การทดลองท 1 Flow Measurement

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ไพบลย อนนาจตร 1. วตถประสงค เพอศกษาการใชเครองมอวดอตราการไหลของของเหลว เพอเปรยบเทยบกบเครองมอทใชวดวาแบบไหนมความแมนยามากทสด 2. ทฤษฎ การวดอตราการไหลของของไหลขณะเมอไหลผานทอ สามารถกระทาไดโดยการจดใหมสงกดขวาง (restriction) ขนภายในทอ แลวทาการวดความแตกตางของความดนระหวางความดนทจดตนทางซงมความดนสงและความเรวตา กบความดนทจดปลายทางซงมความดนตาและความเรวสง ความแตกตางของความดนสามารถนาไปคานวณหาอตราการไหลได ตวอยางของเครองมอชนดนไดแก Venturi meter และ Orifice meter เครองมอวดอตราการไหลอกชนดหนงไดแก Rota meter หรออาจเรยกวา variable-area meter ประกอบดวยทอใสวางตวในแนวดง มเสนผานศนยกลางใหญขนจากปลายลางไปสบน ภายในมลกลอย และมทางเปดใหของไหลผานจากลางไปสบน ทอตราการไหลคงทใดๆ ลกลอยจะหยดนงเนองจากเกดการสมดลของแรงบนลกลอยพอด เครองมอเหลานมความแมนยาในการวดแตกตางกนไปและมราคาแตกตางกนดวย การคานวณหาอตราการไหลของนาผาน meter ชนดตางๆ สามารถใชสตรดงตอไปน

1.Venturi meter ใชสมการ

2.Orifice meter ใชสมการ

3.Rotameter อตราการไหลของนาอานไดโดยตรงเปน cm และหาอตราการไหลจากchart

โนต : สาหรบ Venturi meter: (ตามรายละเอยดบนอปกรณการทดลอง) permanent pressure loss = hA - hC

head loss = hA - hB

3. เครองมอการทดลองประกอบดวย 1. Venturi meter 2. Orifice meter 3. Rota meter 4. Hydraulic bench 5. Stop watch

4. วธการทดลอง 1. Switch ให pump ทางาน supply นาไปตาม system พยายามไลฟองอากาศใน หลอดยาง

ของ monometer ออกใหหมด 2. ปด valve ทสงนาเขา system แลวปด pump 3.ใช pump จกรยานเพมความดนใหสวนบนของ manometer จนกระทงระดบนาใน manometer

สงประมาณ 8 นว 4. ปรบระดบของเครองมอโดยปรบสกรทฐานใหระดบนาใน manometer เทากน 5. เปด pump ใหนาไหลผานเครองมอ แลวอานระดบของ Rota meter และ manometer ทกอน

หาอตราการไหลโดยชงนาหนกของนา 5. ผลการทดลอง

1.เขยนกราฟระหวางอตราการไหลทอานไดกบอตราการไหลจรงสาหรบเครองวดทง สามชนด 2. คานวณ permanent pressure loss เปนเปอรเซนตของ head loss แลวเขยนกราฟระหวาง

เปอรเซนตทคานวณไดนกบ head loss สาหรบ venturi meter และ orifice meter 3. หาคา K = head loss/inlet velocity head แลวเขยนกราฟระหวาง K กบ inlet velocity head 4. เขยนกราฟระหวาง head loss กบอตราการไหลจรงสาหรบ venturi meter และ orifice meter

6. หนงสออางอง 1. R.W. Fox and A. T. McDonald, Introduction to Fluid Mechanics, 3rd ed., John Wiley &

Sons, 1985 2. B.R. Munson et. al., Fundamentals of Fluid Mechanics 2nd ed., John Wiley & Sons,

1993. 3.ตารา Fluid Mechanics ทวไป

Test Manometer Level (inches) Rota meter Actual weight of

water No. A B C D E F G H I cm

min

Litre s

m 3 Time

Sec Weight

kg s

m 3

คาถามหลงการทดลอง

1. Permanent pressure loss คออะไร และแปรเปลยนอยางไรหรอไมกบอตราการไหล …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… 2. จากผลการทดลองและการเขยนกราฟในขอ 2 และ 3 ผลการทดลองใหรปแบบของเสนกราฟทสมาเสมอและนาเชอถอหรอไม ถาไมจงอธบายสาเหต

…..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………..…….……………………………………………………………………………………… 3. จงเปรยบเทยบ head loss กบอตราการไหลสาหรบเครองมอวดแบบ Venturi meter และ Orifice meter …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… 4. จงใหขอคดเหนเกยวกบการสรางเครองมอวดทงสามชนดเพอสาหรบการใชงานเองในหองปฏบตการ โดยคานงถงวสดทใช การสรางและประสทธภาพในการใชวดอตราการไหล …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..………………………………..………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………… 5. เครองมอวดแบบ Rota meter มขอจากดอะไรบาง ในการนาไปใชงาน …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………

การทดลองท 2 ปมลกสบ (Piston Pump)

อาจารยผควบคมการทดลอง ดร.สรสวด กงสนนท 1. วตถประสงค

1. เพอใหมความเขาใจกลไกการทางานของปมลกสบ (Piston Pump) 2. เพอหาประสทธภาพของปมลกสบ และผลของตวแปรดาเนนงานตางๆ ทมตอประสทธภาพ

2. ทฤษฎ ปจจบนในงานทความตองการอตราการไหลของของเหลวจานวนมากนน นยมใชปมหอยโขง (centrifugal pump) แตในกรณทตองการความดนสง นยมใชปมลกสบ (piston pump) ซงจะเหมาะสมกวา สวนใหญใชมอเตอรเปนตวขบใหปมทางาน ปมลกสบเปนปมแบบ positive displacement จงสามารถสงความดนไดสงมาก แตจะใหอตราไหลไดตากวาปมหอยโขง สมรรถนะโดยทวไปของปมแบบน เมอใหทางานทความดนสงขน จะมประสทธภาพสงขนดวย แตอตราไหลจะลดลงและประสทธภาพเชงปรมาตร (volumetric efficiency) จะลดลงเลกนอย 3. อปกรณประกอบดวย ปมลกสบแบบ horizontal single-cylinder, double-acting ซงม

Piston diameter = 43 1 (1.750) นว

Stroke = 85 1 (1.625) นว

Piston rod diameter = 7/16 (0.4375) นว เพลาหลกซงตอกบกานสบของปม ถกขบเคลอนโดยสายพานลากมอเตอรไฟฟากระแสสลบขนาด 1 แรงมา 2 ระดบความเรว มอตราสวนความเรวของมอเตอร : ปม = 6 : 1 ซงตดตงบนฐานทมแขนและตาชงสปรงทสามารถวดแรงบดได

กาลงทใชขบปม (Brake Horse Power, BHP) ในหนวยกาลงมาคานวณไดจากสมการ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

60N

12R

550W BHP

เมอ BHP = กาลงทใชขบปม (hp) W = แรงบดทอานไดจากตาชงสปรง (ปอนด)

R = ความยาวของแขน (torque arm) (นว) N = ความเรวของมอเตอร (รอบ/นาท) จากเครองออกแบบเครองนไดคาคงทแทนในสมการกลายเปน

BHP = WN9000

ชดทดลองของเครองนเปนแบบวงจรปด โดยมถงเกบนาใบใหญอยดานลาง เมอเดนเครอง ปมจะสบนาขนจากถงในอตราทควบคมโดย valve นาถกจายผาน control valve ตวท 2 ไหลผาน flowmeter แลวไหลกลบลงถงเดม ในระบบนมการตดตงลนนรภย (relief valve) ไวดวยเพอปองกนไมใหปมเกดการ overload

อตราการไหล (Q) เปนแกลลอน/ชวโมง คานวณไดจาก Q = 116.4h0.437 เมอ h เปนความสงของนาใน flowmeter ประสทธภาพปม (Pump Efficiency,η) = กาลงทนาไดรบ/กาลงทใชขบปม (ดรายละเอยดการคานวณในการทดลองท 9)

ประสทธภาพเชงปรมาตร (Volumetric efficiency,ηv) ของ Piston pump คอสดสวนอตราการไหลเชงปรมาตรของปมในทางปฏบตและทางทฤษฎ อตราการไหลเชงปรมาตรในทางทฤษฎคอ คาการขจดของลกสบ (Piston displacement) คานวณไดจากรายละเอยดของลกสบ และลกษณะการสบ สวนอตราการไหลเชงปรมาตรของปมในทางปฏบตไดจากการวดในหนวยเดยวกนกบอตราการไหลเชงปรมาตรในทางทฤษฎ

PDQ = vη

เมอ Q = อตราการไหลเชงปรมาตรของปม (แกลลอนตอชวโมง) PD = อตราการไหลเชงปรมาตรของปมในทางทฤษฎหรออตราการขจดของ ลกสบ (Piston Displacement) (แกลลอนตอชวโมง)

การคานวณคา Pistion displacement ขนอยกบลกษณะของกระบอกสบ ขนาดลกสบ ขนาดกานสบ ระยะชวงชก และความเรวดงน ก. Single-cylinder, single-acting SND 0.102 = PD 2

p ข. Single-cylinder, double-acting SND 0.102 - SND 0.204 = PD 2

r2p

เมอ Dp = เสนผานศนยกลางลกสบ (Piston diameter) (นว) Dr = เสนผานศนยกลางกานสบ (Piston rod diameter) (นว) S = ระยะชวงชก (Stroke length) (นว) N = ความเรว (Pump speed) (รอบตอนาท) 4. วธการทดลอง กอนการทดลองควรปฏบตดงน

เตมนาลงในถงใหตากวาขอบถงสง 6 นว เปดกอก (control valve) ทงสองประมาณครงหนงกอน สตารทมอเตอร มสวทธสาหรบเลอกความเรวมอเตอรได 2 คา

ขอควรระวงคออยาเดนปมขณะทไมมนา เมอเตรยมเรยบรอยใหทาการทดลองดงน 1. เดนปมท low speed 2. ปรบกอกทอดด (suction valve) ใหไดความดนทางดดประมาณ 10 ฟตของนา นบจานวนรอบ

ของมอเตอรโดยใช counter ในเวลา 60 วนาท ปรบตาชงสปรงให motor torque arm อยตรงแนวเดยวกบเขมชแลวบนทกคาแรงบด

3. บนทกคาความดนในทอดด และทอสง คาความสงของ flow meter 4. ปรบกอกทอสง (delivery valve) ใหคาความดนสงเปน 20 ฟตของนา บนทกคาตางๆ อกครง

รวมทงความเรวของมอเตอรซงอาจเปลยนไปบาง 5. ปรบกอกทอสงใหความดนสงเพมทละ 20 ฟตของนา จนถง 140 ฟต บนทกคาตางๆ เชนเดม 6. เปลยนความเรวไปเปน high speed แลวทาการทดลองเหมอนเดม 7. ปรบความดนทางดดเปน 20 ฟตของนา (17.7 นวของปรอท) แลวทาการทดลองซาทงหมดทง

low speed และ high speed 5. ผลการทดลอง

1. เขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวาง volumetric efficiency กบ delivery head 2. เขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวาง pump efficiency กบ delivery head 3. เขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวาง flow rate กบ delivery head 4. เขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวาง BHP กบ delivery head

คาถามหลงการทดลอง

1. จงวเคราะหสมรรถนะของปมจากกราฟทไดจากการทดลอง …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 2. จงยกตวอยางการนาเอาปมลกสบไปใชในงานบางลกษณะ และทาไมในงานเชนนนจงไมใชปมหอยโขง หรอปมแบบอน …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 3. ขอดอยของปมลกสบในการใชงานมอะไรบาง …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 4. ประสทธภาพเชงปรมาตรของปมลกสบชนด Single-acting นาจะมคาสงกวาหรอตากวาชนด

Double-acting เพราะเหตใด …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… 5. ขอใหทานเสนอวธแกปญหาการไหลออกของนาแบบเปนหวงๆ จากปมลกสบ …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………

การทดลองท 3 Pelton Wheel

อาจารยผควบคมการทดลอง ดร.สนนาฏ จงคง

1. วตถประสงค 1. เพอใหมความเขาใจกลไกการทางานของกงหนนาแบบ PELTON WHEEL 2.เพอหาประสทธภาพของ PELTON WHEEL และผลของตวแปรดาเนนงานตางๆ ทมตอประสทธภาพ

2. ทฤษฎ PELTON WHEEL เปนกงหนนาชนด Impulse ซงเปลยนพลงงานทงหมดจากการไหลของนา

เปนพลงงานจลนทหวฉด (Nozzle) ลานา (Jet) จากหวฉด เขาปะทะกบใบพดรปครงทรงกลมหรอลกถวย (Bucket) ซงตดตงอยบนวงลอ (Wheel) ทาใหไดพลงงานมาใชประโยชนทเพลา (Shaft) ของกงหน รปแบบของการเปลยนรปพลงงานแบบน เปนเชนเดยวกบการปะทะของลาของเหลว กบครบเคลอนทอยางตอเนอง (Impact of jet on the moving vanes)

สมการตาง ๆ ทใชในการคานวณ แรง กาลงงาน และประสทธภาพของ PELTON WHEEL ซง

องจากเครองมอทใชในการทดลอง ประกอบดวยอตราการเปลยนแปลง momentum ของนาบน Bucket (Fm)

] cos u) - (v - u) - [(v Q Fm θρ= ) cos - (1 u) - (v Q θρ= กาลงมาทางทฤษฎของกงหน (Theoretical wheel horsepower, Pth) ในหนวยกาลงมา (Horse

power) คานวณไดจาก Pth = FmU

cg 550

u ) cos - (1 u) -(v Q θρ=

ถาเฮดรวม (Total head) ของนา (Htot) มคาคงท จะไดวา ( )uvuPth −∝

โดย Pth มคาสงสด (maximum) เมอ 0=dudPth ทาให 02 =− uv หรอ 2

vu =

( )550cos1

4

2 θρ −=

vgQPc

maximumth

ความเรวของนาทกระทบ wheel (v) คานวณไดจาก Htot โดย

totgHv 2= ( )

550cos1

2θρ −

= tot

cmaximumth

gHgQP

กาลงงานของนาทเขา Wheel., W.H.P แรงมา)

c

tot

gHQgPHW

550... ρ=

กาลงงานทแทจรงของ Wheel (Brake Horse Power : B.H.P. หรอ Pa แรงมา)

60125502...

××=

RNFPHB π

ประสทธภาพของกงหน แสดงไดทงในรปของ ประสทธภาพกงหน (Turbine efficiency, ηt) และ ประสทธภาพเชงกล (Mechanical efficiency, ηm) ดงน

......

PHWPHB

t =η

thm P

PHB ...=η

เมอ B.H.P. = กาลงงานทแทจรงของ Wheel (H.P.) D = เสนผานศนยกลางวดจากจดกงกลางของ bucket หนงถงอก Bucket หนง (ft) F = แรงทอานไดจาก force gauge (lbf) Fm = อตราการเปลยนแปลง momentum ของนาบน Bucket (ft-lbm/s2) g = ความเรงจากแรงโนมถวง = 32.174 (ft/sec2) gc = แฟคเตอรในการแปลงแรง = 32.174 (lbm-ft/lbf-s2) Htot = เฮดรวมของนา (ft) N = ความเรวรอบของ Wheel (RPM) Pth = กาลงมาทางทฤษฎของกงหน (H.P.) Q = อตราการไหลของนา (ft3/sec) R = รศมของแขนวดแรง (brake arm radius) = 6.5 (นว) u = ความเรวของนาทจดกงกลางของ bucket (ft/sec) v = ความเรวของนาทกระทบ wheel (ft/sec) W.H.P. = กาลงงานของนาทเขา wheel (H.P.)

ηt = ประสทธภาพของกงหน (-) ηm = ประสทธภาพเชงกล (-) ρ = ความหนาแนนของนา (lbm/ft3) θ = มมทนาเปลยนเมอเขากระทบ bucket = 160° (Degree)

3. อปกรณ ประกอบดวย 1. Pelton wheel 2. Drum brake 3. Force gauge 4. Centrifugal pump 5. V-notch weir 6. Pressure gauge 7. Tachometer

4. วธการทดลอง 1. คลายเกลยวของ brake ออกเพอให Drum หมนได free เปด valve และ nozzle opening

ออกใหเตมท 2. เรมเดนเครองแลวปรบ valve ให pressure gauge อานไดประมาณ 40 ฟตนา 3. บนทกอตราการไหล, speed และ force บน force gauge 4. ขนเกลยวของ brake เพอเพมแรงท force gauge ทละประมาณ 0.5 lbs. แลวบนทกอตรา

การไหล, speed และ force บน force gauge จนกระทง Drum หยดหมน 5. คลายเกลยวบน brake ออกแลวลดพนทหนาตดของ nozzle ลงโดยหมนเกลยวเขาไป 3

รอบ แลวปฏบตตามขอ 2, 3 และ 4 6. เปลยนพนทหนาตดของ nozzle ตามขอ 5 อกครง

5. ผลการทดลอง 1. แสดงความสมพนธระหวาง B.H.P. กบความเรวรอบ ท opening ตางๆ กน 2. แสดงความสมพนธระหวางอตราการไหล (Discharge) กบความเรวรอบท opening ตางๆ

กน 3. แสดงความสมพนธระหวาง Turbine efficiency กบความเรวรอบ ท opening ตางๆ กน 4. แสดงความสมพนธระหวาง B.H.P. กบอตราการไหล

คาถามหลงการทดลอง

1. เหตใดจงใชมม θ = 165° แทน θ = 180° ในทางปฏบต …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………… 2. Pelton wheel เหมาะสาหรบสภาพ Big head with small discharge หรอ small head with high discharge มากกวากน …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..………………………………………………………………………………………………… 3. Turbine efficiency ควรมคาตากวา หรอสงกวา Mechanical efficiency ผลจากการทดลอง สอดคลองกบทฤษฎหรอไม …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..………………………………………………………………………………………………… 4. ขอใหทานเขยนสมการทใชคานวณประสทธภาพสงสดของกงหน (maximum efficiency) …..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..………………………………………………………………………………………………… 5. เหตใดจงนยมตดตง PELTON WHEEL แบบทเพลาอยในแนวระดบมากกวาแบบทเพลาอยในแนวดง ……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 4 การถายเทความรอนโดยการนา (Conduction Heat Transfer)

อาจารยผควบคมการทดลอง ดร.พรศร แกวประดษฐ 1. วตถประสงค

1.1 เพอพสจน Fourier’s Law เมอใชกบการนาความรอนในโลหะทมพนทหนาตดคงทและไมคงท 1.2 เพอศกษาคาการนาความรอนของโลหะชนดตางๆ

2. ทฤษฎ ในการถายโอนความรอนแบบ Steady state one dimensional conduction heat transfer มความสมพนธตวแปรทเขยนในรปสมการ Fourier’s Law ไดดงน

dxdTkA - Q =

โดยท Q = ปรมาณความรอน k = คาการนาความรอน (thermal conductivity) A = พนทหนาตด dT = อณหภมทเปลยนแปลง dx = ระยะทางทความรอนเคลอนท เมอ Q, k, A คงทจะได dT/dx มคาคงท เมอ Q, k คงทแต A ไมคงทจะได (dT/dx) A-1 จากสมการของ Fourier เมอทราบ Q, A กจะหาคา k ของวตถนนๆ ได 3. เครองมอทดลอง ประกอบดวยเครองมอศกษาการนาความรอนของวตถ 4 หนวย ตงอยบนโตะเดยวกนแตละหนวยมฉนวนหมเพอปองกนการสญเสยความรอน หนวยท 1 และ 2 ตอชนกน ตดตงในแนวระดบเปนรปทรงกระบอก ภายในมแทงโลหะตางชนดกน รปทรงกระบอกตน เสนผาศนยกลาง 1 นว 3 แทงแรกในหนวยท 1 ขางซาย ประกอบดวยเหลกธรรมดา, ทองแดงและเหลก stainless ตอกนสวนหนวยท 2 ขางขวาประกอบดวยเหลก stainless อลมเนยม และแมกนเซยม ตรงกลางระหวางทงสองหนวยมชองวางเลกนอย รอบแทงเหลก ตดตงขดลวดความรอนไวทาหนาทใหความรอนแกปลายแทงเหลก stainless ทง 2 แทง ขดลวดดงกลาวสามารถปรบกาลงความรอนไดทงแบบหยาบและละเอยด โดยปรบไดแบบละ 6 ชน โดย 6 ขนละเอยดเทากบ 1 ขนหยาบ อณหภมสงสดทใชไมควรเกน 1850°F ทแกนกลางของแทงโลหะทง 6 แหง ม thermocouples ตดตงอยเปนระยะๆ เพอใชวดการกระจายของอณหภมทจดตางๆ ทปลายสดดานนอกของทง 2 หนวย มทอทองแดงขนาดเลกตดไว และมนามาหลอเลยงอยตลอดเวลา ทาหนาทเปน heat sink อตราการไหลของนา อณหภมนาเขาและอณหภมนาออกสามารถวดไดโดยตรง

หนวยท 3 และ 4 มลกษณะภายนอกเปนรปทรงกระบอกตงตรงในแนวดง สวนประกอบตางๆ คลายคลงกน ทตางกนกคอแทงโลหะทใชทดลองในหนวยท 3 และ 4 ตงอยบนแทนความรอนซงสามารถปรบอณหภมไดสงสด 700 องศา F หนาปทมทตดอยดานหนาจะบอกคาอณหภมของแทนความรอน โดยประมาณเปนองศา F อกปลายขางหนงของแทงโลหะในทง 2 หนวย มนาหลอเยนทาหนาทเปน heat sinks เชนเดยวกบหนวยท 1 และ 2 และทแกนกลางม thermocouples ตดตงเปนระยะๆ เครองมออนๆ ทใชประกอบการทดลองไดแก digital thermometer กระบอกตวง และนาฬกาจบเวลา 4. วธการทดลอง

4.1 การพสจน Fourier’s Law ใชหนวยท 3 และ 4 เปด Heaters ของหนวยท 3 และ 4 ใหแทนความรอนอณหภมเทากน (เชนท 500°F) แลวเปดนา

สาหรบระบายความรอนใหไดอตราการไหลพอสมควร หลงจากนนรอจนกระทงได steady state แลวอานคาอณหภมทจดตางๆ ตามแนวแกนกลางของแทงโลหะอตราการไหลของนาและอณหภมนาทางเขาและออก

ถาจะทาการทดลองทอณหภมอนๆ ตองปรบสวทธของแทนความรอนไปยงคาทตองการ 4.2 การหาคา thermal conductivity และ thermal resistance ทรอยตอของโลหะตางชนดกนใช

หนวยท 1 และ 2 เปด Heaters ของหนวยท 1 และ 2 แลวเปดนาสาหรบระบายความรอน รอจนกระทงได steady

state แลวอานคาตางๆ เชนเดยวกบในขอ 4.1 สาหรบการทดลองทอณหภมอน ตงสวทชของ heater ตามคาทตองการ

4.3 เมอเสรจสนการทดลอง ปดสวทชไฟฟาของเครองมอทกชนด รอจนเครองมอณหภมตาลงแลวทาความสะอาดดวย 5. ผลการทดลอง

5.1 เขยนกราฟแสดง temperature distribution ของทกหนวยเพอพสจน Fourier’s Law 5.2 หาคา k ของวสดสาหรบหนวยท 1 และหนวยท 2 และหาคา R (thermal resistance) ทรอยตอ

ระหวางวสด 6. เอกสารอางอง 6.1 Laboratory manual, ACOT Thermal Conduction System, SCOT Engineering Sciences, USA 1967.

6.2 Kreith F. Principle of Heat Transfer International Text book Company Ltd. London 1965.

คาถามหลงการทดลอง 1. ขอผดพลาดของการทดลองนมสาเหตจากอะไร …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… 2. ถาทาการทดลองทอณหภมตางๆ จะไดผลการทดลองอยางไร (ในแงของคา k) …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… 3. คา Thermal resistance ตรงรอยตอมผลจากอะไร …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 4. การถายโอนความรอนตรงรอยตอระหวางวสดเปนการถายโอนความรอนแบบใด …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 5. อตราการไหลของนาในการทดลองนมผลตอความแมนยาของการทดลองอยางไรบาง …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 5 การแลกเปลยนความรอนแบบไหลขวาง (Cross-Flow Heat Exchanger)

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ดร.ชญานช แสงวเชยร 1. วตถประสงค

เพอหาสมประสทธการพาความรอน (Convective Heat Transfer Coefficient) ระหวางแทงทองแดงทรอน กบอากาศทไหลผานแบบขวาง โดยใหแทงทองแดงนนวางอยในระหวางแกนของแทงพลาสตก (Perspex) 2. ทฤษฎ

ถาสมมตวาความรอนทสญเสยจากแทงทองแดงทงหมดจะถายเทใหกบอากาศทไหลผาน อตราการถายโอนความรอนจากแทงทองแดงไปสอากาศ คานวณไดจากสมประสทธของการพาความรอน ดงน

( )aTThAq −= 1 (1) เมอ q = อตราการถายโอนความรอน, W

h = สมประสทธการพาความรอนจากวตถไปสอากาศ, W/m2-oC A1 = พนทประสทธผลทวตถถายเทความรอน (Effective Area) = 0.00404 m2 T = อณหภมของวตถ, oC Ta = อณหภมของอากาศ, oC

ในเวลา dt วตถจะมอณหภมลดลง dT mCdTqdt =− (2)

เมอ m = มวลของแทงทองแดง = 0.1093 kg C = ความรอนจาเพาะของวตถ = 380 J/kg-oC

รวมสมการ (1) และ (2)

dtmchA

= )(T - T

dT- a

1 (3)

integrate สมการ (3) โดยกาหนดคาขอบเขตหรอลมต จากเวลา t = 0, อณหภมวตถ = T0 และเมอเวลา t ใดๆ อณหภมวตถ = T ดงน

∫∫tT

T adt

mchA =

)(T - TdT-

0

11

0

tmchA ) - T(T) =(T - T aa ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛− 1

0lnln (4)

จากสมการ (4) เมอเขยนกราฟของ ln(T - Ta) กบ t จะไดเสนตรงซงมความชน –hA1/(mC) และจากการทรคาตางๆ ในสมการเหลานแลว จงสามารถคานวณหาสมประสทธการพาความรอน (h) ได

จากทฤษฎการพาความรอนทาใหรวาสมประสทธของการพาความรอน (h) จะขนอยกบคา V, d, Cp, µ, k เมอ V = ความเรวของอากาศทผานวตถ, m/s

d = เสนผาศนยกลางของวตถทใชงาน = 0.01242 m Cp = ความรอนจาเพาะของอากาศ, J/kg-oC µ = ความหนดของอากาศ, kg/m-s k = สมประสทธการนาความรอนของอากาศ, W/m-oC

สาหรบการไหลแบบปนปวน (turbulent flow) ในทอเรยบ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛k µC

, µ

ρ Vd = f k

hd p

เมอ k

hd = Nusselt Number = Nu, -

µρ Vd = Reynolds Number = Re, -

kC pµ = Prandtl Number = Pr, -

ในการทดลองคา Prandtl Number จะมคาคงทสาหรบกาซในสภาวะตางๆ และอตราการถายเทความรอนจะขนอยกบคา Reynolds Number

ความเรวอากาศทไหลผานแทงทองแดง (V) คานวณไดจากความเรวอากาศตนทาง (upstream velocity of working section, V1) ซงอานคาไดจากเครองวดความเรวลมเทยบกบคา minimum flow area ในกรณตางๆ ตามทกาหนดใหทาการทดลอง ดงน กรณของการไหลแบบ Cross flow ผาน Tube bank

12VV = ในกรณของการไหลแบบ Cross flow ผานแทงทองแดงแทงเดยว (Single tube)

1910 VV =

3. เครองมอทดลอง ประกอบดวย 3.1 เครอง Cross Flow Heat Exchanger 3.2 แทง Perspex 3.3 แทงทองแดงทมเสนผาศนยกลาง = 1.25 ซม. 3.4 เครองวดอณหภมของแทงทองแดงและอากาศ 3.5 เครองวดความเรวลม (Anemometer)

4. วธทดลอง 4.1 ตอเครองวดอณหภม ในสภาวะทสามารถวดอณหภมของแทงทองแดง (T) กบอณหภมของอากาศ

(Ta) กอนทจะผานวตถ 4.2 สอดแทงทองแดงตรงตาแหนงทตองการวด โดยท Throttle valve ปดแลวเดนเครองพดลม 4.3 คอยๆ เปด Throttle valve ใหไดอตราการไหลตามตองการ โดยเรมจาก 20% 4.4 วดความเรวของอากาศททางเขาระบบ (V1) 4.5 ดงแทงทองแดงออกจากตาแหนงทวด แลวสอดเขาไปในตวทาความรอน (Heater) จนกระทง

อณหภมสงถง 60 - 70 oC ดงแทงทองแดงออก แลวสอดเขาในตาแหนงทตองการวด โดยในการทดลองชดแรก ใชแทงทองแดงแทงเดยวและอยตรงกลางของแถวแรก สวนการทดลองชดทสองแทงทองแดงอยกงกลางของแถวแรกใน Tube bank บนทกอณหภมของแทงทองแดง (T) อณหภมของอากาศ(Ta) และเวลาทใช (t)

4.6 ทาการทดลองดงกลาวขางตน โดยเปด Throttle valve ท 40, 60, 80 และ 100% 5. ผลการทดลอง

5.1 พลอต ln(T - Ta) กบ t เพอหาคา h สาหรบ Throttle valve ท Opening ตางๆ 5.2 พลอต Nusselt number กบ Reynolds number ใน 2 กรณ

(ก) แทงทองแดงแทงเดยวและอยตรงกลางของแถวแรก (ข) แทงทองแดงอยกงกลางของแถวแรกใน Tube bank

ในแตละกรณ หาความสมพนธในรปของ n

µρ vd = a

khd

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ เมอคา a และ n เปนคาคงท ทจะหา

ไดจากการทดลอง แลวเปรยบเทยบคาทไดนกบทางทฤษฎ

คาถามหลงการทดลอง

1. ถาวสดทองแดงทใชมรปทรงเปนทรงกลมจะเกด temperature profile เหมอนหรอตางกนอยางไรกบการทดลองน

…..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………2. ผลของการจดเรยงแถวของแทงพลาสตกตอ temperature และ velocity profile …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………3. ความเรวของอากาศทไหลผานมผลอยางไรตอการพาความรอนและการนาความรอนจากวสด …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………4. กรณวางแทงทองแดงไวตรงกลางแถวแรกกบวางอยกงกลางแถวกลางของแทงพลาสตก …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… 5. อตราการไหลของอากาศมอทธพลอยางไรตอการแลกเปลยนความรอนแบบไหลขวาง …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 6 หมอนามารเซท (Marcet Boiler)

อาจารยผควบคมการทดลอง รศ.ดร.สภวรรณ ฏระวณชยกล

วตถประสงค 1. เพอศกษาความสมพนธของคณสมบตทสภาวะตางๆ โดยใชสมการคลาเปรอน (Clapeyron

equation) 2. เพอทดลองหา Latent heat of vaporization ซงเปนคณสมบตทไมสามารถวดไดโดยตรงจาก

คณสมบตทสามารถวดไดคออณหภม, ความดน และปรมาตรจาเพาะ ทฤษฎ สมการคลาเปรอน เปนสมการทมความสาคญมากสมการหนงในวชาเทอรโมไดนามกส ซงแสดงความสมพนธและทมาของเอนทาลป (enthalpy) กบคณสมบตตวอนทสามารถวดไดโดยตรงคออณหภม, ความดน และปรมาตรจาเพาะ ดงสมการขางลาง (dp/dT) = (hg – hf)/T(Vg – Vf) = (hfg)/T(Vg – Vf) เมอ

(dp/dT)sat เปนอตราการเปลยนแปลงของความดน เมอเทยบกบอณหภมทสภาวะอมตว hg, hf เปน enthalpy ของไอนาและนาเหลวทสภาวะอมตว Vg, Vf เปนปรมาตรจาเพาะของไอนาและนาเหลวทสภาวะอมตว T เปนอณหภมสมบรณทสภาวะนน นนคอในการทดลองจะหาคา (dp/dT)sat, Vg และ Vf ไดทาใหสามารถคานวณคาของคณสมบตทไม

สามารถวดไดโดยตรงคอเอนทาลปไดในทสด สมการคลาปยองสามารถจะแปลงเปนรปแบบทงายขนได โดยการประมาณวา Vf มคานอยกวา Vg มากกวานนคอ Vg – Vf ~ Vg เครองมอทดลอง

1. เทอรโมมเตอร 2. ลนนรภย 3. ตวหมอนา 4. สวทธไฟฟา 5. มาตรวดความดน 6. ชองเตมนา 7. กอกปรบระดบนา

หมอนามารเซท (Marcet Boiler) ทใชในการทดลอง เปนภาชนะปดทมความจประมาณ 2 ลตร ทาดวยเหลกกลา สามารถทนความดนไดถง 500 psi ภายในมขดลวดความรอนทกระแสไฟฟาสาหรบใหความรอนแกนา สวนประกอบอนๆ ไดแกลนนรภย มาตรวดความดนในหนวย psi เทอรโมมเตอร กอกปรบระดบนา และกอกถายนาทง

ในการทดลองจะเตมนาประมาณ 2/3 โดยเวนทวางสวนบนไวสาหรบไอนา ทาใหสภาวะภายในประกอบดวย นาเหลว และไอนา ซงเปนสภาวะอมตวเสมอ และเนองจากไมมอปกรณสาหรบวดปรมาตรจาเพาะ จงจาลองโดยการอานคาจากตารางไอนาแทน 4. วธทดลอง

1. เตมนากลนลงในหมอนา จนนาลนออกทางกอกปรบระดบ 2. ปดกอกปรบระดบ แลวขนนอตทมปะเกนปดชองเตมนาใหแนน 3. ตดตงเทอรโมมเตอรและเสยบปลกไฟฟา 4. เปดสวทธไฟฟา พอนามอณหภมประมาณ 90-100 องศาเซลเซยส ใหยกกานลนนรภยไลอากาศ

ออกจากหมอนา แลวปดใหเหมอนเดม 5. บนทกคาอณหภมทความดนตางๆ ทกๆ 20 psi ตงแต 20 ถง 250 psi แลวปดสวทธและถอด

ปลกออก บนทกคาอณหภมทความดนเดม ขณะทความดนลดลง ขอควรระวง ขณะทาการทดลอง หมอนาจะรอนมากอยาจบดวยมอเปลา ผลการทดลองและวจารณผลการทดลอง

1. พลอตกราฟแสดงความสมพนธของ P VS T ให T อยบนแกน X 2. คานวณคา enthalpy of vaporization ทอณหภมตางๆ ในชวงททดลองเปรยบเทยบคาท

คานวณไดจากการทดลองกบคามาตรฐานในตารา เอกสารอางอง

1. คณาจารยภาควชาวศวกรรมเครองกล, ปฏบตการวศวกรรมเครองกล 1, ภาควชาวศวกรรมเครองกล, มหาวทยาลยสงขลานครนทร, 2520.

2. G.J. Van Wylen and R.E. Sonntag, Fundamental of Classical Thermodynamics 2 ed., John Wiley and Sons, New York, 1978.

คาถามหลงการทดลอง 1. ถาทานเตมนาจนเตม Boiler ผลการทดลองจะเปนอยางไร …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………2. ถาทานเตมนานอยเกนไป ผลการทดลองจะเปนอยางไร …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………3. ทาไมตองไลอากาศออกเมอนามอณหภม 90 - 100°C …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………4. ทานมวธการตรวจสอบไดหรอไมวาทานไดไลอากาศออกหมด …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………5. ผลการทดลองไมตรงกบคาตามทฤษฎมสาเหตมาจากอะไรบาง …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 7 Centrifugal Pump

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ดร.จนทมา ชงสรพร

1. วตถประสงค เพอศกษาสมรรถนะ และประสทธภาพของปมหอยโขง 2. ทฤษฎ ปมหอยโขงอาศยแรงเหวยงทเกดขนจากการหมนของใบพด ทาใหของไหลเกดการเคลอนท ถกเหวยงออกไปทขอบใบพด แลวออกไปทางทอสง สวนทบรเวณศนยกลางของใบพด จะมความดนตากวาบรรยากาศ ของไหลจงถกดนโดยบรรยากาศผานทอดดเขาไปในบรเวณนน แลวจงถกสงออกดวยกาลงของปมตอไป จากสมการพลงงาน steady state steady flow process

ถา Wp = พลงงานทใสใหกบ process q = ความรอนทเกดขน ดงนนพลงงานทงหมดทจด (1) + Wp = พลงงานทจด (2) + q

q U Z 2gV

P

W U Z 2gV

P

22

222

p11

211 ++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

ρρ

P1, P2 เปนความดนทจด 1 และ 2 ตามลาดบ ρ เปนความหนาแนนของนา, มวล/ปรมาตร V1, V2 เปนความเรวของนาในการเคลอนท U1, U2 เปน internal energy ของของไหลทจด 1 และ 2 ตามลาดบ Z1, Z2 เปนระดบนาทจด 1 และ 2 ตามลาดบ ในการทดลองเราถอวา U1 = U2 และ q = 0 ดงนนพลงงานทไดจากปมจะเทากบ total head ของ pump

หรอ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= 1

211

2

222

p Z 2gV

P

- Z 2gV

P

Wρρ

= Htot (pump total head) กาลงทนาไดรบ (คดเปน horsepower) hp /550H m W totHP

•

= กาลงทใชขบปม BHP = FR (2πN)/(12 x 60 x 550) hp เมอ

•

m = อตราการไหล, มวล/เวลา (ในทนใชปอนด/วนาท) และ เมอ Q = Volume flow rate, ลบ.ฟต/วนาท R = ระยะรศมของแขนเบรค = 6.5 นว F = แรงบดของมอเตอร (gage reading, lbf) N = ความเรวรอบของมอเตอร, รอบ/นาท หมายเหต : หนวยทใชในทนเปนหนวยองกฤษ ความหนาแนนของนา ปอนด/ลบ.ฟต 1 horsepower = 550 ft-lb/sec ประสทธภาพของปม η = WHP/BHP Htot ประกอบดวย pressure head, velocity head และ static head

Pressure head = ρ

12 P - P อานไดจาก gage, หนวยเปนฟต

Velocity head = 2g

V- V 21

22 หนวยเปนฟต

ถอวา V1 = 0, สวน V2 หาไดจาก V2 = Q/A ในเมอ A เปนพนทหนาตดของทอสง (เสนผาศนยกลาง 1.5 นว)

g = 32.2 ฟต/วนาท2

static head = Z2 – Z1 หนวยเปนฟต

3. เครองมอทดลอง ใชเครองทดลอง Gilke Tutor Centrifugal Pump Test Set อปกรณอน : เครองมอวดความเรวรอบ, ไมบรรทดเหลก 4. วธการทดลอง

1. เตมนาในถงปด control valve เกอบสด (เปดไวเลกนอย) 2. กดปมเดนเครอง 3. ปรบ variable transformer ใหความเรวรอบคงทประมาณ 1500 รอบ/นาท 4. ปรบอตราการไหลคาทหนงโดยปรบ control valve 5. บนทกอตราการไหล, ความเรวรอบ, ความดน, แรงบดของมอเตอร, และระดบจากเกจความ

ดนถงระดบนาในถงใบลาง (Z2 – Z1) 6. ปรบอตราการไหลใหมอก 2 ครง แลวทดลองซาตงแตขอ 3 (รกษาความเรวรอบใหคงท)

7. ทาการทดลองใหมอก 2 ชด ตงแตขอ 3-6 เปลยนความเรวรอบเปน 1800 และ 2100 รอบ/นาท ตามลาดบ 5. ผลการทดลอง พลอตกราฟตอไปน แลวสรปผลทไดจากการทดลอง

- Htot VS. Q - Htot/N VS. Q/N - BHP VS. Q - η VS. Q - η VS. BHP

คาถามหลงการทดลอง 1. คณไดอะไรบางจากการทดลอง …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………2. ทาไมจงกาหนดให V1 = 0 ในการคานวณหา velocity head …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………3. จงอธบายความหมายของประสทธภาพของปมทคานวณไว …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………4. แรงบดของมอเตอร (F) แสดงถงอะไรและจะเปลยนแปลงตามคาตวแปรอะไร …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………5. จงเขยนอธบายวธการวดอตราการไหลของนาทออกจากปมหอยโขง …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..…………………………………………………………………………………………………………… …..……………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 8 การสญเสยในทอ (Losses In Pipe)

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ดร.กลชนาฐ ประเสรฐสทธ

1. วตถประสงค ศกษาการสญเสยหลก (major loss) และการสญเสยรอง (minor loss) เมอของเหลวในทอ 2. ทฤษฎ ความสญเสยทเกดขนเมอมของเหลวในทอม 2 อยางคอ

2.1 การสญเสยหลก (major loss) หมายถงการสญเสยทเกดขนเนองจากความเสยดทาน (friction loss) ของทอเมอของเหลวไหลในทอ ไมวาการไหลนนจะเปนแบบ laminar หรอ turbulent สามารถคานวณการสญเสยหลกไดจากสมการ

2V

DX 4f = h

2

f∆ (1)

hf = การสญเสยหลก (เนองจากความเสยดทาน) f = สมประสทธความเสยดทาน (friction factor) ∆X = ความยาวของทอ V = ความเรวเฉลยของของไหลในทอ D = ขนาดเสนผาศนยกลางภายในของทอ

2.2 การสญเสยรอง (minor loss) หมายถงความสญเสยอนๆ ทเกดขนเมอของไหลไหลในทอ เชนการไหลผานของอ, ขอตอ หรอ valve ซงสามารถคานวณการสญเสยรองไดจากสมการ

2V K = h

2

L (2) hL = การสญเสยรองเนองจากอปกรณในระบบทอ K = สมประสทธของความตานทานการไหล (loss coefficient) คาของ minor loss สามารถแสดงอยในรปของ equivalent length (Le) ของทอไดดงน

2

VK = 2

V DL

4f22

e (3) ดงนน

4fKD = Le (4)

3. เครองมอการทดลอง เครองมอทใชในการทดลองนเปน Fluid circuit system ตามรปท 1 ประกอบดวยทอ, ของอ, ขอตอและ valve ดงน

ทอ galvanized iron ขนาด 1 นว ทอ galvanized iron ขนาด ¾ นว ทอ galvanized iron ขนาด ½ นว ของอ 90° ของอ 45° gate valve glove valve ball valve ขอตอ (coupling)

4. วธการทดลอง 4.1 เปด valve A เตมทปด valve B เดน pump 4.2 เปด valve B เพอใหนาจะไหลเขาส fluid circuit system ปรบอตราการไหลใหไดตามตองการ

ดงน (โดยอานอตราการไหลผานทอไดจากโรตามเตอร) การทดลองเรองการสญเสยหลกใชอตราการไหลเทากบ 300, 500, 700, 900, และ 1100 ลตร

ตอนาท การทดลองเรองการสญเสยรองใชอตราการไหลเทากบ 300, 350, 400, และ 450 ลตรตอนาท

หมายเหต : ในกรณทเปด valve B เตมทแลวแตยงไมไดอตราการไหลทตองการใหคอยปด Vale A จนกระทงไดอตราการไหลทตองการ

4.3 วด pressure drop ผานทอขนาดตางๆ ของอ, ขอตอ และ valve ตางๆ โดยใชมานอมเตอร 5. ผลการทดลอง

5.1 plot graph ของ h vs. Q ของการไหลผานทอ ของอ, ขอตอ และ valve ตางๆ 5.2 สาหรบ major loss ใชสมการ (1) หาคา friction factor เปรยบเทยบกบคา friction factor โดย

ใช Wood’s approximation คอ -CebR a f += (5)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

D 0.1325

D 0.0235 a

0.255

0.44

εε (6) 0.44

D 22 b ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=ε (7)

0.134

D 1.62 C ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=ε (8)

5.3 หาคา K ของขอตอ, ของอ และ valve ตางๆ

รปท 1 Fluid Circuit System of Losses In Pipes Lab

คาถามหลงการทดลอง 1. นกศกษาไดความรจากการทดลองนหรอไม อยางไร อธบาย ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 2. ถาตองการลดการสญเสยในระบบทอ ทานมแนวทางการดาเนนการอยางไรบาง ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 3. อธบายผลของอตราการไหลตอการสญเสยทเกดขน เมอของไหลไหลผานขอตอของทอ ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 4. เปรยบเทยบคา f ทไดจากการทดลองทอตราการไหลตางๆ กบคา f ทไดจาก Moody Plot สาหรบทอขนาด 1 นว และอภปรายผล ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 5. เปรยบเทยบคา K ของอปกรณตางๆ ทไดจากการทดลองกบคาทมอยในเอกสารอางองทวไปและอภปรายผล ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

การทดลองท 9 Heat Transfer Unit (Forced Convection)

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ดร.สกฤทธรา รตนวไล

1. Objective To determine the effect of forced convection on heat transfer from the surface of a

cylinder at varying air velocities and surface temperatures. To demonstrate the relationship between air velocity and surface temperature for a

cylinder subjected to forced convection. 2. Method

By measuring the temperature on the surface of a horizontal cylinder subjected to heat loss by radiation and forced convection in combination then comparing the results with those obtained from a theoretical analysis. 3. Equipment Required

HT10X Heat Transfer Service Unit HT14 Combined Convection and Radiation Accessory Note: Experiment already set up

4. Theory/Background In free/natural convection the heat transfer rate from a surface is limited by the small

movements of air, which are generated by changes in the density of the air as the air is heated by the surface. In forced convection the air movement can be greatly increased resulting in improved heat transfer rate from a surface. Therefore a surface subjected to forced convection will have a lower surface temperature than the same surface subjected to free convection, for the same power input.

If a surface, at temperature above that of its surroundings, is located in moving air at the same temperature as the surroundings then heat will be transferred from the surface to the air and the surroundings. This transfer of heat will be a combination of forced convection to the air (heat is transferred to the air passing the surface) and radiation to the surrounding. A horizontal cylinder is used in this exercise to provide a simple shape from which the heat transfer can be calculated.

Figure 1 Combined Convection and Radiation Accessory

Note:

Heat loss due to conduction is minimized by the design of the equipment and measurements mid way along the heated section of the cylinder can be assumed to be unaffected by conduction at the ends of the cylinder. Heat loss by conduction would normally be included in the analysis of real application.

Total heat loss from the cylinder (Qtot) Qtot = Qf + Qr (1) where : Heat loss due to forced convection (Qf) Qf = HfA (Ts - Ta) (2) Heat loss due to radiation (Qr) Qr = HrA (Ts - Ta) (3) Heat transfer area A = (πDL) (4)

The heat transfer coefficient Hfm due to forced convection and Hrm due to radiation can be calculated using the following relationships:

)K(Wm Ta) - (Ts

)Ta - (Ts F Hr 1-2-44

m ξσ= (6)

Where σ = Stefan Boltzmann constant (= 56.7 x 10-9 Wm-2K-4) ξ = Emissive of surface (Dimensionless) Ts = Surface temperature of cylinder (K) Ta = Ambient temperature (K) F = Area Factor (Geometric Factor) assume F = 1 (Dimensionless)

)K(Wm Nu Dk Hf 1-2-

mm = (7) Where k = conductivity of the air (Wm-1K-1) D = diameter of the cylinder (m) Num = Average Nusselt number (Dimensionless) An empirical formula can be used to calculate the value for Num as follows:

essdimensionl 282000

Re 1

Pr0.4 1

)Pr Re (0.62 0.3 Nu0.5

0.250.66

0.330.5

m ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

+= (8)

From SW Churchill and M Bernstein "A Correlating Equation for Forced Convection from Gases and Liquids to a Circular cylinder in crossflow" Journal of Heat Transfer, 99:300-306(1977). Where Re = Reynolds number = Uc D/ν (Dimensionless) Pr = Prandtl number for air (Dimensionless) Uc = Corrected air velocity (m/s) - Corrected air velocity Uc = 1.22 Ua (m/s) - Diameter of heated cylinder d = 0.01 m - Heated length of cylinder L = 0.07 m (The cylinder causes a blockage in the duct resulting in a local increase in the air velocity)

- The actual power supplied to the heated cylinder Qin = VI (W) - Values for k, ν and Pr depend on the temperature of the air as show in Table 1

TABLE 1 PHYSICAL PROPERTIES OF AIR AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Tfilm ν k Pr (K) (m2s-1) (Wm-1K-1) (Dimensionless) 300 1.684 x 10-5 0.02624 0.708 350 2.076 x 10-5 0.03003 0.697 400 2.590 x 10-5 0.03365 0.689 450 3.171 x 10-5 0.03707 0.683 500 3.790 x 10-5 0.04038 0.680 550 4.434 x 10-5 0.04360 0.680 600 5.134 x 10-5 0.04659 0.680

5. Procedure

- Switch on the front Mains switch (if the panel meters do not illuminate check the RCD and circuit breakers at the rear of the service unit, all switch at the rear should be up).

- Set the upper selector switch on HT10X to position Ua to indicate the air velocity in the duct.

- Start the centrifugal fan by pressing the switch on the connection box. - Open the throttle plate on the front of the fan by rotating the knob at the center to give a

reading of 0.5 m/s on the upper panel meter. - Set the Heater Voltage to 10 Volts (adjust the VOLTAGE CONTROL potentiometer to

give a reading of 10 Volts on the top panel meter with the selector switch set to position V). - Allow the HT14 to stabilize (monitor the surface temperature of the cylinder T10 using

the lower selector switch/meter). - When the temperatures are stable record the following: Ua, T9, T10, V, I. - Adjust the throttle plate to give a velocity of 1.0 m/s - Allow the HT14 to stabilize then repeat the above readings. - Repeat the above procedure changing the air velocity in steps of 1.0 m/s until the air

velocity is 7.0 m/s. - Repeat all above procedure by changing Heater Voltage to 15 and 20 Volts,

respectively.

6. Results and Calculations

For this exercise the raw data is tabulated under the following headings: Heater Voltage V Volts Heater Current I Amps Upstream air temperature T9 (°C) Surface temperature of cylinder T10 (°C) Air velocity in the duct Ua (m/s) You should also estimate and record the experimental errors for these measurements.

In Report: 1. Calculate values for Uc, A, Hfm, Hrm, Qf, Qr, Qtot and Qin 2. Compare the theoretical value obtained for Qtot with the measured value for Qin and

explain any difference in the two values 3. Compare the calculated heat transfer due to forced convection Qf and radiation Qr 4. Plot a graph of surface temperature T10 against corrected air velocity Uc 5. Compare the calculated heat transfer due to forced convection Qf with the radiation

Qr by plotting graphs of Hfm and Hrm against surface temperature. 7. Post-Lab Questions

1. What is difference between natural convection and forced convection and give example of both convections that you observe in everyday life?

2. How surface temperature is effected Qf and Qr? 3. In which field that forced convection can be applied to?

การทดลองท 10 Wind Tunnel

อาจารยผควบคมการทดลอง ผศ.ดร.ราม แยมแสงสงข

Introduction: The wind tunnel, of the open circuit type, is constructed mainly with aluminum, and is supported by a tubular steel framework. The air enters the tunnel through a carefully shapes effuse, the entrance being covered by a protective screen. The working section is Perspex, giving full visibility, and the various models are supported from one of the sidewalls or by means of the three-component balance, when provided. At the upstream end of the working section, there is a static tapping and a total head tube, which may be traversed over the full height of the working section. At the downstream end, there is a pitot-static tube, which may be similarly traversed. Objectives:

1. To familiarize students with a wind tunnel and how it can be apply to the study of aerodynamics and mechanics of fluids

2. To study and understand the causes and effects of irrigational flow, and the behavior of fluids as it passes an object

3. To determine the drag coefficient for a cylindrical tube placed in the wind tunnel 4. To study the velocity profile produced in the wind tunnel

Background: The laminar flow of air across a wind tunnel can turn into turbulent flow rapidly when the stream of air encounters an object in its path. This lab introduces a cylinder in a glass chamber as part of the wind tunnel. The pressure and velocity profiles can be obtained by taking pressure readings at the entrance of the glass chamber, at the cylinder itself, and finally behind the cylinder. The velocity, U, developed by a gas of density, ρ, expanding freely from rest under the influence of a pressure difference, p, is sufficiently small for compressibility to be neglected is given by:

P 2U2

=ρ (1)

Since:

1 cm H2O = 98.1 N/m2 Equation (1) can be expressed as:

h 98.1 2U2

=ρ (2)

where h is the dynamic pressure, In plane 1, h = (H2 – H1) In plane 3, h = (H4 – H3) The density of air under pressure PA and at temperature TA is given by the gas equation:

AA RT

P=

ρ (3)

where R = 287 m2/s2 K. Combining Eq. (2) and (3), the following equation for U is obtained:

A

A

PhT

237.3 U = (4)

Drag Coefficient: By connection the cylinder pressure tapping to one leg of the manometer and rotating the cylinder to successive angular positions, it is possible to determine the variation in static pressure around the circumference of the cylinder. The maximum positive pressure is at a point about 70° from the center of the upstream face, a region of pressure recovery is downstream of the point of minimum pressure, and a nearly uniform negative pressure exists over the downstream of the cylinder.

The drag coefficient is the force exerted by the air stream upon an object and is defined as:

2U 21 x AreaFrontal

Force Cρ

= (5)

Let Hθ be the static pressure indicated when the cylinder has been rotated through and

angle θ from the position in which the tapping point is facing upstream. Then, it may be shown that if the quantity:

2

cos

U 21

H

ρ

θθ (6)

is plotted against θ over the range from 0° to 180°, then the mean value of this function is a measure of the drag coefficient.

A summation of this type for the pressure distribution leads to the values of the drag coefficient indicated. These values agree well with published figures. Note that in calculating the drag coefficient, a corrected value must be used. The correction factor for this case is 1.06.

By subtracting the static pressure upstream of the cylinder from the pressure Hθ and dividing the result by the dynamic pressure, dimensionless plots of the pressure distribution across the surface of the cylinder can be obtained.

The Reynolds number characterizing the flow is given by:

µρUD Re = (7)

As an extension to this experiment, the distribution of dynamic, static, and total pressures in Plane 3 downstream of the cylinder may be explored using the pitot-static tube. It will be shown that the dynamic pressure downstream is higher than the upstream values toward the walls and lower towards the center of the working section immediately behind the cylinder. There is also a static pressure gradient fro walls to center corresponding to an inward direction of flow of the air behind the cylinder. An analysis of the conservation of momentum between a plane upstream of the model and the plane downstream is as followed:

∫ ∫ +=A A D3412 F dA )H - (2H dA )H - (2H (8)

Assuming uniform velocity across the whole of the upstream cross section and uniform velocity across the whole width of the downstream section in the direction of the cylinder axis, it is possible to calculate the drag (FD) on the cylinder from Eq. (8). The calculation yields 20.9 N, which is in excellent agreement with value of 20.4 N obtained by summation of the pressure distribution around the cylinder.

Specifications:

1. Cross section of working section 305 mm x 305 mm (12 in x 12 in)

2. Maximum air velocity 36 m/s (120 ft/s) 3. Maximum power consumption 5 kW 4. Overall dimensions 4127 mm x 1100 mm x

1600 mm high 5. Static, at entrance of perspex H1 cm H2O 6. Total head at plane 1 H2 cm H2O 7. Total head at plane 2 H3 cm H2O 8. Static, at plane 2 H4 cm H2O 9. Static, at model pressure tapping H5 cm H2O 10. Static, cylinder rotates through angle θ Hθ cm H2O

Figure 1 Diagram of the wind tunnel

Theory For the steady flow of a fluid pass a cylinder outside the boundary layer, the flow is considered irrigational. For irrigational flow, the viscosity of the fluid does not have a significant effect on the flow behavior. The pressure distribution around the cylinder of radius a can be found from potential flow theory according to the following equation:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

22

2

01

ra - 2

ra

U 21

P - P

ρ (9)

and the pressure distribution on the surface of the cylinder have the following form: θ

ρ sin 4 - 1

U 21

P - P 2

2

01 = (10)

where a is the radius of the cylinder, Ps is the pressure at radius r distance away from the center of the cylinder, Po is the pressure of the uniform flow, U is the velocity of the uniform flow, ρ is the density of the fluid, and θ is the angle between the point in which Ps is taken and the direction of the uniform flow. At the stagnation point, θ = 0°, the pressure is at its maximum. The pressure gradually decreases as θ increases until in reaches a minimum when θ = 90°. As θ is further increased, the pressure value begins to increase again until in reaches the stagnation point again at θ = 180°. Moreover, the pressure decreases again until in reaches another minimum at θ = 270°, and finally it reaches a maximum again at θ = 360°. In case where the fluid does not have any significant viscosity, the drag caused by the flow of the fluid on the material is zero. Calculation of Drag: When a fluid with significant viscosity flows pass an object, it has the tendency to pull the objective in the same direction of its flow. This is called drag force. Drag force that occurs includes the skin friction drag force and the pressure drag or form drag. The two types of drag are together called the total drag force. Drag force is usually expressed using a dimensionless quantity called drag coefficient (CD), which can be used for objects with similar physical properties, but of different sizes.

The drag coefficient for an object that is placed in the direction of flow of the fluid is the ratio between the total drag force (FD) and the dynamic pressure force which is projected upon an are area A on the object. The equation is given by :

AU

21

F C2

DD

ρ= (11)

For subsonic flow, the value of CD will vary according to the Reynolds number of the fluid. The drag force on the cylinder can be found from the momentum equation integrated at section 1 and 2, where 1 is before the cylinder and 2 is behind the cylinder, respectively. See Fig. 2. The following in integration can be used to obtained the drag force: ∫ ∫ ∫ ∫+=

2 2 1A Pda - Pda Vda - Vda F ρρ (12)

where P is the pressure, V is the velocity of the uniform flow. The term,

∫ ∫2 1

Pda - Pda

can be obtained by performing numerical integration of the static pressure at section 2 and 1, respectively and the term,

∫ ∫2 1

2daV - Vda ρρ

can be obtained by performing numerical integration of the velocity squared at section 2 and 1, respectively.

Nomenclature Angle of rotation of cylinder pressure tapping from θ degrees

upstream position Velocity U [m/s] Mean velocity, upstream of model Uo [m/s] Local velocity, downstream of model U1 [m/s] Diameter of cylinder d [m] Drag coefficient CD

Reynolds number for cylinder (Re) µρUd

Materials: 1. A (12 in x 12 in) wind tunnel (Plant & Partners Ltd.) 2. A total head tube 3. A pitot-static tube 4. An eight-column water manometer 5. Barometer 6. Thermometer 7. A 6.35 cm (2.5 in) diameter Perspex cylinder with pressure tapings 8. An aerofoil with pressure tapings 9. A plastic bag 10. A piece of string

Figure 2 Cross-section of the wind tunnel with wind direction for laminar flow.

1 2

θ

Procedures: 1. Remove all objects from shirt pockets. 2. Plug in power outlet and turn on fan by pressing the green button underneath the

back section of the tunnel. 3. Plot the dimensionless pressure distribution around the cylinder by rotating the

cylinder to successive angles and measuring the pressure readings using the water manometer. 4. Plot the static pressure distribution at section 2 in relation to section 1 in Fig. 2. 5. Plot the distribution of the velocity squared term at sections 1 and 2. 6. Determine the drag force and calculate the drag coefficient. 7. Compare the drag coefficient obtained with the value from the reference. 8. Complete a lab report.

Pre-Lab Questions 1. What are the objectives of this lab? 2. What is irrigational flow and does the viscosity of the fluid have any effect on this type

of flow? 3. What measurements are made in this experiment? 4. What is the stagnation point and how does the pressure at this point compared to the

pressure at other locations? 5. What is drag force and what types of drag forces are discussed in this lab?

Post-Lab Questions 1. What is the purpose of rotating the cylinder? 2. Explain how to obtain the dimensionless plot of static pressure at points 1 and 2 in

Fig. 2. 3. How is the drag force, FD, calculated? 4. Compare the drag coefficient obtained with the value from the reference. 5. In which field of technology can the wind tunnel be applied to?

References 1. Rouse, H. 1976. Engineering Hydraulics. New York: John Wiley, Inc., pp. 121-123. 2. Schlichting, H. 1957. Boundary Layer Theory. New York: McGraw-Hill, pp. 155. 3. Vallentine, H.R. 1959. Applied Hydronamics. London: Butterworth Co., Ltd., pp. 43.

Data Atmospheric Pressure = Ambient Temperature = Air Velocity entering the Perspex = Static pressure at Section 1 = Distribution of Pressure along the Cylinder (Degrees) Pressure (cm of water) -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Pressure Distribution at Sections 1 and 2

Distance from Centerline

Section 1 Section 2

(cm) Stagnation press Stagnation press Static press 0

1.5

3.5

5.5

7.5

9.5

11.5

13.5

14.5

คาถามหลงการทดลอง 1. การหมน plastic cylinder เปนการทาเพออะไร ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 2. อธบายวทการทา dimensionless plot ของ static pressure ทจด 1 และ 2 ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 3. การคานวณคา drag force, FD, ทาอยางไร ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 4. เปรยบเทยบคาของ drag coefficient ทคานวณไดกบคามาตรฐานทหามาจากหนงสออางอง และ วจารณความเบยงเบนทเกดขน ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 5. Experiment นสามารถนาไปใชกบ technology ใดๆ ไดบาง ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………