Зависимость теплового потока от температурного напора (кривая кипения)

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости (кривую кипения), рис. 2.

Рис. 2. Зависимость α и q от перегрева жидкости ∆t

q_max – критическая плотность теплового потока (q_кр1);

q_min – предельно допустимая температура перегрева жидкости – точка Лейденфроста.

При достижении q_max возникает переходный режим кипения, характеризующийся образованием на поверхности трубки областей, непосредственно контактирующих с паром. Теплоотдача все более ухудшается и, наконец, при ∆t = ∆t_кр2, когда вся поверхность трубки обволакивается сплошной пленкой пара, становится q_min.

Эту величину q_кр2 называют второй критической плотностью теплового потока. А коэффициент теплоотдачи α в пленочном режиме кипения (наступающем при ∆t > ∆t_кр2), остается const, либо слабо уменьшается с ростом ∆t. В первом приближении для этого режима можно полагать q ~ ∆t.

При увеличении температурного напора тепловой поток проходит через максимум q_max. Максимуму теплообмена предшествует конвективная область 1, соответствующая малым перегревам жидкости, и область развитого кипения 3. Между ними находится область неустойчивого кипения 2. Она характеризуется малой плотностью центров парообразования.

Пройдя максимум q_max, q постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным. Пленка создает дополнительное термическое сопротивление, поэтому q падает, несмотря на увеличение ∆t.

После переходной области 4 наступает режим устойчивого пленочного кипения. В этом режиме на участке 5 лучистый перенос тепла относительно невелик, а на участке 6 он приобретает существенное значение.

Величина коэффициента теплоотдачи α увеличивается при увеличении температурного напора ∆t в области пузырькового и пленочного режимов. Однако в последнем случае увеличение α существенно меньше, чем увеличение q. Для области развитого пузырькового кипения имеют место соотношения:

; ,

где m₁ ~ 0,7; m₂ ~ 3. Коэффициенты с₁ и с₂ зависят от рода жидкости и являются взаимосвязанными:

.

Приведенная кривая кипения не охватывает всех возможных режимов кипения. Так, при тщательной предварительной дегазации системы, а также при кипении в условиях пониженных давлений может иметь место затягивание режима конвекции до высоких перегревов жидкости (линия АБ). Верхняя граница этих перегревов определяется спонтанным образованием паровых зародышей в объеме жидкости.

При кипении несмачиваемых жидкостей (интервал 0 ÷ 90 °С) пленочный режим может начаться при малых нагревах (линия ВГ).

СХЕМА УСТАНОВКИ

1. Платиновая нить.

2. Герметичный сосуд.

3. Конденсатор.

4. Резиновые шланги.

5. Измеритель температуры

«ОВЕН».

6. Цифровой вольтметр.

7. Переключатель.

8. Образцовое сопротивление.

9. Трансформатор.

10. Регулятор напряжения.

Описание установки

Измерительный участок, предназначенный для изучения интенсивности теплообмена при пузырьковом режиме, состоит из платиновой нити, герметичного сосуда и измерительных приборов.

Платиновая нить (поз. 1) помещена внутри сосуда (поз. 2), заполненного жидким фреоном. Питание установки осуществляется от сети переменного тока промышленной частоты.

Ток на нить подается через понижающий трансформатор (поз. 9) и регулятор напряжения (поз. 10). Для определения значения тока, проходящего по нити, последовательно к ней подсоединено сопротивление R = 1 мОм (поз. 8). Значение подаваемого на нить напряжения, как и значение падения напряжения на образцовом сопротивлении R, измеряется цифровым вольтметром В7-38 (поз. 6).

Теплообмен происходит при атмосферном давлении. Температура фреона измеряется хромель-копелевой термопарой (ТП), установленной в рабочем объеме сосуда (поз. 2). Холодный спай термопары закреплен на корпусе лабораторного модуля. Значение температуры фреона регистрируется с помощью измерителя-регулятора температуры «ОВЕН» (поз. 5), встроенного в лабораторный модуль.

В верхней части сосуда (поз. 2) смонтирован змеевиковый трубчатый холодильник (конденсатор) (поз. 3). Внутри конденсатора циркулирует охлаждающая вода, подводимая от водопроводной сети.

Для наблюдения за пузырьковым режимом кипения в передней панели сосуда предусмотрено смотровое окно.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Опыты проводятся после ознакомления с устройством экспериментальной установки. Кроме того, необходимо подготовить протокол записей наблюдений.

Включение опытной установки осуществляется в следующем порядке:

1. Собрать установку согласно принципиальной схеме. Перед началом работы убедиться, что все тумблеры находятся в выключенном (среднем) положении, а диммер регулятора напряжения выведен до щелчка влево (отключен), что соответствует нулевому напряжению.

2. Обеспечить подачу охлаждающей воды в конденсатор и отвод ее в канализацию посредством резиновых шлангов.

3. Включить измерительные приборы в сеть.

4. Переключить тумблер «сеть» в верхнее положение – загорится индикаторная лампочка на измерителе температуры «ОВЕН».

5. Выставить цифровой вольтметр В7-38 в режим снятия показаний в вольтах (кнопка «V ~ »).

6. Переключить тумблер регулятора напряжения «Т_р » в верхнее положение.

7. Переключить тумблер напряжения в положение « U_н » (подача напряжения на платиновую нить).

8. Подать напряжение на нить, вращая диммер регулятора напряжения по часовой стрелке до щелчка. Выставить на цифровом вольтметре первое значение подаваемого напряжения 0,1 В, выдержать данное напряжение в течение 2-3 минут. По истечении этого времени переключить тумблер напряжения в положение « U_r » для определения падения напряжения на образцовом сопротивлении нити.

Записать показания цифрового вольтметра в таблицу, переведя их в мВ, одновременно с этим записать показания температуры фреона с измерителя температуры «ОВЕН».

* Так как образцовое сопротивление платиновой нити равно 1 мОм, то сила тока, прошедшая через нить, будет равна:

I_н = U_r (мВ)/1(мОм).

Отсюда видно, что численные величины I_н и U_r равны (так как r = 1 мОм).

Значения U_н, U_r, I_н и t_ж получаем во время опыта, остальные параметры – расчетные.

Переключить тумблер напряжения в положение «U_н» и повторить пункт 8, увеличивая каждое последующее напряжение, подаваемое на нить, на 0,05 В.

Выполнить 15-20 опытов, обратить визуально внимание на начало пузырькового кипения, отметить напряжение, при котором начался процесс пузырькового кипения.

После заполнения таблицы перейти к расчету.

ВЫВОД РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

5.1. Средний коэффициент теплоотдачи (КТО) α между платиновой нитью и кипящим фреоном определяем из соотношения:

α = Q / (F ∆t),

или

α = q / (t_н – t_s),

где Q – тепловой поток, передаваемый от поверхности нити к фреону; F – площадь поверхности нити; ∆t – разность температур нити (t_н) и температуры насыщения фреона при атмосферном давлении (t_s) – температурный напор.

5.2. Плотность теплового потока определяется по формуле

q = Q / F, Вт/м².

5.3. Тепловой поток определяется по мощности, выделяемой нитью:

Q = I_н U_н, Вт.

5.4. Площадь поверхности нагрева определяется по формуле

F = π d l, м².

5.5. Температура нити определяется в соответствии с известной зависимостью сопротивления проводника от температуры:

,

,

где R_н – сопротивление нити при данной температуре, рассчитывается по прямоизмеренным величинам, R_н = U_н / I_н; – 0,00393 К^-1 – температурный коэффи-циент сопротивления нити при Т₀ = 273 К; R₀ = 0,0260 Ом при Т₀ = 273 К.

Все расчетные данные занести в таблицу.

5.6. Построить графики зависимостей:

q = f (∆t); α = f (∆t); α = f (q).

ДАННЫЕ УСТАНОВКИ

1. Исследуемая жидкость – фреон R 114 B 2.

2. Температура насыщения фреона t_s = 47,15 °С.

3. Материал проволоки – платина.

4. Образцовое сопротивление в цепи проволоки r = 0,001 Ом.

5. Сопротивление проволоки при Т₀ = 273 К R₀ = 0,0260 Ом.

6. Температурный коэффициент сопротивления = 0,00393 К^-1.

7. Диаметр проволоки d = 0,5 мм.

8. Длина проволоки l = 52 мм.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

№ опыта	tж, °С	Uн, В	Ur, мВ	Iн = Ur / r, А	Rн = Uн / Iн, Ом	tн, °С	tн – ts, °С	q = Iн Uн/F, Вт/м2	α, Вт/м2·К

r = 1 мОм.

* При записи показаний U_r надо переводить в мВ (то есть, если прибор покажет 0,005, то записать надо 5,0).