Лабораторна робота №1

Дослідження тепловіддачі при кипінні та конденсації

Мета: дослідження процесів кипіння рідини в умовах вільної конвекції в необмеженому просторі та плівкової конденсації пари в горизонтальній короткій трубі.

2. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Основною характеристикою теплового процесу є кількість переданої теплоти, а основним параметром рекуперативного теплообмінника –поверхня теплопередачі.

В лабораторній установці пара, що гріє, подається в середину кип’ятильної трубки, і, конденсуючись, віддає свою теплоту внутрішній поверхні трубки. Зовні кип’ятильної трубки рідина кипить в умовах вільної конвекції та необмеженого простору.

Кількість теплоти, що передається, визначається з основного рівняння теплопередачі, Вт [1, 2, 3]:

Q = KFΔ t, (2.1)

де К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К); F – площа поверхні теплообміну з боку меншого коефіцієнта тепловіддачі, м²; Δt – середня різниця температур між теплоносіями /температурою пари, що конденсується, та температурою киплячої рідини/, К.

Коефіцієнт теплопередачі при кипінні рідини та конденсації пари для циліндричної трубки з відношенням зовнішнього діаметра до внутрішнього d₃/d_в<2 можна визначити за рівнянням, Вт/(м²·К), [1, 2, 3]:

(2.2)

де α_кип, α_конд – коефіцієнт тепловіддачі відповідно при кипінні рідини і при конденсації пари, Вт/(м²·К); λ – теплопровідність стінки трубки, Вт/(м·К); δ – товщина стінки трубки, м. Різниця температур на внутрішній та зовнішній поверхнях кип’ятильної трубки знаходиться за рівнянням теплопровідності для циліндричної стінки [3]:

(2.3)

де l – довжина кип’ятильної трубки, м; , – температури внутрішньої та зовнішньої поверхонь експериментальної трубки, К. Значення коефіцієнтів тепловіддачі визначаються з рівняння Ньютона-Ріхмана, Вт/(м²·К):

(2.4)

де F_і – поверхня теплообміну процесу тепловіддачі, м²; Δt_і – температурний напір між стінкою та відповідним теплоносієм, К.

Залежність коефіцієнтів тепловіддачі від характеру та швидкості руху теплоносіїв, їх фізичних властивостей, розмірів, форми та розташування поверхні теплообміну, а також інших факторів досить складна. Тому для визначення коефіцієнтів тепловіддачі проводяться 5 експериментальні дослідження з подальшою обробкою та узагальненням дослідних даних.

Значення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні води в умовах вільної конвекції та необмеженого простору при атмосферному тиску може бути визначено за рівнянням, Вт/(м²·К), [4]:

(2.5)

де Δt_кип= – t_кип - різниця температур між температурою зовнішньої стінки кип’ятильної трубки та температурою киплячої води t_кип, К; К_ц і К_Т – коефіцієнти, що враховують відповідно щільність центрів пароутворення та перегрів рідини у пристінному шарі киплячої рідини.

Залежно від Δt_кип значення для К_ц і К_Т визначаються з табл.2.1 [4].

Таблиця 2.1. Значення коефіцієнтів К_Т і К_ц залежно від Δt_кип

Значення коефіцієнта тепловіддачі при конденсації пари у горизонтальній короткій трубі визначається за рівняння, одержаним методом теорії подібності, Вт/(м²·К), [5]:

(2.6)

де А – враховує матеріал, довжину та діаметр трубки, що гріє (для умов даної лабораторної роботи А=5); q_конд – щільність теплового потоку на поверхні експериментальної трубки, де відбувається конденсація, Вт/м²; К_к – величина, що враховує вплив температури пари на фізичні характеристики пари, що конденсується [5].

Таблиця 2.2. Залежність К_к від температури пари

3. ОПИС УСТАНОВКИ

Лабораторна установка (рис.3.1) складається з парового котла 1, сепаратора 2, експериментальної посудини 3 з кип’ятильною трубкою 4, конденсатора вторинної пари 5, мірника конденсату 6, трійника 7, манометрів 8 і 9 для вимірювання тиску пари у паровому котлі та у кип’ятильній трубі, вентилів та кранів 10-22. Вимірювання температури зовнішньої стінки кип’ятильної трубки, пари, що гріє та киплячої рідини здійснюється за допомогою термопар, підключених до цифрового термометра. Десять термопар (Т1-Т10) закладені на зовнішній поверхні кип’ятильної трубки 4 у трьох перерізах (рис.3.2).

Паровий котел 1 та експериментальна ємність 3 забезпечені електропідігрівачами. На кришці парового котла розміщений запобіжний клапан, який відкривається (спрацьовує) при досягненні тиску всередині котла вище допустимого для витравлювання частини пари. Мідна кип’ятильна трубка вмонтована в експериментальній ємності 3 з невеликим нахилом для стікання конденсату і має такі розміри: довжина l=0,252 м; зовнішній діаметр dз=2,05·10-2 м; внутрішній діаметр dв=1,45·10-2 м. Мірник конденсату 6 має теплову оболонку, складену з двох циліндрів, вставлених один в один, що зменшує теплові витрати.

1 – паровий котел; 2 – сепаратор; 3 – експериментальна посудина;

4 – кип’ятильна трубка; 5 – конденсатор вторинної пари; 6 – мірник

конденсату; 7 – трійник; 8,9 – манометри; 10-22 – вентилі і крани

Рис. 3.1. Схема установки

Рис. 3. 2. Схема закладки термопар у трьох перерізах: а) лівий бік

трубки; б) середина трубки; в) правий бік труби

4. ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

1. Електропідігрів парового котла може бути увімкнутий лише при наявності води у котлі.

2. Не допускати перевищення тиску у паровому котлі вище 0,2 МПа. Тиск необхідно регулювати періодичним вимиканням та вмиканням електропідігрівника парового котла.

3. Перед початком роботи необхідно переконатися у відсутності нещільностей у трубопроводах, вентилях, кранах та їх справності.

4. Вимикач попереднього електропідігріву води в експериментальній посудині може бути увімкнутий лише при наявності води у посудині.

5. Не допускати перевищення тиску у кип’ятильній трубі вище 0,08 МПа. Тиск регулюється вентилем 12 (рис. 3.1).

5. ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ОСНОВНІ ВИМІРИ

5.1. Опис процесу

Під час роботи установки водяна пара з котла 1 (рис. 3.1), проходячи сепаратор 2, де відбувається відділення крапель води від пари, надходить всередину кип’ятильної трубки 4. Пара, віддавши свою теплоту внутрішній поверхні кип’ятильної трубки, конденсується. Конденсат стікає до мірника 6. В ємності 3 відбувається кипіння рідини під атмосферним тиском за рахунок теплоти, що віддається кип’ятильною трубкою.

Вторинна пара, що утворюється у ємності 3, надходить у конденсатор 5, охолоджується проточною водою. Конденсат вторинної пари, проходячи трійник 7, вертається назад у посудину 3, чим досягається замкнена циркуляція у вторинному контурі без додаткового вводу нових порцій дистильованої води. Трійник з'єднаний з навколишнім середовищем, що забезпечує атмосферний тиск у вторинному контурі. Про інтенсивність процесів кипіння та конденсації можна зробити висновок по швидкості зростання конденсату у мірнику.

5.2. Підготовка установки до проведення досліджень

Підготовка парового котла 1. Закрити запірний 11 та регулюючий 12 вентилі правої лінії. Відкрити спускний кран 16. Відкривши вентиль 10, встановити рівень води у котлі по водомірному склу (до середини водомірного скла). Після цього можна вмикати тумблер «нагрів котла» на щиті керування.

Підготовка експериментальної ємності 3. Ввімкнути тумблер «Освітлення» на щиті керування для освітлення посудини зсередини. Заповнити посудину дистильованою водою так, щоб її рівень був вище верхньої твірної кип’ятильної трубки на 3-4 см. Відкрити вентиль 14 для підводу охолоджуючої води у конденсатор 5. Ввімкнути попередній електропідігрів води в експериментальній посудині за допомогою тумблера «нагрів бачка» на щиті керування.

Підготовка магістралі гріючої пари. При досягненні у котлі 1 тиску 0,15 МПа відкриваються продувні та спускні вентилі і крани (13, 20-24), повільно відкривається запірний (11) і регулюючий (12) вентилі. Спостерігаючи за манометром (9) (показання повинне бути не більше 0,08 МПа), продувається вся установка, внаслідок чого з неї відводять конденсат від попередніх дослідів та повітря, місце яких займає пара. Не закриваючи остаточно запірний (11) і регулювальний (12) вентилі, перекрити крани (20-24). Вентиль 13 та кран 22 трохи відкрити, таким чином конденсат буде мати вихід у мірник 6, а гази, що не конденсуються у процесі досліду, залишають трубопровід. До початку роботи рівень конденсату у мірній посудині повинен бути на мітці «0» або вище. Установка до роботи готова.

5.3. Проведення дослідів

Встановити та підтримувати постійним по манометру 9 за допомогою вентиля 11 перше значення тиску у кип’ятильній трубці 4 (кількість вимірів визначає викладач). Вимкнути тумблер попереднього електропідігрівання води в експериментальній ємності 3 та через 1-2 хвилини після появи конденсату у трійнику 7 зробити такі виміри:

1) Тиск граючої пари у кип’ятильній трубці р, МПа.

2) Температура зовнішньої поверхні кип’ятильної трубки t₁ – t₁₀, гріючої пари t₁₁ та киплячої рідини t₁₂, ºС.

3) Рівні конденсату, що надходить до мірника 6, на початку проведення вимірів Н1 та по закінченню часу Δτ, що витрачається на дослід Н₂, м. Відрізок часу Δτ не повинен перевищувати 2-3 хвилини.

Результат вимірів треба занести до табл. 5.1.

Таблиця 5.1. Значення величин, що вимірюються у досліді

Номер експе- рименту	Тиск гріючої пари у кип’ятильній трубці, р, МПа	Температура зовнішньої поверхні кип’ятильної трубки, ºС	Температура гріючої пари, ºС t₁₁	Температура киплячої рідини, ºС t₁₂	Рівень конденсату, м	Час експерименту, Δτ, с
t₁	t₂	t₃	t₄	t₅	H₁	H₂

6. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДІВ

6.1. Визначення експериментальних значень коефіцієнтів тепловіддачі та теплопередачі

Маса конденсату за час досліду Δτ, кг:

, (6.1

де ρ – густина конденсату при температурі гріючої пари, кг/м³ (визначається за допомогою таблиць, наведених у додатку А); F – площа поперечного перерізу каналу мірника, де збирається конденсат, F=5,5·10^-4 м²; ΔН = Н₁ – Н₂ – різниця рівнів конденсату в мірнику за час досліду, м.

Кількість теплоти, що передається через поверхню теплообміну за час досліду, Вт:

, (6.2)

де r – теплота пароутворення при температурі гріючої пари, Дж/кг (визначається за допомогою таблиць, наведених у додатку А). Температура на зовнішній поверхні кип’ятильної трубки (позначення температур зроблені відповідно до рис. 3.2):

Температура внутрішньої поверхні кип’ятильної трубки розраховується за формулою (2.3). Теплопровідність мідної стінки кип’ятильної трубки λ = 384 Вт/(м·К).

Експериментальні значення коефіцієнтів тепловіддачі (при кипінні і при конденсації ) визначаються за рівнянням Ньютона-Ріхмана (2.4).

При знаходженні коефіцієнта тепловіддачі при кипінні α_кип:

При визначенні коефіцієнта тепловіддачі при конденсації необхідно у формулу (2.4) підставляти

Експериментальне значення коефіцієнта теплопередачі К^евизначається за рівнянням (2.1), де Δt = t₁₁ - t₁₂, К.

6.2 Визначення розрахункових значень коефіцієнтів тепловіддачі та теплопередачі.

Використовуючи експериментально визначені величини Q та Δt_кип, розраховуємо значення коефіцієнтів тепловіддачі , та коефіцієнта теплопередачі К^р за формулами (2.5), (2.6) та (2.2). Дані розрахунків заносять до табл. 6.1.

6.3 Побудова графічних залежностей.

За даними табл. 6.1 побудувати такі графіки:

а) у логарифмічних координатах: 1. = f₁(Δt_кип), 2. = f₂(Δt_кип),

3. q_кип = f₃(Δt_кип)

б) у декартових координатах: 4. К^е = f₄(Δt), 5. К^р = f₅(Δt) Графіки 1 – 3 побудувати з загальною абсцисою Δt_кип, графіки 4, 5 – з загальною абсцисою Δt.

Таблиця 6.1. Результати розрахунків