Конструкция испарителя и принцип действия. Уравнение теплового баланса испарителя

Компенсационный почвенный испаритель (рис. 2.1) состоит из: сосуда 1 с диском 9, латунной сеткой 10 и крышкой 2, мерной стеклянной трубки 3 в металлической оправе со сливными трубками 7 и 8, цилиндра 4, крышки цилиндра 5 для установки мерной трубки, соединительной трубки 6.

Сосуд испарителя представляет собой цилиндр площадью 500 см ² высотой 80 мм. В сосуд вставляется диск и латунная сетка. Н сетку засыпается белый кварцевый песок с размерами фракции 1 – 3 мм. Высота засыпки песка 50 мм. После засыпки сосуд заполняется водой.

Действие компенсационного почвенного испарителя системы Н.М. Топольницкого основано на принципе сообщающихся сосудов.

 

ребро

песок

D QVw6XXOl4Ovz7WkOIkRkja1jUvBHATbr4WCFuXYX/qDzPlYiQTjkqMDE2OVShtKQxTB2HXHyvp23 GJP0ldQeLwluW/mcZS/SYs1pwWBHr4bKZv9rFcj5bvTjt6dpUzSHw8IUZdEdd0o9PvTbJYhIfbyH b+13rWA2heuX9APk+h8AAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEA2+H2y+4AAACFAQAAEwAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBa9CxbvwAAABUBAAAL AAAAAAAAAAAAAAAAAB8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAeEp2gxQAAANsAAAAP AAAAAAAAAAAAAAAAAAcCAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAMAAwC3AAAA+QIAAAAA "/> p dM2VgsP+ezABESKyxtYxKbhRgMX8+WmGuXZX3tJlFyuRQjjkqMDE2OVShtKQxTB0HXHifp23GBP0 ldQerynctvIjyz6lxZpTg8GOVobKZvdnFcjJ5u3sl6dRUzTH45cpyqL72Sj1+tIvpyAi9fFf/HCv tYJxGpu+pB8g53cAAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhANvh9svuAAAAhQEAABMAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAWvQsW78AAAAVAQAACwAA AAAAAAAAAAAAAAAfAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEA1OrLxcMAAADbAAAADwAA AAAAAAAAAAAAAAAHAgAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAADAAMAtwAAAPcCAAAAAA== "/> m IIgrpxuuFbwftw85iBCRNXaOScEPBVgtR3cLLLS78p4uh1iLBOFQoAITY19IGSpDFsPU9cTJ+3Te YkzS11J7vCa47eQsy16kxYbTgsGeNoaq9vBtFch8d//l1+fntmxPp7kpq7L/2Ck1GQ/rVxCRhvgf /mu/aQX5E/x+ST9ALm8AAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhANvh9svuAAAAhQEAABMAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAWvQsW78AAAAVAQAA CwAAAAAAAAAAAAAAAAAfAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEA75spk8YAAADbAAAA DwAAAAAAAAAAAAAAAAAHAgAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAADAAMAtwAAAPoCAAAAAA== "/> B IC6drrlS8Hncvs5AhIissXVMCn4owHr1/LTEXLs7f9DtECuRIBxyVGBi7HIpQ2nIYhi5jjh5F+ct xiR9JbXHe4LbVo6zbCot1pwWDHb0bqhsDlerQM72L99+c540RXM6zU1RFt3XXqnhoN8sQETq43/4 r73TCuZj+P2SfoBcPQAAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEA2+H2y+4AAACFAQAAEwAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBa9CxbvwAAABUBAAAL AAAAAAAAAAAAAAAAAB8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAFDhrVxQAAANsAAAAP AAAAAAAAAAAAAAAAAAcCAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAMAAwC3AAAA+QIAAAAA "/>

Уровень воды

Рис. 2.1. Принципиальная схема компенсационного почвенного испарителя Н.М. Топольницкого

При испарении влаги с поверхности песка уровень воды в сосуде понижается, через трубку 7 в мерную трубку прорывается воздух и вытесняет из неё воду; и вода через сливную трубку 8 сливается из мерной трубки, в результате чего уровень воды восстанавливается.

 

Уравнение теплового баланса испарителя приближенно можно представить в следующем виде:

 

q₀ = q_m + q_л = a_T· (T_c – T_n) + q_л = r · i_u,

где q₀ - суммарная интенсивность теплового потока, затрачиваемого на испарение воды, Вт / м ²;

q_m - интенсивность конвективного теплового потока, Вт / м²;

q_л - интенсивность лучистого потока тепла, Вт / м ²;

a_T - Коэффициент конвективного теплообмена, Вт / (м ² · К);

T_c - температура воздуха, °К;

T_n - температура поверхности испарителя, °К;

r - удельная теплота испарения воды, Дж / кг;

i_u - интенсивность испарения с водонасыщенной поверхности испарителя, кг / (м² · с).

Если q_л = 0, то интенсивность испарения воды определяется разностью температур

Т_с – Т_n = Т_с – Т_м,

где Т_м – температура смоченного термометра (°К) (конвективный режим влагообмена).

Если Т_с»Т_n, то интенсивность испарения определяется только величиной лучистого теплового потока.

Экспериментальные исследования показали, что основная часть тепла (60 – 80 %), затрачиваемого на испарение, поступает за счет лучистого потока, который, в свою очередь, прямо пропорционален интенсивности солнечной радиации.

3.1.2. Порядок проведения работы и её оформление

Испаритель устанавливают в крупногабаритной сушильной камере. После прогрева камеры при заданных режимах (радиации q_л , температуре сухого Т_с и смоченного Т_м термометров и скорости ветра V _в ) крышку испарителя открывают и начинают отсчеты по шкале мерной трубки через каждые 5 минут и в момент слива из неё воды. Количество отсчетов должно быть не менее 10. Результаты замеров заносят в табл. 2.1. Т_с = °К; Т_м = °К q_л = Вт / м ²; V _в = м / с

Таблица 2.1

Результаты наблюдений за испаряемостью

Среднюю испаряемость в кг / (м² · с) (интенсивность испарения с водонасыщенной поверхности испарителя) можно определить по формуле:

J_н = , (2.1)

а мгновенную – по формуле

J_нг = , (2.2)

где G_в – масса воды, испарившейся за время t с площади F_n;

r - плотность воды;

DV – объем испарившейся воды.

Так как шкала мерной трубки проградуирована в см ³, а площадь сосуда испарителя равна 500 см ², то для определения величины испаряемости в

кг / (м ² · мин) необходимо разность начального и конечного отсчетов разделить на 50 и на время между отсчетами:

J = , (2.3)

где К_н и К_н-1 – начальный и конечный отсчеты по шкале мерной трубки, см ³;

t - время между отсчетами, мин.

По данным измерений строится график зависимости объема испарившейся воды V от времени t (рис. 2.2).

По графику V = f (t) и формуле (2.2) определяют мгновенную величину испаряемости, которую сравнивают с данными, полученными в табл. 2.1. Испаряемость равна угловому коэффициенту:

К = прямой V = f (t), умноженному на

r/F_н =2 * 10 ⁴ кг / м ⁵;

 

J=tg7⁰*2*10⁴=0.1228*2*10⁴=2456 кг/(м²*мин)

 

По уравнению теплового баланса определяют интенсивность суммарного теплового потока, принимая за величину удельной теплоты испарения из табл. 2.2 и величину i_u, рассчитанную по формуле 2.3.

Таблица 2.2

Значения удельной теплоты испарения в зависимости от температуры

 

Т, °K
r, МДж / кг	2,499	2,478	2,453	2,423	2,407

 

2.4.Обработка результатов

Рассчитывают среднеарифметическое значение испаряемости (i) и среднее квадратическое отклонение S по формулам:

J_ср. =

J_ср. =0,01457/6=0,024

S_n= 0,0009

Среднюю квадратическую ошибку среднего арифметического вычисляют по формуле:

= =0,0004;

Кроме этого для оценки точности измерения вычисляют среднюю арифметическую ошибку.

=1/6*0,0001=0,00016

Относительная величина приборной ошибки, обусловленной погрешностью измерительных приборов и устройств для определения i _u рассчитывается по формуле:

Е = .

Е=0,015

3.2.Теоретические исследования процесса испарения;

Тепломассообмен

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности жидкости. Испарение происходит с поверхности воды, почвы, растительности, льда, снега и т. д. за счет энергии, получаемой Землей от Солнца.

Испарение идет тем интенсивнее, чем больше разница между количеством пара, которое может содержаться в воздухе при данной температуре, и его фактическим содержанием в воздухе. Конденсация водяного пара - превращение водяного пара, содержащегося в атмосфере, в воду. Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называется сублимацией или возгонкой.

Механизм протекания процесса испарения можно объяснить следующим образом. Молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают меньшее притяжение со стороны соседних молекул, чем молекулы нижних слоев, поскольку над поверхностью жидкости имеется газ, молекулы которого взаимодействуют с молекулами поверхностного слоя жидкости значительно слабее. Поэтому некоторые молекулы поверхностного слоя жидкости с достаточной кинетической энергией могут преодолеть притяжение соседних молекул жидкости и покинуть ее, т. е. перейти в пар. Быстрее испаряются жидкости, молекулы которых притягиваются друг к другу с меньшей силой. При увеличении площади поверхности жидкости увеличивается возможность большему числу молекул покинуть ее. Некоторые молекулы пара, двигаясь хаотично и оказавшись достаточно близко от поверхности жидкости, могут быть втянуты обратно в жидкость силами притяжения большого количества молекул жидкости. При движении воздушных масс над поверхностью жидкости интенсивность процесса испарения возрастает, так как происходит дополнительное «вырывание» молекул с поверхности и удаление уже испарившихся. При испарении жидкость охлаждается (если нет подвода энергии от окружающих тел), так как ее покидают молекулы с наибольшей кинетической энергией. Если же число вылетевших и вернувшихся молекул в среднем одинаково в единицу времени, наступает динамическое (подвижное) равновесие между жидкостью и ее паром, пар становится насыщенным. Это возможно при испарении в закрытом сосуде. Скорость испарения резко снижается при нанесении на поверхность жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего вещества. Испарение жидкости в газовой среде, например в воздухе, происходит медленнее, чем в разреженном пространстве (вакууме), так как вследствие соударений с молекулами газа часть частиц пара вновь возвращается в жидкость (конденсируется).

3.2.2. Алгоритм и блок-схема расчета испаряемости:

1) Даноq_л, t_c, t_м, υ, d, l, ν, λ_q, φ, r;

2) Рассчитываем Критерий Рейнольдса (Re) по формуле;

3) Вычисляем коэффициент теплопроводности воздуха (λ);

4) Рассчитываем Критерий Нуссельта ();

5) Определяем коэффициент конвективного теплообмена (α_q);

6) Высчитываем конвективную составляющую теплового потока (q_k);

7) Считаем суммарный тепловой поток (q₀);

Начало

8) Вычисляем испаряемость ().

 

qл, tс, tм, v, l, v, λq, φ, r

Re, λ, tп, Nuq, aq, qk, q0, iu.

Re, λ, tп, Nuq, aq, qk, q0, iu.

Конец