Часть 2 Основы теплопередачи

I – сила тока – при измерении показания цифрового прибора I умножается на коэффициент I: I I I, (А), где I =450, Uэл – напряжение на рабочем участке нагревателя, измеряемое вольтметром. По значениям ei из градуировочного графика термопары определяется t; tж – температура окружающего воздуха; В – барометрическое давление.

Обработка опытных данных

1. Тепловой поток, подводимый электронагревателем, опреде-

стационарного режима этот тепловой поток отводится от горизонтальной трубы к омывающему воздуху за счет теплоотдачи Qк и излуче-

d=0,04 м и длиной L=0,34 м составляет F= d L=0,0427 м2. Степень черноты поверхности трубы = 0,3; коэффициент объемного расши-

рения 1 , 1/К; коэффициент кинематической вязкости (м2/с) и

Tж

теплопроводности , [Вт/(м К)], в зависимости от температуры определяется по таблице теплофизических свойств воздуха из приложения.

2. Результаты расчетов занести в табл. 3 обработки опытных данных.

- 141 -

- 142 -

Примечание. В числах подобия Nuжd и Grжd : индекс ж означает, что теплофизические свойства среды определяются при определяющей температуре tж индекс d – что в качестве определяющего размера использован наружный диаметр трубы.

3. На графике в координатах lg Nuжd –lg Grжd нанести опытные точки, принимая масштабы по осям равными

Провести через них прямую (рис. 5), которая описывается уравнением

Согласно третьей теореме подобия уравнение (11) можно использовать при расчете для подобных процессов теплоотдачи при свободном движении воздуха около горизонтальной трубы, оно справедливо в области изменения определяющих чисел подобия Grжd, охваченных в эксперименте.

Из литературы [1, 2, 3] известно, что при свободном движении газообразной среды около горизонтальной одиночной трубы установлена зависимость

- 143 -

6.Особенности процесса теплоотдачи при свободном движении воздуха около горизонтальной трубы. Формирование пограничного слоя, его влияние на интенсивность теплоотдачи.

7.Экспериментальная установка для исследования процесса теплоотдачи при свободном движении воздуха около горизонтальной цилиндрической поверхности – трубы. Методика измерений.

8.Уравнение подобия, описывающее процесс теплоотдачи. Обобщение опытных данных, установление явного вида уравнения подобия.

9.Значение теории подобия как теории эксперимента.

10.От чего зависит интенсивность свободного движения? Как это учтено в уравнении подобия?

11.Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей. Методика расчета.

Литература

1.Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок: метод. указания /сост.: В.А. Аляев [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2000. –

64 с.

2.Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник / В.В. Нащокин. – М.: Высш. школа, 2008. – 496 с.

3.Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1981. – 416 с.

4.Практикум по теплопередаче / А.П. Солодов и [др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 296 с.

- 145 -

Приложение

t , C

Градуировочный график термопары

- 146 -

Примечание. I1, I2, I3 – значения силы тока, проходящего через трубку – нагреватель.

Физика процесса кипения

Теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Образование паровой фазы внутри объема жидкости сопровождается затратой большого количества тепла на переход жидкости в пар.

Рассмотрим основные характеристики процесса пузырькового кипения в большом объеме, то есть при отсутствии вынужденного движения жидкости. Наиболее благоприятные условия для образования паровых пузырьков создаются в центрах парообразования, которыми являются отдельные неровности (выступы и впадины) на поверхности нагрева. Здесь же непосредственно у стенки наблюдается наибольший перегрев жидкости. Если температура кипящей жидкости в объеме близка к температуре насыщения tнас ,то у стенки она достигает температуры стенки tс и перегрев здесь составляет t=tc – tнас. На поверхности нагрева зарождается большое количество паровых пузырьков. Из них жизнеспособными оказываются те пузырьки, давление пара внутри которых не меньше давления окружающей жидкости и давления, создаваемого поверхностным натяжением жидкости , то есть размер которых превышает критический.

Условия существования парового пузырька устанавливаются уравнением Лапласа:

Здесь давление пара в пузырьке Рп уравновешивается давлением окружающей его жидкости Рж и силой поверхностного натяжения ,

- 148 -

приложенных к поверхности парового пузыря с минимальным радиусом Rк. Пар в пузырьке и соприкасающейся с ним жидкости перегрет относительно температуры насыщения на величину разности темпера-

Анализ этого соотношения показывает, что зарождение парового пузырька вероятнее всего в местах наибольшего перегрева жидкости, то есть на обогреваемой поверхности, где давление насыщенного пара имеет наибольшее значение. При увеличении температурного напора

ют работать более мелкие центры с большей кривизной, в результате чего общее число центров парообразования возрастает. С ростом дав-

ностного натяжения , приложенной к свободной поверхности парового пузырька, уменьшается, что приводит также к уменьшению Rк и увеличению числа действующих центров парообразования, что под-

сивность процесса парообразования существенно возрастает. Одной из причин, подтверждающих приведенные выше выводы, является работа современных котлоагрегатов, применяемых для выработки пара высокого давления (порядка 200 бар) при температуре пара около 370оС. В случае кипения воды при атмосферном давлении численное значе-

ние производной p невелико. Поэтому для данного случая кипения

Tн

воды при атмосферном давлении уравнение Лапласа может быть упрощено и записано в виде

Режимы кипения

Из выражения (1) видно, что при малых перегревах ∆t критический радиус Rкр достаточно велик. Поэтому в воде при атмосферном давлении, когда ∆t <5°С, большинство зарождающихся паровых пузырьков оказываются нежизнеспособными, поскольку в этих условиях их размеры не могут превысить Rкр. Эти центры пока еще не функционируют. В этом случае паровых пузырьков образуется так мало, что интенсивность теплообмена, характеризуемая коэффициентом теплоотдачи α, Вт/(м2·К), остается невысокой и определяется теплоотдачей при естественной конвекции однофазной жидкости (рис. 1, область АВ).

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора t

поверхности нагрева становятся активными все большее число центров парообразования. Благодаря образующимся паровым пузырькам процесс теплообмена интенсифицируется. При своем росте, а затем и всплытии пузырьки разрушают перегретый пограничный слой и увлекают за собой перегретую жидкость, тем самым перемешивая весь кипящий объем (рис. 2).

Благодаря такому активному воздействию паровых пузырьков

- 150 -