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= T_с - T_н, где T_с – температура стенки,T_н – 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 (t_ж, t₁, t₂); 9 – тумблер электропитания; 10 – тумблер сопротивления; 11 – мультиметр; 12, 13 – тумблеры включения измерителей температуры

Результаты эксперимента

Таблица 1

Исходные данные

Номер опыта	tж	t1	t2	Uн	U0	I	Q
	°С			В	мВ	А	Вт
1	89,3	101,0	101,0	100	67	0,67	67,0
2	90,6	102,1	102,1	110	74	0,74	81,4
3	92,5	103,2	103,2	120	81	0,81	97,2

---

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

Номер режима	Q				α		q		p		αрасч
	Вт	°С						Па
1	67,0	101,0	89,3		1036,21		12123,62		99308		2264,75		88,91
2	81,4	102,1	90,6		1280,81		14729,30		99308		2595,40		111,65
3	97,2	103,2	92,5		1643,77		17588,77		99308		2938,56		152,86

---

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.

---

Смотрите также файлы

• Геномика и генная инженерия Подготовил Сеильбай Жансен.pdf

• Нрслтан аласы кімдігіні Аселеу сейдімбек атындаЫ.docx

• Проблема влияния Золотой Орды на Русь в современной научной литературе Основные факты и события периода монголотатарского ига.doc

• Лабораторная работа 1 Вариант 8 Программирование разветвляющего процесса в vba студент гр. Гк22 Сломова Е. Д.docx

• 1. Этиология.doc