ ยเทความรอ้ นโดยการพาจะเพิ่มขนึ้ เม่ือความแตกต่างอุณหภูมิเพ่ิมขนึ้และสัมประสิทธก์ิ ารพาความร้อนเพิ่มขน้ึ เปน็ ไปตามสูตรการหาอัตราการถา่ ยเทความรอ้ นแปรผันตรงกบัสมั ประสิทธกิ์ ารพาความร้อนความแตกตา่ งของอุณหภูมิทผ่ี ิวของฮีทเตอรก์ ับอุณภมู ิของอากาศและพ้ืนทผี่ วิ ของฮที เตอร์ ตารางแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งคา่ h, T ,Q16014012010080604020 Ts-Tair Q 0 h(W/m^2∙K) T1 T2 T3 T4 T5 ตารางที่ 2ข้อควรปรับปรงุ ตา่ แหนง่ การวางของฮที เตอร์จะต้องตั้งฉากกบั ความเรว็ ลม ควรใหฮ้ ีทเตอรย์ กขนึ้ จากฉนวนใหอ้ ากาศพาความร้อนไดส้ ะดวก ควรให้พดั ลมปรับความเร็วรอบไดเ้ พ่อื เหน็ ค่าความแตกตา่ งของ Re ควรตดิ ตงั้ อุปกรณ์วัดโวลต์มเิ ตอรแ์ ละแอมมิเตอร์ ปรับเปลยี่ นอุปกรณ์วัดท่ีมีความแม่นยา

เอกสารอา้ งองิ - หนงั สือการถ่ายเทความรอ้ น รศ. ทววี ัฒน์ สภุ ารส ภาควชิ าครุศาสตร์เคร่ืองกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยพี ระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศกึ ษา 2541 - http://mte.kmutt.ac.th/elearning/Thermal%20Enginering/information1_6.htm การถ่ายเทความร้อนแบบบังคับแบบแผน่ แนวราบ / สบื ค้นเมือ่ 10/12/2560 - Vunus a cengel thermodynamics / force convectiom / flow across cylinder

ภาคผนวก

เขียนแบบอุปกรณ์โดยโปรแกรม Solidworks ชอ่ งเปิดปิดเพือ่ วัดอณุ หภูมหิ ลงั Heater ชุดอโุ มงค์ลมอะครลิ กิแผน่ ฐานไม้กระดาน ชดุ ควบคมุ อุณหภูมิ Heater แบบแทง่ + ฉนวน พดั ลมดดู อากาศHeater Temp Control แทง่ ปนู ปลาสเตอร์ขนาดอปุ กรณ์ 1. แผน่ ฐานไมก้ ระดานขนาด 26 cm× 40 cm 2. ฉนวนแทง่ ปนู ปลาสเตอร์ 3. ชุดให้ความร้อน Heater แบบแท่งทรงกระบอกขนาดเส้นผา่ นศูนยก์ ลาง 9.5 mm. ยาว 5 นิว้ 4. ชดุ อโุ มงค์ลมอะครลิ ิค 3 แผน่ ( ขนาด 15 cm× 30 cm / แผ่น ) 5. พดั ลมดูดอากาศขนาด 4.5 นว้ิ (12.5 cm× 12.5 cm) 220 V 6. ชดุ ควบคมุ อุณหภูมิให้ความร้อน (Heater Temp Control) 7. ชอ่ งเปดิ -ปดิ เพื่อวดั อุณหภูมิหลัง Heater

ชดุ สาธติ การพาความร้อน Flow Across Cylinder