Учебное пособие 1106

1.Последовательно открыть вентили подачи охлаждающей воды в уравнительный бак 6 и в опытную трубу 4 и вентиль подачи пара.

2.Включить пароперегреватели 2 и 3.

3.Убедиться, что установка прогрета, о чем свидетельствует поступление конденсата в слив.

4.Открыть трехходовой кран и направить конденсат в мерную колбу 9.

5.Используя секундомер, определить время τ, которое

потребуется для сбора некоторого количества конденсата mк, кг.

6.За время τ измерить расход охлаждающей воды, температуру поверхности трубы и температуру пара, поступающего

вконденсатор.

7.С помощью барометра определить атмосферное давле-

ние и принять его равным давлению насыщенного пара pп, конденсирующегося на трубе. По этому давлению с использо-

ванием табл. 1.1 определить температуру насыщения Тн, К, равную температуре пара.

Таблица 1.1 Давления насыщенного пара и соответствующие им

температуры насыщения

9

8. После завершения эксперимента выключить установку. Выключение выполнить в порядке, обратном включению.

Включение и выключение установки произвести только в присутствии лаборанта или преподавателя.

1.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Результатом обработки экспериментальных данных является получение значений коэффициентов теплоотдачи и их сравнение с соответствующими теоретическими значениями.

Чтобы получить средний коэффициент теплоотдачи по экспериментальным данным, используют формулу

где Q − тепловой поток, образующийся при конденсации

пара, Вт; Tст.ср. = (Т1 + Т2 + Т3 + Т4)/4 − средняя температура поверхности конденсации, К; F = πDH – площадь поверхности

конденсации, м2.

Тепловой поток можно найти, зная количество образовавшегося конденсата

или расход охлаждающей воды

где Vв − объемный расход охлаждающей воды, м3/с; ρв − плотность охлаждающей воды, кг/м3; св − удельная теплоемкость охлаждающей воды, Дж/(кг∙К); T6 и T7 – температуры охлаждающей воды на входе и выходе трубы соответственно, К.

10

Плотность и удельную теплоемкость охлаждающей воды принять равными 998 кг/м3 и 4182 Дж/(кг∙К) соответственно.

Теоретическое значение среднего коэффициента теплоотдачи получают по формуле (1.17), принимая во внимание перечисленные в таблице 1.2 параметры воды при некоторой определяющей температуре

Tопр = Tст.ср. + 0,33(Тн − Tст.ср.).

Используя полученные данные, на одном рисунке построить зависимости э (Тн Тст.ср. ) и (Тн Тст.ср. ) и провести их сравнительный анализ.

1.5. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ

Согласно формулам (1.19) – (1.21) максимальная среднеквадратичная ошибка косвенного измерения среднего коэффициента теплоотдачи

11

где ∆mк = ±0,002 кг, ∆τ = ±0,1 с, ∆Tст = ±2,25 К, ∆D = ±10-4

м и ∆H = ±10-3 − абсолютные погрешности измерения массы конденсата, времени, температуры стенки, диаметра трубы и высоты трубы соответственно. По таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара погрешности определения температуры насыщения ∆Тн и удельной теплоты парообразования ∆r весьма малы, поэтому в расчете ими можно пренебречь.

1.6. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о работе должен содержать:

1.Краткое описание лабораторной работы и схему экспериментальной установки.

2.Расчет средних коэффициентов теплоотдачи э и .

3.Зависимости э (Тн Тст.ср. ) и (Тн Тст.ср. ) .

4.Обсуждение полученных результатов.

1.7.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие условия возникновения конденсации Вы знаете?

2.Назовите различия между пленочной и капельной конденсациями?

3.Почему коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации больше, чем при пленочной?

12

4.Напишите формулу Нуссельта для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации. При каких допущениях она выводится?

5.Как зависит локальный коэффициент теплоотдачи от температурного напора (Tн − Tст.ср.)?

6.Перечислите факторы, которые влияют на величину коэффициента теплоотдачи при конденсации.

7.Объясните принцип работы экспериментальной уста-

новки.

Лабораторная работа № 2

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ

Цель работы: экспериментальное обнаружение зависимостей теплового потока и коэффициента теплоотдачи от температурного напора при кипении дистиллированной воды в большом объеме.

2.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообмен при кипении жидкости обладает очень высокой интенсивностью и широко используется в различных областях народного хозяйства.

Кипение происходит в температурном интервале от тройной до критической точки жидкости. Для его возникновения необходимо, чтобы существовали центры парообразования, а температура жидкости превышала температуру насыщения. Центрами парообразования служат пузырьки газа, впадины на поверхности нагрева, твердые частицы в объеме жидкости и прочее.

Выделяют кипение при свободной (естественной) конвекции в большом объеме и кипение при вынужденной кон-

13

векции в трубах. Настоящая лабораторная работа посвящена изучению теплообмена при кипении в большом объеме.

Главной характеристикой теплообмена при кипении является зависимость плотности теплового потока q, подводимого к обогреваемой поверхности, от степени перегрева жидкости ∆T, график которой показан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Зависимость q от ∆T при кипении жидкости

Этот график называют кривой кипения и показывает не только интенсивность теплообмена, но и смену режимов кипения.

Поведение кривой кипения можно понять, если мысленно провести следующие два эксперимента. Первый эксперимент предполагает обогрев поверхности кипения независимым источником теплоты (например электрическим омическим нагревателем). Жидкость термостатирована при температуре насыщения. При подводе теплового потока к поверхности кипения начинает повышаться температура жидкости. Когда температурный напор ∆T = Tп − Tж (где Tп − температура поверхности кипения и Tж − температура насыщения жидкости) мал, вблизи поверхности наблюдается отвод теплоты в результате свободной конвекции, а парообразования не происходит. Имеет место

14

постепенный переход свободной конвекции от ламинарного режима к турбулентному. На рис. 2.1 этой ситуации соответствует участок 1. Увеличение теплового потока приводит к появлению и последующему росту числа пузырьков пара, в работу включаются центры парообразования на поверхности нагрева. Содержание пара вблизи поверхности возрастает и процесс парообразования приобретает бурный характер (участок 2 на рис. 2.1). Это явление называется кипением. При этом жидкость в пристенном слое сильно турбулизирована. Чем ближе к точке К1, тем меньше площадь контакта поверхности с жидкостью из-за очень интенсивного динамического воздействия паровых масс, представляющих собой крупные агломераты. В точке К1 при первой критической плотности теплового потока qкр1 поверхность утрачивает возможность контактировать с жидкостью и покрывается паровой пленкой, ухудшающей теплоотвод (первый кризис кипения). В результате этого даже незначительное увеличение теплового потока ведет к резкому повышению температуры поверхности и, следовательно, к резкому повышению ∆T.

Первый кризис кипения связан с переходом пузырькового режима кипения (участок 2 на рис. 2.1) в пленочный (участок 4 на рис. 2.1), сопровождающийся отводом теплоты от поверхности как конвекцией пара, так и тепловым излучением в паровой пленке. Дальнейшее уменьшение теплового потока от qкр1 до qкр2 не приводит к возврату к пузырьковому режиму кипения. Пузырьковый режим устанавливается в точке К2 при второй критической плотности теплового потока qкр2 (второй кризис кипения).

Таким образом, кривые q(∆T), снятые при увеличении ∆T и при последующем уменьшении ∆T, не совпадают, то есть имеет место гистерезис.

Во втором эксперименте предполагается, что температура поверхности регулируется, а плотность теплового потока определяется механизмом теплоотвода. При повышении температуры поверхности кипения (например обогревом ее жид-

15

ким теплоносителем) на участках 1 и 2 вплоть до первого кризиса ход кривой кипения такой же, как и ход кривой кипения в случае первого эксперимента. Последующий рост температуры поверхности не приводит к каким-либо скачкообразным явлениям. Пузырьковый режим (участок 2 на рис. 2.1) переходит в режим переходного кипения (участок 3 на рис. 2.1), при котором некоторый участок поверхности контактирует либо с испаряющейся жидкостью, либо с паром в течение определенных чередующихся промежутков времени. Режим переходного кипения прекращается в точке К2, и наступает режим пленочного кипения. Если затем уменьшать тепловую нагрузку, то пленочное кипение сменится переходным, а при достижении значения ∆Tкр1 установится пузырьковое кипение.

В большинстве практически важных случаев фундаментальный закон теплообмена при кипении записывается в виде

где α − коэффициент теплоотдачи, а q −плотность теплового потока.

Теплоотдача при кипении зависит от многих факторов, причем степень влияния какого-либо параметра на коэффициент теплоотдачи определяется сочетанием различных параметров. Так, в различные формулы, полученные при разных подходах к описанию теплообмена при кипении, входит комбинация теплофизических свойств кипящего вещества (жидкости и пара).

При пузырьковом кипении взаимосвязь между коэффициентом теплоотдачи α и плотностью теплового потока q дается формулой

16

са, м; σ − поверхностное натяжение, Н/м; g – ускорение свободного падения, м/с2; ρʹ − плотность жидкости и ρʹʹ − плотность пара, кг/м3; λʹ − теплопроводность жидкости, Вт/(м∙К);

плота парообразования, Дж/кг; νʹ – кинематическая вязкость жидкости, м2/с; Pr – число Прандтля; pʹ – давление жидкости, Па.

2.2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка (рис. 2.2) представляет собой стальной сосуд с двумя стенками, между которыми находится теплоизоляционный материал.

В сосуде при атмосферном давлении содержится дистиллированная вода, которая с помощью нагревательного элемента 7 поддерживается в состоянии насыщения. Измерение температуры воды осуществляется термометром 10. Водяной пар превращается в капли воды при соприкосновении с холодной поверхностью конденсатора, а потом стекает по нему в объем. Сверху сосуд закрыт крышкой 9.

Сосуд имеет два рабочих участка. На первом рабочем участке исследуют пузырьковое кипение на поверхности горизонтально расположенной стальной трубки 14 длиной 50 мм, наружным диаметром 3 мм и толщиной стенки 0,1 мм. Трубка герметично закрыта с обоих концов, полностью погружена в воду и нагрета непосредственным пропусканием по ней электрического тока, чьи параметры измеряют вольтметром и амперметром. Для пропускания электрического тока по трубке, к последней через токоведущие медные стержни 15 прикладывают регулируемое напряжение с использованием понижающего трансформатора 13.

17