Описание экспериментальной установки

 

На передней панели экспериментальной установки (рис. 4) находят-ся измеритель температуры (2) типа УКТ38, к которому подключены три хромель-копелевые термопары (11), (12) и (13), тумблер электропи-тания установки (1), разъёмы V (3) для подключения цифрового пере-носного мультиметра типа MY67 (5), предназначенного для измерения напряжения. Передняя панель также снабжена смотровым окном для наблюдения за процессом кипения.

 

Исследуемая поверхность теплообмена (10) – медная тонкостенная трубка (d = 15 мм, L = 50 мм). Внутри опытной трубки находится нагре-вательный элемент, соединенный с лабораторным автотрансформато-

 

 

12

ром (7). Изменение теплового потока на поверхности трубки осуществ-ляется поворотом рукоятки лабораторного автотрансформатора.

 

 

2

 

7 ₆

 

1

 

7

 

6

 

Предварительный		4	5
нагрев	Uо

3

Uн

сеть

V

 

13

12

14  11

 

2

 

Ro

 

 10

 

8

 

V

 

9

 

 

 

Рис. 4. Схема экспериментальной установки:

 

1 – тумблер электропитания установки; 2 – измеритель температуры; 3 – разъёмы (V) для подключения мультиметра; 4 – тумблер для переключения мультиметра на изме-рение напряжения U₀ и напряжения U_н; 5 – цифровой переносной мультиметр типа МY67; 6 – регулятор мощности электрического водоподогревателя; 7 – лаборатор-ный автотрансформатор; 8 – цилиндрическая стеклянная ёмкость; 9 – электрический водоподогреватель; 10 – нагреваемая медная трубка; 11 – хромель-копелевая термо-пара, измеряющая температуру воды; 12, 13 – хромель-копелевые термопары, изме-ряющие температуру стенки трубки; 14 – конденсатор

 

13

Электрическая мощность нагревательного элемента, а значит, и теп-ловой поток, выделяемый внутри трубки и отводимый от её поверхно-сти к воде, определяется по значению напряжения и силы тока. Величи-на электрического тока рассчитывается путем измерения падения на-пряжения на образцовом сопротивлении R₀, включенном в цепь после-довательно с нагревательным элементом. Для переключения мульти-метра на измерение падения напряжения на образцовом сопротивлении (U₀) и напряжения на нагревателе опытной трубки (U_н) служит тумблер

(4).

 

Температура поверхности медной трубки измеряется в двух точках хромель-копелевыми термопарами (12) и (13). Для измерения темпера-туры воды в ёмкости (8) вблизи поверхности трубки размещена термо-пара (11). Термопары подключены к измерительному прибору УТК38 в следующей последовательности:

 

1 канал – термопара (11);

2 канал – термопара (12);

3 канал – термопара (13).

 

Медная трубка (10) находится в стеклянной ёмкости (8), помещен-ной в электрический водоподогреватель (9). Ёмкость (8) закрыта крыш-кой, на которой смонтирован конденсатор (14), предназначенный для конденсации выделяющегося пара.

 

Водоподогреватель (9) предназначен для предварительного подогре-ва воды до температуры 60÷70 ⁰С. Мощность дополнительного электро-нагревателя изменяется регулятором (6).

 

Меры безопасности

1. Перед включением установки инженер (лаборант) проверяет уро-вень воды в водоподогревателе и в стеклянной ёмкости.

 

2. Включение стенда производится ИНЖЕНЕРОМ ИЛИ ПРЕПОДА-ВАТЕЛЕМ, ведущим занятие.

3. Температура воды в установке должна быть на 2÷3 ⁰С ниже темпе-ратуры кипения (насыщения).

 

4. Категорически запрещается снимать верхнюю крышку установки и вынимать боковое защитное стекло во избежание касания токопро-водящих элементов.

 

5. Все действия с лабораторным автотрансформатором производить под наблюдением инженера или преподавателя.

 

 

14

Порядок проведения опыта

 

Эксперимент выполняется только в присутствии инженера или пре-подавателя в следующем порядке.

 

1. Включить тумблер электропитания установки 1 (см. рис. 4), а также измеритель температуры 2.

 

2. Включить водоподогреватель 9, повернув ручку регулятора мощно-сти 6 по часовой стрелке на ½ оборота.

3. После нагрева воды в стеклянной ёмкости до температуры 60÷70 ⁰С (через 30÷40 мин.) выключить водоподогреватель. Процесс нагрева воды контролируется по первому каналу измерителя температуры 2, к которому подключена термопара 11.

 

4. Переключатель мультиметра 5 установить на измерение переменно-го напряжения. Переключить тумблер 4 на измерение напряжения на нагревательном элементе U_н.

5. Установить выходное напряжение на лабораторном автотрансфор-маторе 7 около 150 В, пользуясь показаниями мультиметра.

6. Переключить тумблер 4 в положение U₀ и зарегистрировать значе-ние напряжения на образцовом сопротивлении U₀.

 

7. Записать в журнал наблюдений (табл. 1): а) показания мультиметра U_н и U₀;

 

б) температуру воды (первый канал измерителя температуры) и тем-пературы стенки опытной трубки (второй и третий каналы измери-теля температуры).

Таблица 1

 

Журнал наблюдений

	№ п/п	Uн, В	U0, В	T1=Tf, ^0С	T2=Tw1, ^0С	T3=Tw2, ^0С
	1
	2
	3
	4

 

8. Измерение температуры поверхности опытной трубки повторять через каждые 5÷10 мин до достижения стационарного режима теп-лоотдачи, при котором значения температур стенки практически пе-рестанут изменяться во времени.

 

9. Во время опыта через смотровое окно наблюдают за интенсивно-стью образования пузырьков пара на поверхности опытной трубки.

 

10. Переключить тумблер 4 в положение U_н. Вращая рукоятку лабора-торного автотрансформатора, установить следующее значение на-пряжения в диапазоне 150÷200 В.

 

15

11. Повторить опыты, следуя указаниям пунктов 6–10, для 3 или 4 ре-жимов, соответствующих разным значениям U_н.

 

 

Обработка опытных данных

 

Для каждого опыта определить и занести в таблицу (табл. 2) сле-дующие величины.

 

1. Тепловой поток, отводимый от поверхности трубки к воде путем теплоотдачи при кипении, Вт,

 

Q = N _н = I _н × U _н = ^{U 0}× U _н,                                (15)

R

0

 

2. Плотность теплового потока на поверхности трубки, Вт/м²,

 

q =	Q	,	(16)
	F

 

где F=π·d·L – площадь поверхности теплообмена трубки с жидкостью, м²; d – наружный диаметр трубки, м; L – длина трубки, м.

 

3. Среднюю температуру поверхности стенки, ⁰С,

 

Т w =	Т 2+ Т 3	,	(17)
	2

 

где T₂ и T₃ – температуры стенки опытной трубки, ⁰С.

4. Температурный напор между стенкой и жидкостью, ⁰С,

 

D T w = Т w - Т f

(18)

где T_f – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

 

5. Коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/(м²К),

 

a =	q	(19)
	D Т w

 

6. lg(q) – логарифм плотности теплового потока.

7. lg(α) – логарифм коэффициента теплоотдачи.

 

16

Затем следует построить систему логарифмических координат lg(α)-lg(q) и нанести на ней опытные точки {lg(q)_i; lg(α)_i}.

 

Таблица 2

Результаты расчета

	№	Q	q	Tw	Tf	Tw	α	lg(q)	lg(α)
	п/п	Вт	Вт/м^2	0С	0С	0С	Вт/(м^20С)	-	-
	1
	2
	3
	4

 

6. Определение функциональной зависимости α=f(q)

 

Определяемую нелинейную зависимость (14) удобно представить в логарифмических координатах, где она принимает вид прямой линии:

 

lg a = lg B + m ×lg q,

(20)

 

что равносильно уравнению (8), где y = lg(α); b = lg(В); k = m; x = lg(q). Это позволяет определить функциональную зависимость α=f(q) ме-

 

тодом наименьших квадратов, рассчитав коэффициенты b и k по фор-мулам (10), (11) и (12).

 

Расчет коэффициентов удобно вести, заполняя таблицу (табл. 3.) Таблица 3

Определение функциональной зависимости α=f(q)

 

	i	xi=	xi=	(Δxi)^2	yi =	yi=	xi ·Δyi
		lg(qi)	xi-xср		lg(αi)	yi-yср
	1
	2
	3
	4
	Σ
	Ср.		-	-		-	-

 

Определив значения коэффициентов b и k, в системе логарифмиче-ских координат lg(α)-lg(q) построить прямую линию по найденному уравнению (20), а также восстановить уравнение α=f(q) по выражению (14). Заметим, что коэффициенты «m» и «В» в формуле для расчета ко-эффициента теплоотдачи (14) определяются как m = k, а В=10^b.

 

Уравнение для расчета α при граничных условиях первого рода (13) получают подстановкой выражения (3) в найденное уравнение (14).

 

17

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте определение понятий конвекция, конвективный теплообмен, конвективная теплоотдача.

 

2. Чем отличается конвективная теплоотдача при кипении от конвек-тивной теплоотдачи в однофазной среде?

 

3. Какой вид теплообмена исследуется в данной работе?

4. Дайте определение процесса кипения.

 

5. Что такое теплоотдача при кипении в большом объеме?

 

6. Что такое центры парообразования? Назовите стадии парообразова-ния.

 

7. Что такое критический радиус пузырька?

 

8. Напишите формулу расчета теплового потока при пузырьковом ки-пении в большом объеме и поясните входящие в неё величины.

 

9. Назовите основные факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи при кипении.

 

10. Изобразите кривые кипения a=f₁(DT_w) и q=f₂(DT_w). Укажите режимы кипения и соответствующие им области на графике.

 

11. Дайте характеристику пузырькового режима кипения. Укажите со-ответствующую область на кривой кипения.

 

12. Дайте характеристику 1-го кризиса кипения и переходного режима кипения. Укажите соответствующую область на кривой кипения.

 

13. Дайте характеристику 2-го кризиса кипения и пленочного режима кипения. Укажите соответствующую область на кривой кипения. Какие две подобласти характерны для пленочного кипения?

 

14. Что такое кризисы кипения? Дайте характеристику первого и второ-го кризисов кипения. Изобразите на графике особенности смены режимов кипения при граничных условиях первого и второго рода.

 

15. Поясните принцип работы лабораторного стенда и назначение эле-ментов по схеме экспериментальной установки.

 

16. Опишите порядок проведения опыта и заполнения таблицы наблю-дений.

 

17. Как получить уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи при граничных условиях 1-го рода?

 

18. Для какого режима кипения могут быть использованы полученные вами уравнения?

 

18

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Исаченко, В.П. Теплопередача/В.П.Исаченко,В.А.Осипова,А.С. Сукомел. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

 

2. Бухмиров, В.В. Справочные материалы для решения задач по курсу«Тепломассообмен»/В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина, Ю.С. Солныш-кова. – Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энерге-тический университет имени В.И. Ленина, 2009.- 102 с.

 

19