Исследование теплоотдачи при кипении воды в условиях пузырькового режима

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Филиал ГОУВПО «Московский Энергетический Институт (технический университет)» в г. Волжском

Кафедра Промышленной теплоэнергетики

Лаборатория ТОТ

Лабораторная работа №9

по курсу «Тепломассообмен»

Исследование теплоотдачи при кипении воды в условиях пузырькового режима

Выполнил: студент группы ТВТ - 01

Стрельцова Екатерина Васильевна

Волжский 2003

1. Цель работы

Изучение механизма теплообмена при кипении жидкости, а также факторов, влияющих на интенсивность теплообмена при различных режимах кипения. Установление закономерности изучения коэффициента теплоотдачи от обогреваемой нити к жидкости при пузырьковом кипении в большом объеме в зависимости от температурного напора.

2. Теоретические основы работы

2.1 Общие представления о процессе кипения

Кипением называют процесс интенсивного парообразования (фазового перехода жидкости в пар), происходящий во всем объеме жидкости, находящейся при температуре, несколько перегретой относительно температуры насыщения.

Пузырьковое кипение - когда на греющей поверхности и в объеме образуются единичные пузыри. Пузырьковое кипение - во всем интервале между двойной и критической точками кривой кипения для данного вещества. Механизм теплообмена при этом виде кипения отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного перепада массы вещества и теплоты паровыми пузырьками из пограничного слоя.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т.е. превышение температуры жидкости t_ж относительно температуры насыщения t_s при заданном давлении р. Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, её чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходим для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При её нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы, служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление поверхности с жидкостью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет наибольший интерес. Рассмотрим его основные характеристики.

По мере увеличения температуры поверхности нагрева t, соответственно температурного напора Дt = t_c - t, число действующих центов парообразования растет, процесс кипения становится более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает её. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2 - 0,4 С (рисунок 1).

При повышении температурного напора Дt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

,

где Q - тепловой поток, Вт;

r - теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг;

количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от её свободной поверхности, кг/с.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Распределение температур в объеме кипящей жидкости (t_c = 109,1 C; p_a = 1•10⁵ Па; q = 22500 Вт/м²)

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Дt растет не беспредельно. При некотором значении Дt он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении Дt начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр1 (ей соответствует температурный напор Дt₁).

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет q_кр1 = 1,2•10⁶ Вт/м²; соответствующее критическое значение температурного напора Дt_кр1 = 25 - 35 С. Эти величины относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий жидкостей величины будут иными.

2.2 Зависимость теплового потока от температурного напора (кривая кипения)

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости (кривую кипения).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Зависимость и q от перегрева жидкости Дt

q_max - критическая плотность теплового потока (q_кр1);

Точка q_min - предельно допустимая температура перегрева жидкости (точка Лейденфроста);

Е - точка максимального перегрева стенки при кризисе теплообмена.

При достижении q_max возникает переходный режим кипения, характерный образованием на поверхности трубки областей, непосредственно контактирующих с паром. Теплоотдача всё более ухудшается, и, наконец, при Дt = Дt_кр2, когда вся поверхность трубки обволакивается сплошной пленкой пара, становится q_min.

Эту величину q_кр2 называют второй критической плотностью теплового потока. А коэффициент в пленочном режиме кипения (наступающем при Дt > Дt_кр), остается постоянным либо слабо уменьшается с ростом Дt. В первом приближении для этого режима можно полагать q ~ Дt.

При увеличении температурного напора тепловой поток происходит через максимум (q_max) (рисунок 2). Максимуму теплообмена предшествует конвективная область 1, соответствующая малым перегревам жидкости, и область развитого кипения 3. Между ними находится область неустойчивого кипения 2. Она характеризуется малой плотностью центров парообразования.

Пройдя максимум q_max, q постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным. Пленка создает дополнительное термическое сопротивление, поэтому q падает несмотря на увеличение Дt.

После переходной области 4 наступает режим устойчивого пленочного кипения. В этом режиме на участке 5 лучистый перенос тепла относительно невелик, а на участке 6 он приобретает существенное значение.

Величина коэффициента теплоотдачи увеличивается при увеличении температурного напора Дt в области пузырькового и пленочного режимов. Однако в последнем случае этот увеличение существенно меньше, чем увеличение q. Для области развитого пузырькового кипения имеют место соотношения:

где m₁ 0,7; m₂ 3. Коэффициенты с₁ и с₂ зависят от рода жидкости и являются взаимосвязанными:

Приведенная кривая кипения не охватывает всех возможных режимов кипения. Так, при тщательной предварительной дегазации системы, а также при кипении в условиях пониженных давлений может иметь место затягивание режима конвекции до высоких перегревов жидкости (линия АБ). Верхняя граница этих перегревов определяется спонтанным образованием паровых зародышей в объёме жидкости.

При кипении несмачиваемых жидкостей (интервал 0 90 С), пленочный режим может начаться при малых нагревах (линия ВГ).

теплоотдача кипение вода

3. Схема установки

Рисунок 3 Схема экспериментальной установки 1 - платиновая нить; 2 - ёмкость 3 - понижающий трансформатор; 4 - регулятор напряжения; 5 - вольтметр В7 - 38; 6 - измеритель температуры типа «ОВЕН»; 7 - трубчатый холодильник; 8 - измерительное сопротивление; 9 - шланги.

3.1 Описание установки

Измерительный участок, предназначенный для изучения интенсивности теплообмена состоит из платиновой нити 1 и измерительных приборов.

Платиновая нить помещена через понижающий трансформатор 3 и регулятор напряжения 4. Значение подаваемого на нить напряжения измеряется вольтметром В7 - 38 (поз. 5).

Теплообмен происходит при атмосферном давлении. Температура нити измеряется с помощью измерителя типа «ОВЕН» (поз. 6), встроенного в лабораторный модуль.

Жидкость поддерживается в состоянии слабого кипения при температуре, не превышающей t_s = 47,15 С - это температура кипения фреона. Сверху ёмкости 2 смонтирован трубчатый холодильник 7, подсоединенный у холодному водопроводу.

Для определения значения тока, проходящего по нити, последовательно к ней подсоединяют сопротивление R = 1 мОм (поз. 8). Значение падения напряжения на измерительном сопротивлении R измеряется вольтметром 5.

4. Порядок выполнения работы

1. Собрать установку по схеме. Перед работой убедиться, что все тумблеры находятся в выключенном положении.

2. Диммер «НАГРЕВ» выведен до щелчка влево (выключен).

3. Подключить воду к трубчатому холодильнику шлангами 9.

4. Включить тумблер «СЕТЬ». Загорится лампочка на «ОВНЕ».

5. Вольтметр В7 - 38 установить в режим «V~».

6. Включить тумблер регулятора напряжения «ТР».

7. Включить тумблер в положение «U_н» (подача напряжения на нить).

8. Подать напряжение на нить, вращая диммер регулятора напряжения по часовой стрелке. Начать с напряжения 0,1 В на вольтметре В7 - 38, выдержать данное напряжение в течение 2 - 3 минут. После истечения этого времени переключить тумблер на положение «U_r», записать показания вольтметра и показания температуры с «ОВНА».

Замечание: так как r = 1 мОм, то сила тока, проходящая через нить, будет:

Численные величины J_н и U_r равны (так как r = 1 мОм). Значения U_н, U_r, J_н и t вносим в таблицу. Остальные величины - расчетные.

9. Повторить опыт, переключая тумблер на U_н и, подавая на нить напряжение 0,2 В, выдержать 2 - 3 минуты, переключить на U_r, записать показания величин в таблицу. Провести таким образом 16 опытов.

Замечание: показания «ОВЕН» не должны превышать 47 С, иначе произойдет испарение фреона.

5. Обработка результатов измерений

1. Средний коэффициент теплоотдачи между проволокой и кипящей жидкостью определяем из соотношения:

или ,

где Q - тепловой поток, Вт;

F - площадь поверхности проволоки;

Дt - разность t_н - t_s - температурный напор.

2. Плотность теплового потока определяется по формуле:

, Вт/м²

3. Тепловой поток определяется по мощности, выделяемой нитью:

, Вт

4. Поверхность нагрева определяется по формуле:

5. Температура нити определяется из выражения:

,

,

здесь = 0,00393 - температурный коэффициент сопротивления нити при Т₀ = 273 К,

R₀ = 0,0260 Ом при Т₀ = 273 К.

6. Построить графики зависимостей q = f(Дt); = f(Дt); q = f().

6. Данные установки

7. Таблица результатов измерений

8. Расчет

1. Определим ток, протекающий через нить по формуле:

где r = 1 мОм.

Аналогично рассчитываются токи в остальных опытах.

2. Определим сопротивление R_н.

Аналогично рассчитываются сопротивления в остальных опытах.

3. Определим температуру нити.

Аналогично рассчитываются температуры нити и в других опытах.

4. Определим температурный напор

Дt = t_н - t_ж.

Дt₁ = 23,0 - 21,2 = 1,8 С

Аналогично определяется температурный напор в остальных опытах.

5. Определим площадь поверхности нагрева.

F = •0,5•10^-3 м•52•10^-3 м = 8,168•10^-5 м².

6. Определим тепловой поток.

Аналогично вычисляется тепловой поток и для других замеров.

7. Определим коэффициент теплоотдачи .

Аналогично подсчитывается и для остальных опытов.

8. По результатам расчетов построим графики зависимостей q = f(Дt); = f(Дt); q = f().

9. Расчет погрешности измерения

Рассчитываем для максимального значения :

где ДQ = 0,1 Вт; Дd = 0,01 мм; Дl = 1 мм; Дt = 0,1 С.

Окончательный результат запишем с учетом погрешности в виде:

= Д = (5397,0 236,2) Вт/(м²•К)

Размещено на Allbest.ru