Контрольные вопросы и задания.

1. Напишите уравнение теплопроводности Фурье;

2. От чего зависит коэффициент теплопроводности газов? Каков порядок его величины?

3. Поясните величины, входящие в расчетное уравнение (6). Как оно выводится?

4. Поясните устройство и принцип действия экспериментальной установки;

5. Какие величины и с помощью каких средств измеряются в опытах?

6. Каким образом определяется температура нити?

7. Для чего строится зависимость Ф = f(t_н)?

8. Как изменяется теплопроводность воздуха с температурой?

Лабораторная работа № 10 исследование теплоотдачи при пузырковом кипении жидкости

Цель работы - закрепление знаний студентов о процессе и расчете теплоотдачи при кипении жидкости и экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи от нагретого тела к кипящей воде.

1. Основы теории

Кипением называется процесс образования пара в объеме жидкости при подводе теплоты. Температура образующегося пара носит название температуры насыщения t_н. Различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный. Если температура поверхности теплообмена (стенки) t_с выше температуры насыщения t_н, на поверхности возникают пузырьки пара в так называемых центрах парообразования - неровностях самой стенки. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают, а на их месте образуются новые пузырьки.

При пузырьковом кипении движение пузырьков после отрыва их от поверхности приводит к интенсивной циркуляции и перемешиванию жидкости в пограничном слое, в результате чего усиливается теплоотдача от поверхности стенки к жидкости. При большом увеличении температурного напора Δt = t_ст – t_н увеличивается число центров парообразования и из пузырьков пара образуется сплошная пленка, представляющая большое термическое сопротивление теплоотдаче от стенки к жидкости.

При таком режиме увеличивается температурный напор Δt и резко уменьшается коэффициент теплоотдачи α. Это - пленочный режим кипения жидкости, при котором высокая температура стенки может привести ее к прогару. Поэтому теплообменные поверхности рассчитывают таким образом, чтобы кипение в них было пузырьковым. На рис.1 даны типичные зависимости q = f(Δt) и α = f(Δt), где q – плотность потока теплоты от стенки к жидкости (Вт/м³), α – коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости (Вт/(м² К)), входящий в уравнение теплоотдачи

q = α (t_ст – t_ж), (1)

г де t_ж – температура жидкости, равная при кипении t_н, ⁰С.

Рис. 1. Зависимость q=f( )(1) и (2) при кипении жидкости

2. Схема экспериментальной установки и методика измерений

Схема экспериментальной установки приведена на рис.2(а). На передней панели находится восьмиканальный измеритель температуры (2) типа УКТ- 38, подключенный к трем хромель- копелевым термопарам ((3), (4) и (5), универсальный вольтметр (16), типа MY- 68 с автоматическим переключением пределов измерений, тумблер электропитания установки (1), разъемы (V) для подключения вольтметра (16), тумблер (6) для переключения вольтметра на измерение падения напряжения на образцовом сопротивлении (U_о) и напряжении на нагревателе пластины (U_н). На рис.2(б) приведена принципиальная схема рабочего участка, электрическая схема питания и измерений. Нагреваемый медный цилиндр (7) находится в цилиндрической стеклянной ёмкости (8), помещенной в водоподогреватель (9), снабженный ТЭНом (11), питающимся (7) от электросети через регулятора мощности (10). Внутри медного цилиндра находится нагревательный элемент, соединенный с лабораторным автотрансформатором (12). В цепь, последовательно с нагревательным элементом, вмонтированном в медный цилиндр (7), включено образцовое сопротивление R_о для определения величины электрического тока в цепи по измеренному значению падения напряжения на сопротивлении R_о. Внутри медного цилиндра расположены две термопары, одна t₁, подведенная к нижней точке поверхности, вторая - t₂, подведена к средней (сбоку) точке поверхности цилиндра. Для измерения температуры воды t_н в емкости (8) вблизи поверхности цилиндра размещена третья термопара.

Предварительный подогрев воды до 70-80⁰С в ёмкости (8) производится водоподогревателем (9). Уровень воды в подогревателе контролируется уровнемером (17). Заполнение водоподогревателя водой производится с помощью дренажной трубки, расположенной на задней панели прибора.

При пузырьковом кипении воды при атмосферных условиях различают две области кипения. В первой области при малых температурных напорах (Δt ≤ 5⁰С) значения коэффициента теплоотдачи невелики и определяются условиями свободной конвекции однофазной жидкости. Во второй области- при повышенных температурных напорах, (5⁰С ≤ Δt ≤ 25⁰С) коэффициент теплоотдачи значительно возрастает. Это связано с интенсивной конвекцией жидкости вследствие роста и движения паровых пузырей. Для воды, кипящей в диапазоне давления р/р_кр ≤ 0,18 для расчета коэффициента теплоотдачи применяют зависимости, полученные из опытных данных:

α = 3,0 q^0,7 p^0,15, (1)

или

α = 38,7 Δt^2,33 p^0,5, (2)

где: q - плотность теплового потока q, Вт/м ; p – давление в системе, МПа; p_кр – критическое давление, МПа.

Рис.2. Общий вид (а) и схема экспериментальной установки (б)
Общий вид: 1 – тумблер электропитания установки; 2 – измеритель температуры УКТ-38; 6 – тумблер переключения установки на измерения Uн и U ; 13 – крышка модуля; 15 – переключатель универсального вольтметра (мультиметра); 16 – универсальный вольтметр (мультиметр).	Схема установки: 3,4,5 – термопары; 7 – нагреваемый медный цилиндр; 8 – стеклянная емкость; 9 – водоподогреватель; 10 – регулятор мощности; 11 – термонагревательный элемент; 12 – лабораторный автотрансформатор; 14 – теплоизолятор; 17 – уровнемер; 18 – крышка стеклянной емкости.

Расчет коэффициента теплоотдачи по уравнениям (1) и (2) ведут методом последовательных приближений: вначале задают значения q и Δt, а затем их проверяют и при необходимости уточняют расчет. При известном α плотность теплового потока находят как:

q = αΔt (3)

Экспериментально средний коэффициент теплоотдачи между поверхностью обогреваемого цилиндра и кипящей водой определяют из соотношения:

α = , (4)

где Ф - тепловой поток, передаваемый от поверхности цилиндра к воде, Вт; А- площадь поверхности цилиндра, м²; t_ст- средняя температура этой поверхности, ⁰С; t_н- температура насыщения при атмосферном давлении, ⁰С. Тепловой поток определяется по электрической мощности, потребляемой нагреваемым цилиндром:

Q = U_н I = U_н U₀/R₀, (5)

где U_н- напряжение на нагревателе цилиндре, В; I-величина тока, А; U_о- падение напряжения на образцовом сопротивлении R_о, мВ; R_о - величина образцового сопротивления, включенного последовательно с сопротивлением нагреваемого цилиндра, Ом.