Описание экспериментальной установки

Лабораторная работа № 5-ТМО

Тема: «ВЛИЯНИЕ ДЛИНЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБКИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕЁ РАБОТЫ»

Цель работы – определить влияние длины тепловой трубки на эффективность её работы.

Общие сведения

Тепловая трубка является одним из эффективных приспособлений для передачи теплоты. К её преимуществам можно отнести большую скорость теплопередачи, компактность, практически неограниченный срок службы, отсутствие движущихся деталей, что обеспечивает предельную простоту конструкции, эксплуатации и обслуживания данного приспособления. Также тепловые трубки не требуют внешнего привода или дополнительного источника энергии для работы – их приводит в действие непосредственно подведенная теплота.

Недостатком тепловой трубки является сравнительно малая длина, так как с увеличением этого параметра существенно падает эффективность её работы.

Данное устройство широко используется для утилизации низкопотенциальной теплоты – в солнечных коллекторах, для охлаждения выделяющих теплоту компонентов в различной электронной технике и т.д.

Принцип работы тепловой трубки показан на рис. N.1. Она представляет собой герметичный тонкостенный цилиндрический контейнер, изготовленный, как правило, из меди, в котором находится небольшое количество жидкости – теплоносителя. Для снижения температуры кипения жидкости в трубке создаётся вакуум.

Нижний конец трубки (зона испарения) помещается в среду, от которой отводится теплота Q. Жидкость нагревается до температуры кипения и превращается в пар. Пар, в свою очередь, поднимается в верхний конец трубки (зона конденсации), находящийся в охлаждающей среде с температурой ниже температуры кипения жидкости. В этой зоне пар конденсируется, отдавая теплоту Q в охлаждающую среду. Образовавшийся конденсат стекает по стенкам трубки в её нижний конец. Эффективность циркуляции пара обеспечивается перепадом давлений между зоной конденсации и зоной испарения.

Рисунок N.1. Принцип работы тепловой трубки

Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема установки приведена на рис. N.2.

На подъёмной раме 8 с помощью креплений 4 и 7 закреплены тепловые трубки 1 и 5 одного типа и диаметра, но разной длины. Подъёмная рама 8, в свою очередь, является подвижной частью штатива 15, с помощью которой концы тепловых трубок одновременно опускаются в нагретую воду и извлекаются из неё. Опоры 9 и 18, на которые опирается рама 8, позволяют регулировать глубину погружения тепловых трубок в воду в сосудах 11 и 20.

Вода в сосудах нагревается до необходимой температуры с помощью электронагревателей 12. Нагреватели могут включаться как одновременно (с помощью единого выключателя 19), так и по отдельности (выключатели 21, 22, 23). Контроль температуры в сосудах осуществляется с помощью термопар, подключённых к измерительным приборам 10.

Рисунок N.2. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1,5 – тепловые трубки №1 и №2 соответственно; 2,6 – холодильники; 3 – контрольный сосуд; 4, 7 – крепления тепловых трубок к подъёмной раме; 8 – подъёмная рама; 9, 18 – регулируемые опоры; 10 – прибор, измеряющий температуру; 11, 20 – рабочие сосуды №1 и №2 соответственно; 12 – электронагреватель; 13, 14 – запорные краны; 15 – штатив; 16 – циркуляционный насос; 17 – резервуар охлаждения; 19 – единый выключатель нагревателей; 21, 22, 23 – индивидуальные выключатели нагревателей.

Теплота, отбираемая от нагретой воды рабочих сосудов с помощью тепловых трубок, переносится к водяным холодильникам 2 и 6, где переходит во внутреннюю энергию холодной воды из резервуара охлаждения 17. Циркуляция охлаждающей воды обеспечивается с помощью насоса 16.

Принцип работы экспериментального стенда основан на сравнении значений внутренней энергии воды в рабочем и контрольном сосудах. Разница данных величин будет равна количеству теплоты, отведенному из рабочего сосуда с помощью тепловой трубки, так как тепловые потери в окружающую среду в указанных сосудах одинаковы.

Порядок выполнения работы:

1. Измерить:

- диаметр тепловой трубки №1 (, м);

- диаметр тепловой трубки №2 (, м).

- длину тепловой трубки №1 (, м);

- длину тепловой трубки №2 (, м).

Результаты измерений занести в табл. N.1.

2. Смонтировать холодильники 2 и 6 на верхних концах трубок разной длины. Подсоединить к ним шланги системы охлаждения. Удостовериться в герметичности соединений.

3. Закрепить трубки в креплениях 4 и 7 так, чтобы их нижние концы были на одной высоте. Углы наклона трубок должны быть одинаковыми.

4. Заполнить холодной водой резервуар охлаждения 17 (не менее 3 л). Измерить температуру воды в данном резервуаре t _вр, °С. Записать данное значение в табл. N.1.

5. Налить заданный преподавателем объём воды (не более 200 мл) в каждый из сосудов 3, 11 и 20. Объём воды в сосудах должен быть одинаковым.

6. Отрегулировать опоры 9 и 18 таким образом, чтобы нижние концы трубок погружались в воду в рабочих сосудах на 1…2 см.

7. Включить приборы 10, измеряющие температуру в сосудах, погрузить термопары в воду.

8. Включить нагревательные приборы единым выключателем 19. Подождать, пока вода прогреется до температуры, заданной преподавателем, после чего перевести единый выключатель в положение «ВЫКЛЮЧЕНО».

9. Проверить показания приборов 10 – максимальная разница температур в сосудах должна быть не более 1 °С. При необходимости – используя индивидуальные выключатели, подогреть воду в отдельных сосудах до необходимой температуры.

10. Включить циркуляционный насос 16.

11. Поднять рукой подъёмную раму 8 и переместить рабочие сосуды под нижние концы трубок.

12. Опустить подъёмную раму, одновременно включив секундомер.

13. Подождать, пока температура в одном из рабочих сосудов не опуститься до значения, указанного преподавателем. В этот момент прекратить отсчёт времени, поднять подъёмную раму, убрать из-под трубок сосуды и опустить раму обратно.

14. Записать в табл. N.1 следующие результаты измерений:

- время опыта t, с;

- температура в рабочем сосуде №1 в начале опыта t _1н, °С;

- температура в рабочем сосуде №1 в конце опыта t _1к, °С;

- температура в рабочем сосуде №2 в начале опыта t _2н, °С;

- температура в рабочем сосуде №2 в конце опыта t _2к, °С;

- температура в контрольном сосуде в начале опыта t _3н, °С;

- температура в контрольном сосуде в конце опыта t _3к, °С.