Лабораторная работа №6 исследование теплоотдачи при пузырьковом кипении в большом объеме. Задание

Экспериментально исследовать и классифицировать различные режимы теплоотдачи при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении. Определить опытным путем и рассчитать по известным формулам коэффициенты теплоотдачи при кипении на горизонтальной трубке в широком диапазоне изменения плотности теплового потока. Полученные данные представить в графической форме, сопоставить значения ^эксп и ^расч.

Литература

1. [1] стр. 250-266.

2. [2] стр. 110-113.

3. Настоящее методическое указание, лаб. работа №7

Теоретические положения

Процесс кипения широко используется в технике для охлаждения теплонапряженных поверхностей (в испарителях холодильных машин, в ядерных реакторах кипящего типа, ракетных двигателях, парогенераторах тепловых и атомных электростанций, опреснителях дистилляционного типа, при охлаждении слитков и изделий, закалке металлов и т.п.).

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящий в жидкости, перегретой относительно температуры насыщения при данном давлении. Различают поверхностное кипение на твердой поверхности, к которой подводится тепло, и объемное кипение (во всем объеме жидкости).

Образование паровых пузырьков при кипении наблюдается в отдельных точках, называемых центрами парообразований. При поверхностном кипении центрами парообразования могут служить шероховатости поверхности нагрева, адсорбированные ею пузырьки газа, а при объемном – растворенные в жидкости газы, взвешенные твердые частицы.

Различают два основных режима поверхностного кипения: пузырьковый и пленочный. Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся пузырьков, называется пузырьковым. Оно наблюдается при умеренных и больших плотностях теплового потока q (или температурных напорах t=t_c-t_н ). С увеличением плотности теплового потока или температурного напора до некоторого значения паровые пузыри сливаются, образуя сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Режим кипения, характеризующийся наличием у поверхности нагрева пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным кипением.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении значительно ниже, чем при пузырьковом.

Теплообмен при пузырьковом кипении характеризуется очень высокой интенсивностью. При повышении плотности теплового потока, подводимого к поверхности теплообмена, (или ее нагрева) увеличивается число действующих центров парообразования, происходит интенсивная турбулизация пристенного слоя жидкости образующимся, растущими и всплывающими паровыми пузырями, приводящая к значительной интенсификации теплообмена. В области развитого пузырькового кипения существенный вклад в повышение интенсивности теплообмена вносит доля теплоты, расходуемуя на испарение микрослоя жидкости, образующегося у основания парового пузырька. Термическое сопротивление микрослоя очень мало вследствие его незначительной толщины (_м=10^-5…10^-6 м). При увеличении плотности теплового потока и уровня давления возрастание общего количества паровых пузырьков, генерируемых поверхностью нагрева, вместе с увеличением частоты их образования и уменьшением толщины микрослоя обуславливают увеличение вклада микрослоевого испарения в общем процессе теплопереноса. Коэффициент теплоотдачи при этом существенно возрастает. Высокая интенсивность теплообмена при развитом пузырьковом кипении объясняется также дополнительным переносом теплоты массой нагретой жидкости из пристенного слоя в основной объем жидкости. На коэффициент теплоотдачи при кипении в свободном объеме оказывают влияние плотность теплового потока, теплофизические свойства кипящей жидкости, давление, недогрев до температуры насыщения, шероховатость поверхности теплообмена и ее теплофизические свойства, высота уровня жидкости над поверхностью нагрева.

Механизм процесса теплоотдачи при кипении жидкости отличаются большой сложностью. В зависимости от сочетания режимных параметров наблюдается большое многообразие гидродинамических форм двухфазного потока при кипении, поэтому сложно теоретически найти количественную связь коэффициента теплоотдачи с определяющими факторами.

С использованием теории подобия получена критериальная зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении насыщенной жидкости в большом объеме, обобщающая экспериментальные данные:

(1)

При с=0.0625 n=0.5

с=0.125 n=0.65

где

- модифицированные критерии Нуссельта и Рейнольдса, соответственно.

Как видно из формулы (1), коэффициент теплоотдачи зависит только от плотности теплового потока и теплофизических свойств кипящей жидкости, которые, в свою очередь, являются функциями давления насыщения. Поэтому для практических расчетов можно использовать эмпирические зависимости, устанавливающие связь между коэффициентами теплоотдачи и режимными параметрами q и P_н для большинства технических жидкостей в виде:

, Вт/(м²К) (2)

где: q – плотность теплового потока, Вт/м²;

Р_н – давление насыщения, бар;

А, n, m – константы, зависящие от рода жидкости и Р_н.

Так для воды с=3.0; n=0.7; m=0.15.