Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в условиях свободного движения
Процесс теплоотдачи при кипении жидкости отличается весьма большой сложностью. В зависимости от внешних условий наблюдается большое многообразие гидродинамических форм двухфазного потока при кипении и чрезвычайная сложность отвечающих им количественных закономерностей для теплоотдачи. Поэтому строгой теории теплообмена при кипении пока не существует, а имеются лишь отдельные приближенные решения.
Вид математического описания зависит от принятой физической модели процесса.
Например, некоторые источники предлагают использовать зависимости «классического» вида.
(
)
Физические параметры, входящие в числа подобия, берутся по температуре насыщения.
где
;
Ja
= cptж/(rп).
Величина l* является характерным линейным размером для паровой фазы
Значения постоянных при кипении неметаллических жидкостей составляют:
Re* с п
<=0,01 0,0625 0,5
=> 0,01 0,125 0,65
Зависимость (13.14) справедлива в области значений
Re*=10-5…104, PrЖ=0.85…7.6, wц<=7m/c, <=70%
для широкого диапазона давлений насыщения (до околокритических давлений).
Здесь — объемное расходное паросодержание,
wц – скорость циркуляции жидкости при кипении.
Эмпирические формулы.
Для определенного рода жидкости коэффициент теплоотдачи при развитом кипении зависит лишь от режимных параметров (q, p).
Поэтому для практических расчетов можно принять эмпирические размерные зависимости.
Эти зависимости устанавливаются либо непосредственно из анализа опытных данных, либо получают с использованием уравнений подобия.
Для
воды
в
диапазоне давлений примерно до
<=0,18
получены зависимости
(
)
(
)
где q и р — соответственно в Вт/м2 и в бар.
Описание установки
Теплоизолированный сосуд, нагреватель, исследуемая жидкость, вольтметр, амперметр, реостат, жидкостной термометр, термопары с измерительным комплексом, электронный микроскоп, персональный компьютер (Laptop).
Снятие показаний температуры осуществлялось при помощи термопары типа «К», подключённой к многофункциональному цифровому мультиметру типа АМ-1118 с диапазоном измерения температур от -20 до 1000 оС
Порядок выполнения работы
ЗАДАНИЕ №1. Определение параметров теплообмена при кипении.
Установить устойчивый процесс пузырькового кипения с недогревом при минимальном подводе тепла. Для этого:
Наполнить сосуд водой. Объем жидкости должен учитывать последующее погружение нагревательного элемента.
Оперируя реостатом, добиться устойчивого минимального по интенсивности процесса кипения жидкости в сосуде.
Проанализировать наблюдаемую картину. Подробно описать «поведение» пузырьков пара. По-возможности сфотографировать с увеличением (используя микроскоп) процесс кипения. Поверхность нагревателя.
Занести в таблицу наблюдений параметры эксперимента.
Привести график изменения по времени температуры жидкости находящейся около нагревательного элемента (использовать при этом гильзованную термопару).
Определить площадь греющей поверхности нагревателя.
Определить мощность нагревателя (использовать показатели электроприборов).
Определить поверхностную плотность теплового потока при кипении.
По соответствующей формуле (см. ниже) определить коэффициент теплоотдачи при кипении.
По
соответствующей формуле (см. ниже)
определить
при кипении.
Эксперимент провести несколько раз.
Определить
осредненные значения
,
.
Сравнить с табличными.
При желании выполнить большее количество экспериментов.
Погрешность определить с уровнем доверительной вероятности 80%.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу наблюдений.
|
I, A |
U, B |
N, Вт |
q, кВт/м2 |
α, кВт/м2 0С |
t, 0С |
Процесс |
|
|
|
|
|
|
Нагрев жидкости |
|
|
|
|
|
|
Устойчивый процесс пузырькового кипения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ратм.= мм.рт.ст |
|
|
|
|
|
|
ЗАДАНИЕ №2. Определение распределения температуры по высоте в толще кипящей жидкости.
Использовать гильзованную термопару. От момента начала подвода тепла до закипания замерить и отразить на графике изменение температуры жидкости в точке расположенной по близости от поверхности кипятильника.
При устойчивом кипении жидкости попытаться замерить изменение температуры по глубине погружения, от зеркала кипящей жидкости до дна сосуда. По возможности «пройти» как можно ближе к поверхности кипятильника, но не касаясь его. Изобразить данную зависимость на графике.
Примечание. для удобства снятия показаний можно воспользоваться штативом.
Таблица наблюдений.
№ изм. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
L расстояние до поверхн. жидкости, см |
0,2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
t 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|