23209 (1)

6.3Построить зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры

втермостате α=f(Т).

Рисунок.2 График определения темпа охлаждения тела.

Согласно полученным экспериментальным данным рассчитываются сле-

дующие параметры (величины):

7.1 Определяем мгновенные значения избыточной температуры тол-

стостенной детали по отношению к температуре среды: υ=(t1-t3),

где t1 – внутренняя температура (на ее оси) детали; t3 – температура внешней среды, С0.

7.2 Для построения графика ln υ = f () и определения регулярного ре-

жима определяем значения натуральных логарифмов мгновенных значений избыточной температуры. Полученные значения заносим в таблицу 2.

7.3По выражению (6) определить темп охлаждения (нагрева) детали.

7.4Согласно формуле (10) определить коэффициент формы k цилинд-

рической детали.

7.5 Коэффициент температуропроводности по выражению a = k·m ре-

зультат занести в таблицу 2.

8. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет выполняется в тетради. Он должен содержать в себе принципиальную схему установки, ведомость испытаний, расчетные формулы и примеры расчетов одного режима. Оформленный отчет предоставляется преподавателю.

9.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое регулярный режим?

2.Физический смысл коэффициента температуропроводности?

3.Порядок определения коэффициента температуропроводности?

4.Укажите зависимость коэффициента температуропроводности тела от его формы.

5.Сущность метода «двух температурных точек при регулярном режиме охлаждения» для определения коэффициента температуропроводности?

6.Объясните устройство и принцип действия лабораторной установки.

7.Назовите периоды процесса нагрева (охлаждения) тел различной геометрической формы.

8.Что характеризует оператор Лапласа в выражении для определения полного теплового потока, проходящего через поверхность?

9.Какие тела называются: «термически тонкими», «термически толстыми»?

10.Чем отличается стационарный режим распространения тепла в различных материалах от нестационарного?

Лабораторная работа №10 «Исследование процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении

жидкости»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Закрепление знаний студентов о процессе и расчете теплоотдачи при кипении жидкости и экспериментальное определение коэффициента тепло-

отдачи от нагретого тела к кипящей воде.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Кипением называется процесс образования пара в объеме жидкости при подводе теплоты. Температура образующегося пара носит название темпера-

туры насыщения tн. Различают два режима кипения: пузырьковый и пленоч-

ный. Если температура поверхности теплообмена (стенки) tс выше темпера-

туры насыщения tн, на поверхности возникают пузырьки пара в так называе-

мых центрах парообразования - неровностях самой стенки. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплы-

вают, а на их месте образуются новые пузырьки.

При пузырьковом кипении движение пузырьков после отрыва их от по-

верхности приводит к интенсивной циркуляции и перемешиванию жидкости в пограничном слое, в результате чего усиливается теплоотдача от поверхно-

сти стенки к жидкости. При большом увеличении температурного напора

t = tст – tн увеличивается число центров парообразования и из пузырьков па-

ра образуется сплошная пленка, представляющая большое термическое со-

противление теплоотдаче от стенки к жидкости. При таком режиме увеличи-

вается температурный напор t и резко уменьшается коэффициент теплоот-

дачи 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 пу-

зырьковым. На рисунке.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 тепло-

отдачи

где tж – температура жидкости, равная при кипении tн, 0С.

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

3. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА

ИЗМЕРЕНИЙ

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1(а).

На передней панели находится восьмиканальный измеритель темпера-

туры (2) типа УКТ38, подключенный к трем хромелькопелевым термопа-

рам ((3), (4) и (5), универсальный вольтметр (16), типа MY- 68 с автоматиче-

ским переключением пределов измерений, тумблер электропитания установ-

ки (1), разъемы (V) для подключения вольтметра (16), тумблер (6) для пере-

ключения вольтметра на измерение падения напряжения на образцовом со-

противлении (Uо) и напряжении на нагревателе пластины (Uн). На рисун-

ке.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 регулято-

ра 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 Rо для определения вели-

чины электрического тока в цепи по измеренному значению падения напря-

жения на сопротивлении Rо. 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 tн 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 кон-

тролируется уровнемером (17). Заполнение водоподогревателя водой произ-

водится с помощью дренажной трубки, расположенной на задней панели прибора. При пузырьковом кипении воды при атмосферных условиях разли-

чают две области кипения. В первой области при малых температурных на-

порах (Δt ≤ 50С) значения коэффициента теплоотдачи невелики и определя-

ются условиями свободной конвекции однофазной жидкости. Во второй об-

ластипри повышенных температурных напорах, (50С ≤ t ≤ 250С) коэффи-

циент теплоотдачи значительно возрастает. Это связано с интенсивной кон-

векцией жидкости вследствие роста и движения паровых пузырей. Для воды,

кипящей в диапазоне давления р/ркр≤ 0,18 для расчета коэффициента тепло-

отдачи применяют зависимости, полученные из опытных данных:

где: q - плотность теплового потока q, Вт/м 2 ;

p – давление в системе, МПа;

pкр – критическое давление, МПа.

Рисунок.2. Общий вид (а) и схема экспериментальной установки (б)

Расчет коэффициента теплоотдачи по уравнениям (1) и (2) ведут мето-

дом последовательных приближений: вначале задают значения q и t, а затем их проверяют и при необходимости уточняют расчет. При известном α плот-

ность теплового потока находят как:

Экспериментально средний коэффициент теплоотдачи между поверх-

ностью обогреваемого цилиндра и кипящей водой определяют из соотнония:

где Ф - тепловой поток, передаваемый от поверхности цилиндра к во-

де, Вт; А- площадь поверхности цилиндра, м2; tст- средняя температура этой поверхности, 0С; tн- температура насыщения при атмосферном давлении, 0С.

Тепловой поток определяется по электрической мощности, потребляе-

мой нагреваемым цилиндром:

где Uн- напряжение на нагревателе цилиндре, В; I-величина тока, А; Uо-

падение напряжения на образцовом сопротивлении Rо, мВ; Rо - величина об-

разцового сопротивления, включенного последовательно с сопротивлением нагреваемого цилиндра, Ом.

4.ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

1.Снять верхнюю крышку (13) лабораторной установки и выдвинуть вверх правое боковое защитное стекло.

2.Приподнять теплоизолятор (14) вместе с крышкой (18);

3.Заполнить дистиллированной водой на 3/4 стеклянную емкость

(8);

4.Опустить теплоизолятор (14) вместе с крышкой (18) на стеклянную емкость (8);

5.Заполнить водоподогреватель (9) на 2/3 водой через одну из двух дренажных трубок, размещенных на задней панели установки;

6.Убедиться в том, что термоэлектроды термопар подсоединены к измерителю температуры, а электропровода к нагревателю и надежно изолированы. Поставить на место боковое защитное стекло и верхнюю крышку установки;

7.Подключить «ВХОД» на ЛАТРе к розетке 220В, находящейся на задней панели установки.

8.Подсоединить к РЕГУЛИРУЕМОМУ ВЫХОДУ ЛАТРа токоподводы нагревателя медного цилиндра (на задней панели установки).

Заземлить установку и ЛАТР.

5.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Записать данные установки, условия опыта;

2.Убедиться в том, что все приборы выключены. Повернуть регулятор напряжения ЛАТРа против часовой стрелки до упора.

3.Подсоединить клеммы регулируемого выходного напряжения ЛАТРа

кпроводам нагревательного элемента (маркировка на задней панели установки).

4.Подключить вилку сетевого шнура ЛАТРа к сетевой розетке,

расположенной на задней панели установки. Подключить мультиметр (17) к

установке через разъемы V на передней панели;

5.Включить стенд тумблером (1) и измеритель температуры (2);

6.Включить регулятор мощности (10) водоподогревателя, поворотом ручки почасовой стрелке на ½ оборота («ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВ»);

7.Через 10-15 минут вода в стеклянной емкости должна нагреться до

60-700С. Процесс нагрева воды в стеклянной емкости контролировать по измерителю температуры (1-я термопара, (дающая показание) t1);

8. Переключателем (15) мультиметра установить режим измерения переменного напряжения. Переключить тумблер (6) на измерение Uн-

напряжения на нагревательном элементе;

9.Установить выходное напряжение на ЛАТРе около 100 В, пользуясь показаниями мультиметра;

10.С помощью двух включенных нагревателей выйти на режим пузырькового кипения, наблюдая этот процесс визуально и следя за показаниями измерителя температур;

11.При достижении температуры t1= 80-900С и t2 и t3= 101-1050С

уменьшить мощность на ТЭНе (11) водоподогревателя поворотом ручки против часовой стрелки до минимума при сохранении режима кипения;

12.Установить температурный напор t ≤ 50С, отрегулировав выходное напряжение ЛАТРа;

13.Произвести отчет температур по 1-му, 2-му, и 3- му каналам УКТ-

38:2-й канала измеряет температуру в нижней точке боковой поверхности цилиндра - t2, 0С; 3-й канал измеряет температуру в средней точке боковой

поверхности цилиндра – t2, 0С; 1-й канал измеряет температуру воды вблизи боковой поверхности цилиндра – t1, 0С;

14.Произвести отсчет напряжения на нагревательном элементе пластины Uн по мультиметру (16);

15.Переключить тумблер (6) в положение Uо. Произвести отсчет напряжения на образцовом сопротивлении Uо1;

16.Провести опыт на другом режиме по указанию преподавателя.

Результаты измерений занести в таблицу 1.

17.Данные установки и таблица результатов измерений

(рассчитывается по значениям d и l)

Площадь боковой поверхности цилиндра А, м2

Таблица 1 Значения измеренных и расчетных величин

6.ОБРАБОТКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Экспериментально средний коэффициент теплоотдачи α определяется из соотношений:

где: А = πdl, м2; tст = (t1 + t2)/2; tн = t3, 0С

7.СОПОСТАВЛЕНИЕ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ С РАСЧЕТНЫМ

По уравнению (1) или (2) методом последовательных приближений

рассчитать коэффициент теплоотдачи α (без использования опытных данных)

идалее по опытному значению температуры стенки tст – величину qр – для условий эксперимента. Полученные расчетные значения αр и qр сопоставить с опытными, взятыми из табл. 2 и определить относительные погрешности δα

иδq по уравнениям:

1.Какие режимы кипения Вы знаете?

2.Почему коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении ниже, чем при пузырьковом?

3.В чем состоит переход от пузырькового режима кипения к пленочному?

4.Какой порядок величин имеют коэффициенты теплоотдачи при кипе-

нии?

5.Зависимости какого вида используются для расчета коэффициентов теп-

лоотдачи при кипении?

6.Объясните схему экспериментальной установки и порядок проведения опыта;