Описание установки и методика проведения опыта

Из экспериментальных данных определяется величина темпа охлаждения на участке пленочного кипения. Если температура ампулы есть функция времени t = f (τ), тогда:

где

t_τ – температура ампулы (в градусах Цельсия) в момент

времени τ.

Нагретая ампула погружается в кипящую воду на 10 – 35 мм в зависимости от того, какой продолжительности должен быть эксперимент. Величина глубины погружения определяет площадь поверхности теплообмена, а соответственно и интенсивность отвода тепла от образца. Если h – глубина погружения образца, тогда площадь поверхности теплообмена складывается из двух составляющих:

где d – внешний диаметр ампулы (25 мм), индексом «1» обозначена поверхность образованная боковой поверхностью ампулы, погруженной на глубину h, а индекс «2» соответствует поверхности дна ампулы.

На участке пленочного кипения темп охлаждения сохраняется постоянным вне зависимости от выбранных моментов времени τ₁ и τ₂.

Удельные теплоемкости материалов ампулы равны:

Масса ампулы и ее составляющих равны соответственно:

По этим данным не сложно найти величину средней массовой теплоемкости ампулы:

Экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи находится по формуле:

где ψ – коэффициент неравномерности распределения температур в теле и принимает значения от 0 до 1. Поскольку термическое сопротивление пленки пара много больше чем у составляющих ампулы, то можно принять (ψ = 1). Из – за малости рабочего участка, в данной установке, реализуется ламинарное течение паровой пленки.

Базируясь на предположении, что толщина паровой пленки есть толщина пограничного слоя и решая уравнения стационарной теплопроводности, для ламинарного движения пленки Нуссельтом была получена теоретическая формула для нахождения коэффициента теплоотдачи:

где:

λ_П – теплопроводность пара (при р = 1 бар: λ_П = 2.372*10^-2 Вт/(м*К));

ν_П – кинематическая вязкость пара (при р = 1 бар: ν_П = 20.02*10^-6 м²/с);

r – удельная теплота парообразования (при р = 1 бар: r = 2256.8 кДж/кг);

g – ускорение свободного падения (9.80665 м/c²);

ρ_П – плотность насыщенного пара (при р = 1 бар: ρ_П = 0.598 кг/м³);

ρ_Ж – плотность насыщенной жидкости (при р = 1 бар: ρ_Ж = 958.4 кг/м³);

l₀ – характерный размер поверхности теплообмена (в случае дна l₀ = d; в случае боковой поверхности l₀ = h).

с – поправочный коэффициент на расположение поверхности (в случае горизонтальной поверхности с = 0.72, в случае вертикальной с = 0.943)

Δt – разница температур между поверхностью теплообмена и жидкостью в которую она погружена:

где t_C – можно (учитывая малую толщину стенки ампулы) первом приближении принять равной температуре на её внутренней поверхности.

где t_ВНЕШ – температура внешней термопары, заключенной между медной болванкой и стальным корпусом.

Чтобы найти средний коэффициент теплоотдачи по всей поверхности ампулы, необходимо сложить теплоотдачи по поверхностям, предварительно соотнося их к долям этих поверхностей от общей поверхности ампулы.

Получившиеся результаты не должны расходиться более чем на 5%.

Для оценки величины плотности теплового потока используется соотношение:

где поскольку изменение температур во времени, на коротком участке, можно описать линейными функциями:

Индексы «внутр» и «внеш» соответствуют термопарам заключенным в центре и на поверхности медной болванки.

Вторая критическая плотность теплового потока экспериментально оценивается следующим образом:

Сначала по данной формуле находится температура предельного перегрева жидкости, которая как и температура насыщения, является функцией только давления (p – давление в барах). Затем оценивается величина критического температурного напора:

После чего по закону Ньютона – Рихмана можно записать:

где α_КР2 соответствует значению коэффициента теплоотдачи полученному в результате эксперимента. При необходимости полученный результат можно сравнить с теоретическим соотношением полученным С.С.Кутателадзе: