Учебное пособие 1106

новленной на крышке 9. Штоком 6 погружают шар в воду. Температура остывающего шара измеряется термопарой 5 со спаем в его центре. Самописцем КСП 4 на движущейся диаграммной ленте строится графическая зависимость температуры шара от времени.

Чтобы наблюдать за процессами кипения на рабочих поверхностях, на передней стенке установки имеется смотровое окно, а на задней − подсвечивающая лампа.

2.3.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.3.1.Подготовка к проведению эксперимента

1.Наполнить дистиллированной водой сосуд 7 установки, показанной на рис. 2.3.

1 – автоматический выключатель; 2 – кнопка «Нагрев трубки»; 3, 11 – ручки лабораторного трансформатора; 4, 9 – самописцы; 5 – шток; 6 – печь; 7 – сосуд; 8 − конденсатор;

10 – кнопка «Нагрев шара»; 12 – кнопка «Нагрев воды»

Рис. 2.3. Общий вид установки

2. Убедиться, что шар для исследования пленочного кипения находится внутри печи 6, а затем включить автоматический выключатель 1.

19

3. Включить кнопки «Нагрев шара» 10 и «Нагрев воды»

12.

4.Повернуть ручку 11 по часовой стрелке до упора, после чего приложить максимальное напряжение к термонагревательному элементу.

5.Обеспечить работу конденсатора 8.

6.Включить самописец 4. Нагрев шара и воды до рабочих температур занимает 60-90 мин. Контроль температуры шара осуществляется по шкале самописца 4, а температуры воды в сосуде − по термометру.

7.Поворотом ручки 11 против часовой стрелки снизить напряжение на термонагревательном элементе до 150 В, когда вода достигнет состояния, близкого к состоянию насыщения.

2.3.2. Исследование пузырькового кипения на поверхности трубки

1.Включить самописец 9, чтобы определить температуру поверхности трубки.

2.Выставить ручку регулирования напряжения на трубке 3 в положение 0 В, а потом включить кнопку «Нагрев трубки»

2.

3.Установить напряжение на трубке 0,7 В, плавно вращая ручку 3 и ориентируясь на показания вольтметра.

4.Определить ток нагрева и температуру поверхности трубки по показаниям амперметра и самописца 9 соответственно.

5.Записать полученные результаты в тетрадь.

6.Повторить пункт 4 при напряжениях на трубке 1 и 1,3

В.

7.Выключить подачу питающего напряжения на трубку.

2.3.3.Исследование пленочного кипения на поверхности шара

1.Включить самописец 4.

20

2.Опустить шар в воду, используя шток 5. Самописец дает зависимость температуры шара от времени.

3.Выключить самописец и вернуть шар в исходное положение после прекращения кипения на нем.

4.Выключить кнопки «Нагрев воды» 12, «Нагрев шара» 10 и автоматический выключатель 1.

2.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

По экспериментальным данным, полученным при кипении воды на поверхностях трубки и шара, построить графики зависимости плотности теплового потока, отводимого жидкостью, от температурного напора и рассчитать коэффициенты теплоотдачи. Обработку экспериментальных данных проводить в следующем порядке.

2.4.1.Исследование кипения на поверхности трубки

1.С помощью закона Джоуля-Ленца найти электрическую мощность, потребляемую трубкой

Q = UI, Вт,

(2.3)

где U – напряжение нагрева трубки, В; I – ток нагрева трубки, А.

2. Вычислить плотность теплового потока, отводимого от

трубки, по формуле
q	Q	, Вт/м2,	(2.4)
	Fтр

где Fтр − площадь контакта трубки с водой.

3. Выполнить расчет температурного напора, используя формулу

21

∆tэ = tп − tв,

(2.5)

где tп − температура поверхности кипения, ºС; tв − температура воды в сосуде, ºС.

4. Рассчитать коэффициента теплоотдачи при ∆tэ как

э	q	, Вт/(м2/К).	(2.6)
	tэ

5. Определить теоретическое значение коэффициента теплоотдачи по формуле (2.1), которая после подстановки в нее значений параметров воды и водяного пара, а также значений параметров, соответствующих условиям эксперимента, имеет вид

αт = 4,17q2/3.

(2.7)

6. Произвести вычисление температурного напора, соответствующего коэффициенту αт

t q . (2.8)

т	т

7.Сравнить значения коэффициентов αэ и αт.

2.4.2.Исследование кипения на поверхности шара

При построении кривой кипения воды на поверхности шара расшифровывают диаграмму, полученную на ленте самописца. Диаграммой на ленте самописца является график зависимости температуры шара t от времени τ (рис. 2.4).

22

Рис. 2.4. Диаграмма остывания шара

Время отсчитывают c момента, когда шар погрузился в воду (точка А на рис. 2.4). Температуру шара в точке N зависимости t(τ) определяют как

tN = μтlт,

(2.9)

где μт = 2,4 ºС/мм − масштабный коэффициент оси температур (диапазон значений шкалы прибора 0-600 ºС на длине 250 мм), lт − координата точки N по оси температур, мм.

Время τ, отвечающее точке N, можно вычислить, зная скорость движения ленты в течение эксперимента w = 13 мм/с

τN = μτlτ,

(2.10)

где μτ = w − масштабный коэффициент оси времени, lτ − координата точки N по оси времени, мм.

Количество теплоты, отводимое от поверхности шара

dQ = cmdT, Дж,	(2.11)
23

где с – удельная массовая теплоемкость материала шара, Дж/(кг∙К); m – масса шара, кг; T – температура шара, К.

Поскольку теплопроводность меди велика, а коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении и радиус шара малы, то можно предположить, что шар в любой момент времени прогрет равномерно.

Разделив обе части уравнения (2.11) на Fшdτ, получают

	dQ		cmdT	,	(2.12)
	F d		F d
	ш		ш

где Fш 4Rш2 − площадь поверхности теплообмена шара. Плотность теплового потока, отводимого от шара

q	dQ		cmdT	.	(2.13)
ш	Fшd		Fшd

Масса шара выражается через плотность материала шара ρ (для меди ρ = 8,9∙103кг/м3) и объем шара Vш по формуле

m = ρVш,

(2.14)

где Vш 34 Rш3 , Rш = 1,25∙10-2 м − радиус шара.

Подставив (2.14) в (2.13), получают

q с	Vш		dT	.	(2.15)
ш	Fш		d

С учетом выражений для расчета объема и площади поверхности шара (2.15) запишется в виде

24

q		1	R c	dT	.	(2.16)
ш		3 ш		d
Производную dT/dτ находят как отношение конечных
разностей T для	каждого			из 10 выделенных		участков

экспериментальной зависимости t(τ) (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Разбиение зависимости t(τ) на участки

Зависимость t(τ) разбивают на участки следующим образом. Сначала на зависимости находят участок BC, где температура шара убывает наиболее быстро. Область под участком ВС делят на четыре вертикальные полосы одинаковой ширины. Затем делят на шесть равных по ширине частей область под участком АВ. Координаты получившихся на зависимости 10 точек с координатами ( lt , l ) записывают в тетрадь.

В этих точках определяют температуру шара и время по формулам (2.9) и (2.10).

Далее для каждого участка разделения находят измене-

ние температуры ∆t = ti+1 − ti и изменение времени ∆τ = τi+1 − τi, где ti и ti+1 − соответственно температура в начале и в конце

25

каждого участка, а τi и τi+1 − соответственно время в начале и в конце каждого участка.

Средняя температура шара за промежуток времени ∆τ

t

ti ti 1

, ºС.

(2.17)

ср	2

Зависимость удельной массовой теплоемкости меди от температуры записывают в виде

с = 3,55∙102 + 0,107(t + 273).

(2.18)

Здесь за t берут tср, когда с определяют на выделенном участке.

Используя найденные ∆t и ∆τ, а также принимая во внимание Rш, на каждом из 10 выделенных участков рассчитывают среднюю плотность теплового потока

q		1	R	c	T .	(2.19)
ср		3 ш

Средний температурный напор

∆Tср = ∆tср = tср − tв.

(2.20)

Для оценки интенсивности теплообмена за каждый промежуток времени ∆τ рассчитывают средний коэффициент теплоотдачи

ср qcp . (2.21)

tcp

26

В тетради на одном рисунке представить зависимости qср(∆Tср) для кипения жидкости на трубке и q(∆tэ) для кипения жидкости на шаре и провести их сравнительный анализ.

2.5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое первая критическая плотность теплового по-

тока?

2.При каких условиях возникает процесс кипения?

3.Перечислите режимы кипения.

4.Как Вы понимаете явление гистерезиса кипения?

5.Какой режим кипения обеспечивает большую теплоотдачу? Пузырьковый или пленочный?

6.Что подразумевают под второй критической плотностью теплового потока?

7.Возможно ли сосуществование пузырькового и пленочного кипений на поверхности нагрева? Если возможно, то при каких условиях?

Лабораторная работа № 3

ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Цель работы: освоение принципа действия тепловой трубы и экспериментальное определение ее эффективной теплопроводности.

3.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Тепловая труба − это устройство для переноса тепловой энергии из нагретой области (источника) в холодную область (сток) с КПД, намного большим, чем при использовании любых высокотеплопроводных металлов. Схема тепловой трубы показана на рис. 3.1.

27

1 − нагреватель, 2 − корпус, 3 − фитиль, 4 − холодильник, lисп − длина зоны испарения, lтр − длина транспортной зоны, lисп − длина зоны конденсации

Рис. 3.1. Тепловая труба

От нагревателя 1 к корпусу тепловой трубы 2 подводится теплота, которая вследствие теплопроводности передается через корпус, приводя к нагреванию пористого фитиля 3 и удерживаемой в нем за счет поверхностного натяжения жидкости. Жидкость испаряется с поверхности менисков, образованных структурой фитиля. Возникает разность давлений

( р р		)			2	,	(3.1)
	ж		исп
п					Rисп

где pп − давление пара над мениском, Па; pж − давление жидкости под мениском, Па; − поверхностное натяжение, Н/м; Rисп − радиус кривизны мениска в зоне испарения, м.

Образовавшийся в зоне испарения пар через транспортную (адиабатную зону) попадает в зону конденсации, где находится холодильник 4. Разность давлений в зоне конденсации

28