Экспериментальная установка и методика проведения опытов

4.3.1 Установка (рисунок 9) представляет собой горизонтально расположенную поверхность 1, обогреваемую снизу электрической спиралью 2. Над поверхностью находится испаряющаяся капля 3, а в непосредственной близости под поверхностью заделана одна – термопара 4. В качестве вторичного прибора используется многоканальный технологический регистратор, отградуированный соответствующим образом. Питание греющей спирали осуществляется от сети переменного тока.

Рисунок 9 – Схема экспериментальной установки по исследованию кипения жидкости на нагреваемой поверхности

Жидкость в виде капли осторожно помещается на предварительно выставленную горизонтально поверхность 1 из шприца либо пипетки. Предварительно необходимо определить объем, а следовательно и начальный радиус капли R₀.

4.3.2 Проведение эксперимента сводится к постепенному нагреву поверхности 1 и измерения секундомером времени испарения капли. При достижении = 400°С питание нагревателя отключается, затем продолжают измерять время испарения жидкости при снижении .

4.3.3 Поскольку на поверхности могут быть участки с пониженной температурой (крепление термопар, загрязнение и прочее), некоторые опыты будут давать большие отклонения. В этом случае результаты из обработки следует исключить.

Оформление протокола и обработка результатов опытов

4.4.1 В процессе выполнения лабораторной работы ведется протокол, форма которого представлена на ниже. После проведения расчетов строятся графики:

4.5 Указания ксоставлению отчета

Отчет о выполненной работе должен содержать: принципиальную схему экспериментального стенда; протокол испытаний; обработку результатов опытов, оценку погрешности, графики , , . Графики выполняются на миллиметровой бумаге с нанесенной сеткой и осями координат.

Контрольные вопросы

1. Закон Ньютона-Рихмана.

2. Что такое коэффициент теплоотдачи?

3. Какие опыты следует исключить из анализа и почему?

4. Какие силы удерживают каплю на поверхности и почему?

5. Что такое кипение? Какие бывают виды кипения? В чем их принципиальное различие?

6. Теплообмена при различных видах кипения.

7. Как происходит процесс развития кипения?

8. Различия объемного и поверхностного типов кипения.

9. Кривая кипения.

10. Кризисы кипения.

11. Что такое температурный напор?

12. Определение температурного напора при пузырьковом кипении.

13. При каких условиях может возникнуть процесс кипения с недогревом?

14. Температура насыщения. Какими параметрами определяется?

15. Что такое центр парообразования?

16. При каких условиях возникает процесс кипения на обогреваемой поверхности?

17. Что называют пограничным слоем жидкости?

18. Устройство и принцип работы установки.

19. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении.

20. Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении.

ПРОТОКОЛ

Выполнения работы «Кипение жидкости на обогреваемой поверхности»

«» 20 г.

Объем капли

Удельная теплота парообразования r=2.26 10⁶ Дж/кг

Плотность среды ρ=960 кг/м³

N	Измеренные величины	Расчетные величины	примечание
п/п
	tw	t0	R0	Δt	q	α
	°C	°C		°C	Вт/м2	Вт/м2 К

5 Методические указания к лабораторной работе №5 «Исследование теплоотдачи при движении жидкости в обогреваемых каналах»

Цель работы

5.1.1 Работа содержит углубленную информацию в области теплоотдачи при движении жидкости в каналах теплофизических установок, при характерных для ядерной энергетики значениях удельных тепловых потоков – эквивалентных диаметров d_экв и скоростей движения жидкости W_f.

5.1.2 Во время подготовки и выполнения работы студенты приобретают навыки экспериментальных исследований теплоотдачи и получают наглядное представление о параметрах процесса.

Основы теории

При движении жидкости всегда возникает сила сопротивления, обусловленная непрерывным переносом и обменом количеств движения между слоями жидкости, имеющими разные скорости. Этот перенос происходит вследствие турбулентного перемешивания жидкости. Особенностью турбулентного движения жидкости является хаотическое движение частиц в потоке.

При установлении связи между теплоотдачей и сопротивлением Рейнольдc исходил из следующих соображений: если количество жидкости, поступающей в пристенный слой обозначить G, то в соответствии с законом сохранения импульсов суммарная сила трения выразится следующим образом:

(5.1)

где , - скорость жидкости в ядре потока и пристенном слое.

При турбулентном обмене одновременно с переносом количества движения происходит также перенос теплоты на молекулярном уровне, т.е теплопроводностью:

(5.2)

где - температура жидкости в ядре потока и пристенном слое;

c_р –теплоемкость жидкости.

Выражая из уравнения (5.2) и переходя к величинам, отнесенным к единице поверхности теплоотдачи, получим связь между плотностью теплового потока и касательными напряжениями трения:

(5.3)

где τ – напряжение трения.

Рассматривая передачу тепла теплопроводностью через ламинарный пограничный слой, получим:

(5.4)

где λ – теплопроводность жидкости;

δ – толщина пристенного слоя;

– температура поверхности греющей стенки.

Если считать распределение W(X) линейным, то

(5.5)

Определим толщину пристенного слоя и получим соотношение для плотности теплового потока через пристенный слой:

(5.6)

подставив (5.6) в выражение (5.4):

(5.7)

где μ – вязкость жидкости.

Перепишем выражения (5.3) и (5.7) в виде:

(5.8)

(5.9)

Складывая (5.8) и (5.9), получим:

(5.10)

Выразим коэффициент теплоотдачи

(5.11)

Из уравнения (5.11) видно, что коэффициент теплоотдачи зависит от свойств жидкости режима движения, то есть является функцией критериев Рейнольдса и Прандтля. Выразим касательные напряжения через потерю давления на трение для круглой трубы диаметром d и длиной dl.

(5.12)

где величина потерь напора на трение в соответствии с формулой Дарси-Вейсбаха:

(5.13)

где ρ – плотность жидкости;

- коэффициент трения.

Подставляя (5.13) в (5.12), имеем выражение для касательного напряжения в круглой трубе

(5.14)

согласно опытных данных:

(5.15)

Подставив (5.14) в (5.11), получим

(5.16)

или

(5.17)

Критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи, может быть записано в виде

(5.18)

В расчетной практике широко используется зависимость (формула Михеева):

(5.19)

При нагревании жидкости, т.е. в условиях лабораторной работы, интенсивность теплоотдачи выше, чем при обратном направлении теплового потока. Кроме того, теплоотдача несколько зависит еще от температурного напора, а следовательно, и от тепловой нагрузки поверхности нагрева. С увеличением теплоотдача при нагревании жидкости возрастает. Зависимость теплоотдачи от величины и направления обуславливается различием температурного поля, поля вязкости и толщины пристенного слоя. Эта зависимость учитывается сомножителем в формуле (5.19).

Формула (5.19) применима лишь для длинных труб и каналов, когда отношение длины L к эквивалентному диаметру больше 50. Для коротких труб теплоотдача несколько выше, что особенно заметно при числах Re>10⁶. При наличии в трубе поворотов возникающий центробежный эффект вызывает не только локальное увеличение теплоотдачи, но и влияет на теплообмен дальше по течению.