Исследование теплоотдачи при кипении

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 4Следующая ⇒

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

Методические указания по выполнению лабораторной работы при изучении дисциплины «Тепломассообмен»

Иваново 2013

Составители: В.В. БУХМИРОВ

А.К. ГАСЬКОВ

М.Г. СУЛЕЙМАНОВ

Редактор         Т.Е. СОЗИНОВА

Методические указания содержат задание на выполнение работы, основные теоретические сведения об исследуемом процессе, описание экспериментальной установки и оборудования. В методических указа-ниях также приведены: порядок проведения опытов, алгоритм обработ-ки полученных данных и представления результатов, а также вопросы для подготовки к отчету по работе в целом.

Предназначены для выполнения студентами лабораторной работы «Исследование теплоотдачи при кипении».

Лабораторная работа выполняется в соответствии с рабочими про-граммами курсов «Тепломассообмен», «Теплотехника» и «Теоретиче-ские основы теплотехники».

Методические указания утверждены цикловой методической комис-сией ТЭФ

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

2

3

ЗАДАНИЕ

1. Определить коэффициенты теплоотдачи (a) при пузырьковом кипе-нии воды на поверхности горизонтальной медной трубки, обогревае-мой электрическим током, при различных тепловых нагрузках (q).

2. Установить зависимость a=f₁(q).

3. Установить зависимость a=f₂(DT_w).

4. Подготовить отчет, включающий схему экспериментальной установ-ки, журнал наблюдений, протокол (таблицу) с результатами обработки данных, график a=f₁(q) с нанесенными опытными точками, выкладки по определению аналитических зависимостей.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Введение

Теплообмен –это самопроизвольный необратимый процесс переда-чи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный различием их температур.

Существуют следующие элементарные виды теплообмена: тепло-проводность, конвекция теплоты и тепловое излучение.

Сочетание теплопроводности и конвекции, наблюдаемое в жидко-стях, называют конвективным теплообменом.

Если конвективный теплообмен происходит между поверхностью и жидкостью, омывающей эту поверхность, то такой вид теплообмена называют конвективной теплоотдачей.

В зависимости от фазового состояния жидкости различают теплоот-

дачу в однофазной среде и теплоотдачу при фазовых превращениях,

например при конденсации (переход пара в жидкость) и кипении (пе-реход жидкости в пар).

Кипением называется процесс образования пара внутри объемажидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.

При конвективной теплоотдаче кипение происходит около нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит свободная конвекция жидкости в «неограниченном» пространстве, то процесс называют «теплоотдачей при кипении в большом объеме». Объем считается большим (неограниченным), если изменение его раз-меров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В противоположность этому процесс называют «теплоотдачей при кипе-нии в ограниченном объеме», например при кипении жидкости в тру-бах.

4

4

T_f(х)

Q

T_w

Рис.1. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T_w=111,8⁰C, p_н=1 бар):

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T_пов.ж – температура поверхности жидкости; T_w – температура поверхности теплообме-на (стенки); T_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p_н – давление насыщения; δ – толщина пограничного слоя; Q – тепловой поток от стенки к воде; G_п – массовый расход образовавшегося пара

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется темпера-турное поле (рис.1,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

В температурном поле можно выделить две характерные области. Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,при-

легающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.1).

Тепловое ядро потока –вся остальная жидкость за пределами теп-лового пограничного слоя.

5

Теплоотдача при кипении

Уравнение теплоотдачи

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, исполь-зуют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором «стенка – жидкость» и тепловым пото-ком через поверхность теплообмена:

где Q – тепловой поток, Вт; q=Q/F – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; F – поверхность теплообмена (стенки), м²; a – средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); Т_w – температура поверхности теплообмена (стенки), ⁰С; Т_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки (см. рис. 1):

где DT    – максимальный перегрев жидкости, ⁰С.

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверх-ности теплообмена и температурному напору DT_w между стенкой и жидкостью.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м ² К),–это коэффициент про-порциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от боль-шого числа различных факторов: а) физических свойств жидкости; б) чистоты жидкости; в) ее температуры и давления; г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообме-на; д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности; е) величины перегрева жидкости и т.п. Поэтому определение коэффици-ента теплоотдачи при кипении – весьма трудная задача.

6

Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по по-верхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при темпера-турном напоре в 1⁰C (1 К).

Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и DT_w.

Пузырьковый режим

Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорциона-лен размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначи-тельном перегреве жидкости, «работают» лишь крупные центры паро-образования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют ра-диус меньше критического. С увеличением перегрева жидкости активи-зируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.

В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро уве-личивается (рис.2, область 2). Коэффициент теплоотдачи (a) достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м²К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интен-сивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пу-зырьками пара.

Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов кон-струкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, ко-торые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву

7

DT_w жидкости и давлению p_н. В силу этого средний коэффициент теп-лоотдачи может быть рассчитан по формуле вида

или после подстановки условия (3) в виде DT_w=q/a получим

где C₁, C₂, k, z, m, n – эмпирические постоянные; DT_w – перегрев стенки, ⁰С; р_н – давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар; q – по-верхностная плотность теплового потока, Вт/м².

Формулу (6) используют в расчетах пузырькового кипения при гра-ничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (4), а формулу (7) применяют в расчетах кипения при гранич-ных условиях второго рода (регулируемая (заданная) величина – плот-ность теплового потока (q) на поверхности стенки).

Рис. 2. Кривые теплоотдачи при кипении:

1 – конвективная область без кипения; 2 – область пузырькового кипения; 3 – переходная область; 4 – область пленочного кипения; 5 – участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 – соответ-ственно точки первого и второго кризисов кипения

8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

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

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,

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,

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

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

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

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

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

6. Определение функциональной зависимости α=f(q)

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

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)

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

Методические указания по выполнению лабораторной работы при изучении дисциплины «Тепломассообмен»

Иваново 2013

Составители: В.В. БУХМИРОВ

А.К. ГАСЬКОВ

М.Г. СУЛЕЙМАНОВ

Редактор         Т.Е. СОЗИНОВА

Методические указания содержат задание на выполнение работы, основные теоретические сведения об исследуемом процессе, описание экспериментальной установки и оборудования. В методических указа-ниях также приведены: порядок проведения опытов, алгоритм обработ-ки полученных данных и представления результатов, а также вопросы для подготовки к отчету по работе в целом.

Предназначены для выполнения студентами лабораторной работы «Исследование теплоотдачи при кипении».

Лабораторная работа выполняется в соответствии с рабочими про-граммами курсов «Тепломассообмен», «Теплотехника» и «Теоретиче-ские основы теплотехники».

Методические указания утверждены цикловой методической комис-сией ТЭФ

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

2

3

ЗАДАНИЕ

1. Определить коэффициенты теплоотдачи (a) при пузырьковом кипе-нии воды на поверхности горизонтальной медной трубки, обогревае-мой электрическим током, при различных тепловых нагрузках (q).

2. Установить зависимость a=f₁(q).

3. Установить зависимость a=f₂(DT_w).

4. Подготовить отчет, включающий схему экспериментальной установ-ки, журнал наблюдений, протокол (таблицу) с результатами обработки данных, график a=f₁(q) с нанесенными опытными точками, выкладки по определению аналитических зависимостей.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Введение

Теплообмен –это самопроизвольный необратимый процесс переда-чи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный различием их температур.

Существуют следующие элементарные виды теплообмена: тепло-проводность, конвекция теплоты и тепловое излучение.

Сочетание теплопроводности и конвекции, наблюдаемое в жидко-стях, называют конвективным теплообменом.

Если конвективный теплообмен происходит между поверхностью и жидкостью, омывающей эту поверхность, то такой вид теплообмена называют конвективной теплоотдачей.

В зависимости от фазового состояния жидкости различают теплоот-

дачу в однофазной среде и теплоотдачу при фазовых превращениях,

например при конденсации (переход пара в жидкость) и кипении (пе-реход жидкости в пар).

Кипением называется процесс образования пара внутри объемажидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.

При конвективной теплоотдаче кипение происходит около нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит свободная конвекция жидкости в «неограниченном» пространстве, то процесс называют «теплоотдачей при кипении в большом объеме». Объем считается большим (неограниченным), если изменение его раз-меров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В противоположность этому процесс называют «теплоотдачей при кипе-нии в ограниченном объеме», например при кипении жидкости в тру-бах.

4

4

T_f(х)

Q

T_w

Рис.1. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T_w=111,8⁰C, p_н=1 бар):

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T_пов.ж – температура поверхности жидкости; T_w – температура поверхности теплообме-на (стенки); T_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p_н – давление насыщения; δ – толщина пограничного слоя; Q – тепловой поток от стенки к воде; G_п – массовый расход образовавшегося пара

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется темпера-турное поле (рис.1,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

В температурном поле можно выделить две характерные области. Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,при-

легающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.1).

Тепловое ядро потока –вся остальная жидкость за пределами теп-лового пограничного слоя.

5

Теплоотдача при кипении

Уравнение теплоотдачи

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, исполь-зуют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором «стенка – жидкость» и тепловым пото-ком через поверхность теплообмена:

где Q – тепловой поток, Вт; q=Q/F – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; F – поверхность теплообмена (стенки), м²; a – средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); Т_w – температура поверхности теплообмена (стенки), ⁰С; Т_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки (см. рис. 1):

где DT    – максимальный перегрев жидкости, ⁰С.

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверх-ности теплообмена и температурному напору DT_w между стенкой и жидкостью.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м ² К),–это коэффициент про-порциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от боль-шого числа различных факторов: а) физических свойств жидкости; б) чистоты жидкости; в) ее температуры и давления; г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообме-на; д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности; е) величины перегрева жидкости и т.п. Поэтому определение коэффици-ента теплоотдачи при кипении – весьма трудная задача.

6

Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по по-верхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при темпера-турном напоре в 1⁰C (1 К).

Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и DT_w.

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов