Московский энергетический институт

(технический университет)

В. А. Осипова, А. В. Елисеев, В.Ю. Демьяненко

Лабораторная работа № 17 по курсу «Тепломассообмен»

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ПУЗЫРЬКОВОГО РЕЖИМА

Москва 2009
Назначение работы

Назначением работы является углубление знаний по теплоотдаче при кипении жидкости, ознакомление с методи­кой опытного исследования процесса теплообмена и получе­ние навыков в проведении эксперимента.

В результате работы должны быть усвоены особенности процесса теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме и влияние различных факторов на интенсивность его протекания.

К лабораторной работе можно приступать после прора­ботки рекомендуемой литературы.

 

Задание

Определить значение коэффициента теплоотдачи от горизонтальной трубы при кипении воды в большом объеме при различных значениях теплового потока.

Установить зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора.

    Составить отчет по выполненной работе.

 

Описание методики и опытной установки

При кипении в большом объеме жидкость всегда не­сколько перегрета относительно температуры насыщения при данном давлении. Пузырьки пара зарождаются на обог­реваемой поверхности, где перегрев жидкости наибольший, в отдельных точках поверхности, называемых центрами па­рообразования. Возникающие пузырьки пара быстро растут до определенного размера, затем отрываются и всплывают. При их росте и движении жидкость интенсивно перемеши­вается как непосредственно у поверхности нагрева, так и в объеме. Поэтому по сравнению с теплообменом однофаз­ной жидкости теплоотдача при кипении отличается боль­шей интенсивностью. Это так называемый режим пузырькового (пузырчатого) кипения.

    С ростом температурного напора число центров парооб­разования увеличивается. Пузырьки пара сливаются между собой и образуют паровую пленку, отделяющую жидкость от обогреваемой поверхности. Такой режим кипения назы­вается пленочным. При пленочном режиме интенсивность теплоотдачи резко снижается.

Интенсивность теплоотдачи при кипении определяется физическими свойствами кипящей жидкости, давлением и температурным напором, т. е. разностью между температу­рой обогреваемой поверхности и температурой насыщения при данном давлении.

В настоящей работе требуется установить влияние теп­лового потока и температурного напора на интенсивность теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения воды в боль­шом объеме при атмосферном давлении.

Средний коэффициент теплоотдачи между поверхностью нагрева и ки­пящей жидкостью в эксперименте определяется из закона Ньютона-Рихмана:

 

 

                                                                             

 

где Q — тепловой поток от стенки к воде, Вт; F — поверх­ность стенки, м²; t_c — температура стенки, °С; t_н— темпера­тура насыщения °С.

    Чтобы найти а из уравнения, необходимо определить Q, F, t_с и t_н.

Установка для изучения теплоотдачи при кипении жид­кости в большом объеме состоит из опытной трубки, сосуда значительной емкости, и измерительных приборов (рис. 1).

Опытная трубка помещается внутри сосуда, заполненно­го исследуемой жидкостью. Диаметр трубки 5,0 мм, длина 215 мм, толщина стенки 0,2 мм. Трубка выполнена из нержа­веющей стали.

- Опытная трубка нагревается за счет непосредственного пропускания через нее электрического тока.

Потребляемая мощность регулируется автотрансформато­ром. Измерение: этой мощности производится методом амперметра - вольтметра.

Для исключения тепловых потерь в окружающую среду сосуд с исследуемой жидкостью выполнен с двойными стен­ками. Пространство между этими стенками заполнено во­дой, которая поддерживается в состоянии слабого кипения с помощью вспомогательного охранного электрического на­гревателя. Мощность, потребляемая охранным нагревателем,

регулируется автотрансформатором. Пар, который обра­зуется при кипении жидкости, поступает в конденсатор, рас­положенный на крышке сосуда. Образующийся конденсат возвращается в рабочий объем.

    Для измерения температуры стенки на внутренней по­верхности трубки заложены термопары. Температура жид­кости вдали от обогреваемой поверхности также измеряет­ся термопарой. Концы термопар выводятся наружу через трубчатые токоподводы и подсоединяются к переключателю.

    В положениях переключателя «1»» и «2» измеряется тем­пература стенки. В положении «3» — температура жидко­сти. Холодный спай, общий для всех термопар, помещается в нуль-термостат, либо имеет температуру воздуха в помещении лаборатории.

    Электродвижущая сила термопар измеряется с помощью цифрового вольтметра.

 

Проведение опытов

    После ознакомления с описанием опытной установки не­обходимо заготовить форму протокола для записи наблю­дений (табл. 1).

                           

                                     Форма протокола.                       (Таблица 1)

 

ΔU,    B

I,   A

Q,   Вт

q,   Вт/м2

tc

tж

tн

Δt= - tн 0С

Вт/м2 град

1

2

3

мВ

0С

мВ

0С

0С

мВ

0С

0С

 

 

После включения основного и вспомогательного нагрева­телей, устанавливается необходимая тепловая нагрузка. В протокол заносятся результаты измерений, соответствующие стационарному тепловому состоянию. Всего следует провести 10 опытов при различных значениях теплового по­тока. При изменениях режима удобно ориентироваться на показания амперметра. Максимальная сила тока через обогреваемую трубку на данной установке — 120 А

 

           Обработка результатов опыта

Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется по уравнению (1). Тепловой поток, передаваемый опытной трубкой воде, определяется по электрической мощности

Q=I∙∆U,

 

где I — сила тока, А;

Δ U — падение напряжения на опытной трубке, В.

 

 

           Таблица для сухого насыщенного водяного пара            (Таблица 2)

 

Р, бар	t н , 0С	h', кДж/кг	h", кДж/кг	r, кДж/кг
0,95	98,2	411,49	2673,5	2262,0
1,00	99,63	417,51	2675,7	2258,2
1,1	102,32	428,84	2680,0	2251,2
1,2	104,81	439,36	2683,8	2244,4
1,3	107,13	449,19	2687,4	2238,2
1,4	109,32	458,42	2690,8	2232,4

 

Для расчета температуры по измеренным значениям термо-ЭДС термопар, можно воспользоваться уравнением:

                                 t=9.47+13.16E

где t – температура, ⁰С; Е – термо-ЭДС, мВ.

 

    Уравнение справедливо для стандартной хромель-копелевой термопары в диапазоне 100—120 °С

    В качестве расчетной температуры поверхности трубы принимается среднее арифметическое значение из результатов измерений в двух точках. Температура насыщения берется из табл. 2 по атмосферному давлению. По данным обработки результатов опыта должны быть получены и представлены графически зависимости

= f ₁(Δt)                        (2)

= f ₂(q)                               (3)

    Оценка погрешности проводится по максимальной по­грешности определения коэффициента теплоотдачи:

 

 

где А — абсолютные погрешности измерения отдельных ве­личин.

    Для сравнения полученных результатов с литературными данными, на графики = f ₁(Δt) и = f ₂(q) следует нанести зависи­мость:

= (3,4 р^0,18/(1—0,0045р)) q^2/3, Вт/(м²К), в которую значение давления подставляется в барах.

Темы контрольных вопросов

1. Механизм процесса теплоотдачи при кипении.

2. Режимы кипения. Кривые кипения.

3. Факторы, влияющие на интенсивность теплообмена при кипении в           условиях свободной конвекции.

4. Устройство измерительного участка.

5.    Источники погрешностей эксперимента.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. М.: Издательство МЭИ, 2005. Гл. 13.

2.  Исаченко В. П-, Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1981. Гл. 13, § 13-1, 13-2, 13-3.

3. Практикум по теплопередаче /Под ред. А. П. Солодова. М.: Энер-гоатомиздат, 1986. Пп. 1.6.1, 1.6,3, 4.6.1.

 

 

В. А. Осипова, А. В. Елисеев, В.Ю. Демьяненко. Редактор А. П. Солодов

Лабораторная работа № 17 по курсу «Тепломассообмен»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ПУЗЫРЬКОВОГО РЕЖИМА