Dynamická viskozita oleje (Pa.s) Souřadný systém (proč)?

Transkript

1 Viskozimetr kužel-deska S pomocí rotačního viskozimetru s uspořádáním kužel-deska, viz obrázek, byla měřena dynamická viskozita oleje. Při použití kužele o průměru 40 mm, který se otáčel úhlovou rychlostí 100 s -1 byl naměřen krouticí moment 0,0025 N.m. Jaká je dynamická viskozita měřené kapaliny, je-li úhel α roven 2. Vyjádřete též obecný vztah pro určení krouticího momentu na rotujícím kuželi. Jaký souřadný systém byste použili při hledání přesného řešení tohoto problému? Při řešení použijte s výhodou znalosti o laminárním proudění newtonské kapaliny ve štěrbině mezi dvěma rovinnými deskami. Důkladně si promyslete, která deska je stojící a která je ta pohybující se. Uvědomte si, že rychlost pohybu té pohybující se desky není konstantní, ale mění se od nuly do.... Nebude tedy asi stačit použít nějakých průměrných hodnot, ale budete muset integrovat. Pokuste se tedy vyjádřit elementární krouticí moment na nějakém elementu, pro nějž je rychlost přibližně konstantní, vzdálenost desek je přibližně konstantní,.... Při řešení vlastně budete zanedbávat křivost. Nezapomeňte, že pro malé úhly platí tg α = α. µ R ω α Dynamická viskozita oleje (Pa.s) M k =M k (R,ω,α,µ ω,α,µ) Souřadný systém (proč)?

2 Kuželový čep o průměru 40 mm, znázorněný na obrázku, se otáčí úhlovou rychlostí 100 s -1 na olejovém filmu tloušťky 0,001 m. Určete krouticí moment potřebný k překonání vazkého tření v případě, že znáte dynamickou viskozitu oleje 0,1 Pa.s. Vrcholový úhel kuželového čepu je 60. Při řešení použijte s výhodou znalosti o laminárním proudění newtonské kapaliny ve štěrbině mezi dvěma rovinnými deskami. Kuželový čep h D α ω Krouticí moment (N.m) M k =M k (D,h,ω,α,µ ω,α,µ)

3 Kapilární viskozimetr Jednou z možností jak změřit reologické vlastnosti kapalin je použít kapilární viskozimetr. Kapilární viskozimetr je v principu velice jednoduché zařízení. Měřená kapalina axiálně protéká tenkou kapilárou o známé délce a známém průměru. Ze změřené závislosti objemového průtoku a tlakové ztráty na kapiláře pak lze určit hledané reologické vlastnosti. S pomocí kapilárního viskozimetru byla měřena dynamická viskozita roztoku glycerinu a vody. Při objemovém průtoku 1 ml.s -1 byl na kapiláře o průměru 0,8 mm a délce 100 mm naměřen tlakový spád 1,61 MPa. Určete velikost dynamické viskozity a vyjádřete (číselně) tenzor rychlosti deformace na vnitřním povrchu kapiláry pro dané podmínky měření (v cylindrickém souřadném systému). Dynamická viskozita (Pa.s) Tenzor rychlosti deformace na vnitřním povrchu kapiláry (s -1 ) (cylindrický souřadný systém - r, ϕ, z) ρ d W = _ _ _ Kapilární viskozimetr Jednou z možností jak změřit reologické vlastnosti kapalin je použít kapilární viskozimetr. Kapilární viskozimetr je v principu velice jednoduché zařízení. Měřená kapalina axiálně protéká tenkou kapilárou o známé délce a známém průměru. Ze změřené závislosti objemového průtoku a tlakové ztráty na kapiláře pak lze určit hledané reologické vlastnosti. S pomocí kapilárního viskozimetru byla měřena dynamická viskozita roztoku glycerinu a vody. Při objemovém průtoku 1 ml.s -1 byl na kapiláře o průměru 0,8 mm a délce 100 mm naměřen tlakový spád 1,61 MPa. Určete velikost dynamické viskozity a určete velikost rychlosti smykové deformace na stěně kapiláry pro dané podmínky měření. Dynamická viskozita (Pa.s) Rychlost smykové deformace (s -1 )

4 Axiální tok v mezikruží V prostoru mezi dvěma souosými válci protéká ve směru osy roztok škrobového sirupu o viskozitě 30 Pa.s, hustotě 1425 kg.m -3 a měrné tepelné kapacitě 2 kj.kg -1.K -1. Vnitřní průměr vnějšího válce je 150 mm a vnější průměr vnitřního válce je 50 mm. Uprostřed štěrbiny byla naměřena rychlost 7 cm.min -1. Určete velikost hmotnostního průtoku. Odhadněte velikost oteplení škrobového sirupu vztaženou na jednotku délky v případě, že vezmete v úvahu disipaci mechanické energie. Hmotnostní průtok (kg.s -1 ) Oteplení (K.m -1 )

5 Pro čerpání vysoce viskózních kapalin může být použito viskozitní čerpadlo. Toto čerpadlo je znázorněné na obrázku a sestává z rotujícího válce, který je uložen v pevném tělese viskozitního čerpadla. Válcové těleso a vnitřní rotující válec jsou souosé. Kapalina vstupuje do čerpadla v místě A, proudí štěrbinou mezi rotujícím válcem a tělesem čerpadla a opouští čerpadlo v místě B. Tlak v místě B je větší než tlak v místě A. Tlaková ztráta mezi těmito dvěma místy je p. Poloměr rotujícího válce je R, šířka B a šířka štěrbiny mezi rotujícím válcem a tělesem h. Šířka h je mnohem menší než poloměr R. Vnitřní válec rotuje úhlovou rychlostí ω. Odvoďte vztah vyjadřující hydraulickou charakteristiku tohoto viskozitního čerpadla, tj. závislost objemového průtoku jakožto funkce tlakové ztráty a dalších parametrů v případě, že čerpáme newtonskou kapalinu a proudění ve štěrbině mezi rotujícím válcem a tělesem je laminární. Welty, J. R., Wicks, C. E., Wilson, R. E.: Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, John Wiley & Sons, New York (1984), p. 110 Viskozitní čerpadlo A B R ω h Hydraulická charakteristika viskozistního čerpadla V & = V & p, ω, R, h, B ( )

6 Ochlazování ocelové koule Určete dobu potřebnou k ochlazení ocelové koule o průměru 200 mm z počáteční teploty 300 C na teplotu 100 C (nejteplejší místo v kouli má teplotu právě 100 C). Ochlazení se děje ponořením koule do míchané olejové lázně o teplotě 20 C. Střední hodnota součinitele konvektivního přenosu tepla na povrchu ochlazované koule je 362 W.m -2.K -1. Jaká bude v tomto okamžiku minimální teplota v kouli? Při řešení předpokládejte, že olejová lázeň má nekonečně velkou tepelnou kapacitu. Termofyzikální parametry uhlíkové oceli s 1,5% obsahem uhlíku při teplotě 20 C: Hustota 7750 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 470 J.kg -1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 36,7 W.m -1.K -1. Součinitel tepelné vodivosti se s teplotou mění takto: při teplotě 0 C je 36,8 W.m -1.K -1, při 100 C je 36,6 W.m -1.K -1, při 200 C je 36,2 W.m -1.K -1, při 300 C je 35,7 W.m -1.K -1. Čas kdy bylo dosaženo teploty 100 C (s) Jaká je v tomto okamžiku nejmenší teplota v kouli ( C)

7 Ochlazování ocelové koule II Určete dobu potřebnou k ochlazení ocelové koule o průměru 200 mm z počáteční teploty 300 C na teplotu 100 C (nejteplejší místo v kouli má teplotu právě 100 C). Ochlazení se děje ofukováním koule vzduchem, který má teplotu 20 C a rychlost 10 m.s -1. Jaká je velikost středního součinitele konvektivního přenosu tepla? Termofyzikální parametry uhlíkové oceli s 1,5% obsahem uhlíku při teplotě 20 C: Hustota 7750 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 470 J.kg - 1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 36,7 W.m -1.K -1. Součinitel tepelné vodivosti se s teplotou mění takto: při teplotě 0 C je 36,8 W.m -1.K -1, při 100 C je 36,6 W.m -1.K -1, při 200 C je 36,2 W.m -1.K -1, při 300 C je 35,7 W.m -1.K -1. Parametry suchého vzduchu naleznete v tabulce. Uvažte význam Sider-Tate korekce a pokud možno ji zahrňte do svých výpočtů. Čas kdy bylo dosaženo teploty 100 C (s) Součinitel konvektivního přenosu tepla (W.m -2.K -1 )

8 Isolace malého jaderného reaktoru Stěna malého jaderného reaktoru je složena z vrstvy ohnivzdorné vyzdívky a vrstvy isolace. Součinitel tepelné vodivosti ohnivzdorné vyzdívky je 1,4 W.m -1.K -1 a součinitel tepelné vodivosti isolace je 0,04 W.m -1.K -1. Teplota uvnitř reaktoru je 1050 C a teplota vně reaktoru je 25 C. Součinitel přestupu tepla uvnitř reaktoru je 150 W.m -2.K -1 a součinitel přestupu tepla vně 8 W.m -2.K -1. Maximální teplota isolace nesmí přesáhnout 800 C a maximální teplota povrchu reaktoru nesmí přesáhnout 50 C. Spočtěte tloušťku vrstvy ohnivzdorné vyzdívky a tloušťku vrstvy isolace. Tloušťka ohnivzdorné vyzdívky (m) Tloušťka isolace (m)

9 Palivový článek Deskový palivový článek jaderného reaktoru má tloušťku 7 mm a je potažen po obou stranách vrstvou hliníku 2 mm silnou. V článku se generuje teplo rychlostí 30 kw.kg -1. Určete povrchovou teplotu hliníkové vrstvy, teplotu rozhraní hliník - uranový článek a teplotu uprostřed palivového článku. Teplota chladicího média je 140 C a součinitel přestupu tepla mezi povrchem článku (vnějším povrchem hliníkové vrstvy) a chladivem je W.m -2.K -1. Čistý hliník při teplotě 20 C: Hustota 2710 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 902 J.kg -1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 236 W.m -1.K -1. Součinitel tepelné vodivosti při teplotě 0 C je 236 W.m -1.K -1, při teplotě 100 C je 240 W.m - 1.K -1, při teplotě 200 C je 238 W.m -1.K -1 a při teplotě 300 C je 234 W.m -1.K -1. Uran při teplotě 20 C: Hustota kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 116 J.kg -1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 27,4 W.m -1.K -1. Součinitel tepelné vodivosti při teplotě 0 C je 27 W.m -1.K -1, při teplotě 100 C je 29,1 W.m -1.K -1, při teplotě 200 C je 31,1 W.m -1.K -1 a při teplotě 300 C je 33,4 W.m -1.K -1. Povrchová teplota hliníkové vrstvy ( C) Teplota rozhraní uran-hliník ( C) Teplota v ose palivového článku ( C)

10 Součinitel přestupu tepla Dlouhý měděný drát o průměru 6 mm byl vložen do proudu vzduchu o teplotě 38 C. Po 30 sekundách vzrostla průměrná teplota drátu z 10 C na 27 C. Určete střední součinitel přestupu tepla ze vzduchu do drátu. Budete potřebovat termofyzikální a transportní vlastnosti mědi a vzduchu? Čistá měď při teplotě 20 C: Hustota 8930 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 386 J.kg -1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 398 W.m -1.K -1. Parametry suchého vzduchu při teplotě 20 C: Hustota 1,1887 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 1,006 kj.kg - 1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 0,0256 W.m -1.K -1, kinematická viskozita 15, m 2.s -1, Prandtlovo číslo 0,71. Parametry suchého vzduchu při teplotě 40 C: Hustota 1,1119 kg.m -3, měrná tepelná kapacita za konstantního tlaku 1,006 kj.kg - 1.K -1, součinitel tepelné vodivosti 0,0270 W.m -1.K -1, kinematická viskozita 17, m 2.s -1, Prandtlovo číslo 0,71. Součinitel přestupu tepla (W.m -2.K -1 )

11 Sterilace plechovky s hráškem I Plechovka s hráškem je sterilována v proudu suchého vzduchu o rychlosti 10 m.s -1 a teplotě 120 C. Plechovka má průměr 10 cm a výšku 15 cm a její osa je orientována kolmo ke směru nabíhajícího proudu vzduchu. Budeme-li předpokládat, že náplň (hrášek v nálevu) je možno považovat za homogenní a izotropní prostředí pak je součinitel tepelné vodivosti hrášku v nálevu 0,31 W.m -1.K -1, měrná tepelná kapacita 1,82 kj.kg -1.K -1 a hustota 995 kg.m -3. Jaká bude nejnižší teplota v plechovce za dvě hodiny od začátku ohřevu, byla-li počáteční teplota obsahu plechovky 20 C? Při výpočtech uvažujte hodnotu součinitele přestupu tepla na čelech plechovky stejnou jako na válcovém povrchu plechovky. Parametry suchého vzduchu naleznete v tabulce. Nejnižší teplota v plechovce po dvou hodinách ( C) V jakém místě je nejnižší teplota?