Теплообмен при пузырьковом кипении в жидкости. Лабораторная работа 4 "Теплообмен при пузырьковом кипении в жидкости" Выполнил студент гр. 325140210002 Поморцев А. С
 Скачать 194.84 Kb.
|
|
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО Институт Энергетики Высшая школа атомной и тепловой энергетики Лабораторная работа № 2.4 "Теплообмен при пузырьковом кипении в жидкости" Выполнил студент гр. 3251402/10002 Поморцев А.С. студент гр. 3251402/10002 Рощин Е.Д. студент гр. 3251402/10002 Теплинский А.К. Преподаватель Павлов А.В. Введение Кипение – процесс перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Обязательным условием для кипения является перегрев по всему объему или у поверхности нагрева. Если жидкость перегрета по всему объему, то возникает объемное кипение. Оно наблюдается при разгерметизации контуров энергоустановок или других объектов, в которых имеется нагретая жидкость под давлением. Объемное кипение не поддается регулировке, что приводит к аварийным ситуация. Поверхностное кипение – упорядоченный процесс, который реализуется в котлах, бойлерах и других энергоустановках. В этом случае тепловой поток подводится со стороны поверхности, нагретой выше температуры насыщения. На поверхности возникают пузырьки пара, они растут, достигают отрывного диаметра и всплывают, затем на их месте возникают новые и процесс повторяется. На каждой стадии (возникновение, рост, отрыв и всплытие пузырька) коэффициент теплоотдачи α определяется разными факторами и потому может заметно меняться. При исследовании кипения особая роль отводится эксперименту, и большинство расчетных формул по теплоотдаче при кипении основано на экспериментальных данных. Впервые эти данные обобщил в 1934 году Широ Нукияма в своей работе «Максимальное и минимальное количество тепла Q, переданного металлом кипящей воде при атмосферном давлении». Он построил зависимость плотности теплового потока от температурного напора ∆T= Tс - Tн, где Tс – температура стенки,Tн – температура насыщения (рис. 1). В областях А и B кипение только развивается, наблюдаются отдельные пузыри. В области С развитое пузырьковое кипение, с регулярным образованием, отрывом и всплытием отдельных пузырей. Увеличение температурного напора приводит к частичному оттеснению жидкости от нагретой поверхности. Пузыри объединяются, и часть разогретой поверхности теряет контакт с жидкостью, что приводит к резкому уменьшению плотности теплового потока и увеличению температуры поверхности нагрева (область Е). Этот процесс лавинообразный, вскоре вся поверхность нагрева покрывается паровой пленкой и начинается развитое пленочное кипение. Точку перехода от пузырькового кипения при повышении температурного напора к пленочному называют первой критической плотностью теплового потока. В работе будет рассмотрен только режим пузырькового кипения (область С). При пузырьковом кипении паровые пузыри возникают в отдельных местах поверхности нагрева – центрах парообразования. Вырастая до определенного размера, паровые пузыри отрываются и всплывают в толще жидкости. При этом перегрев основной массы жидкости весьма невелик (≈ 0,01...0,1 °С).  Рисунок 1 – Зависимость плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от температурного напора Результаты многочисленных экспериментальных исследований пузырькового кипения при умеренных тепловых потоках удовлетворительно обобщаются зависимостью  , (1)Где  = ;  – удельная изобарная теплоемкость воды, Дж/(кг·К);  и  – плотности насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара соответственно, кг/м3;  – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; r– скрытая теплота парообразования, Дж/кг; q– плотность теплового потока на поверхности нагрева, Вт/м2;  – кинематическая вязкость жидкости, м2/с;  – теплопроводность жидкости, Вт/(м·К);  – температуропроводность жидкости).Эмпирические константы в уравнении (1) принимают следующие значения: С = 0,0625, n = 0,5 (при  ≤ 0,01); С = 0,125, n = 0,65 (при ≥ 0,01).Формулу (1) можно применять для расчета теплоотдачи при кипении различных жидкостей. Для расчета теплоотдачи при кипении воды можно воспользоваться более простыми соотношениями:  (2) (3)В формулах (2) и (3) давление задается в барах (1 бар = 0,1 МПа), удельный тепловой поток – в Вт/м2, перегрев жидкости – в К или °С. Это относится к процессу кипения в большом объеме: – когда размеры области нагрева и диаметр пузырьков намного меньше размера сосуда, в котором происходит кипение; – когда жидкость не движется вдоль поверхности нагрева. Нарушение этих условий (например, при кипении в трубах) влияет на теплообмен и коэффициент теплоотдачи. Описание установки  Рисунок 2 – Лабораторная установка для изучения пузырькового кипения: 1 – стеклянная емкость; 2 – экспериментальная модель; 3 – нагреватель; 4 – диммер; 5 – трансформатор; 6, 7, 8 – термопары (tж, t1, t2); 9 – тумблер электропитания; 10 – тумблер сопротивления; 11 – мультиметр; 12, 13 – тумблеры включения измерителей температуры Результаты эксперимента Таблица 1 Исходные данные
Обработка результатов Далее приведется пример расчетов для второго режима. 1) Средняя температура поверхности цилиндра:  2) Тепловой поток, определяемый через мощность на нагревателе:  3) Средний коэффициент теплоотдачи от поверхности обогреваемого цилиндра к кипящей воде:   где  – площадь поверхности цилиндра, м2, d = 20 мм – диаметр цилиндра, L = 78 мм – длина цилиндра.4) Суммарная стандартная неопределенность измерения коэффициента теплоотдачи:   где  Вт,  м2,  °С.Далее предлагается обобщить результаты опыта при помощи сравнения его результатов с расчетными. 1) Плотность теплового потока через поверхность цилиндра:  2) Теоретическое значение коэффициента теплоотдачи:  где p – атмосферное давление в барах.  Результаты вычислений для этого и остальных режимов приведены в Таблице 2. Таблица 2 Результаты расчетов
Также по результатам расчетов строятся графики зависимостей  . Данные графики представлены на рисунках 2 и 3. Рисунок 2 – График зависимостей   Рисунок 3 – График зависимостей  Данные графики демонстрируют сходство характеров расчетной и экспериментальной зависимостей, но кривые для опытного случая расположены вдоль вертикальной оси ниже, чем в случае расчетных данных. Вывод В результате эксперимента были получены значения коэффициента теплоотдачи от поверхности обогреваемого цилиндра к кипящей воде для трех разных режимов (  ).Также были построены графики зависимостей . Полученные зависимости имеют схожий характер, однако расчетные кривые располагаются ниже по вертикальной оси, чем теоретические. Данное расхождение можно объяснить неточностью измерения температуры воды и температур на поверхности цилиндра, а также наличием некоторых допущений при вычислении экспериментального коэффициента теплоотдачи.Санкт-Петербург 2023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
