Описание экспериментальной установки. Основные положения

Основные положения

Процесс теплообмена при кипении является исключительно интенсивным и находит широкое применение в различных областях современной техники. Для возникновения процесса кипения необходимы, по крайней мере, два условия: должны быть в наличии центры парообразования и температура жидкости должна превышать температуру насыщения. Центрами парообразования могут служить впадины на поверхности нагрева, пузырьки газа, твердые частицы в объеме жидкости и т. д.

Различают кипение в большом объеме, т. е. в условиях естественной конвекции, и при вынужденном движении жидкости. В настоящей лабораторной работе изучается теплообмен при кипении в большом объеме. На рис. 1 показана полученная в опытах характерная зависимость плотности теплового потока от температурного напора. При небольших температурных напорах (участок АБ) прогрев жидкости недостаточен для образования активной паровой фазы и теплообмен осуществляется за счет естественной конвекции. С увеличением температурного напора появляются пузырьки пара, наступает режим пузырькового кипения (участок БВ на кривой кипения). Рост температурного напора в этом режиме ведет к увеличению количества активных центров парообразования, большей частоте отрыва пузырьков пара от поверхности. При этом резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Коэффициент теплоотдачи в случае кипения воды в большом объеме можно определить по формуле

,

где q – тепловой поток, Вт/м²

p – давление, кПа

Дальнейшее увеличение температурного напора приводит к росту количества пара и жидкость на отдельных участках начинает оттесняться от поверхности, отвод теплоты при этом ухудшается (участок В Г), так как теплопроводность пара значительно ниже, чем теплопроводность жидкости. При значении температурного напора, соответствующем точке Г, тепловой поток достигает минимума и на всей поверхности устанавливается пленочное кипение. Участок В-Г соответствует так называемой области переходного кипения. Переход от пузырькового кипения к пленочному (и наоборот) имеет большое практическое значение при выборе оптимальных температурных режимов работы теплообменных аппаратов.

Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении позволяет отвести от поверхности нагрева значительные тепловые потоки при относительно небольших температурных напорах между стенкой и жидкостью.

Рисунок 1. Зависимость плотности теплового потока от температурного напора при кипении в большом объеме и зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при кипении в большом объеме

Кривая OA соответствует режиму пузырькового кипения, кривая БГ — режиму пленочного кипения. Точка А определяет критические параметры. Если тепловая нагрузка превышает критическую, наблюдается резкий переход от пузырькового режима кипения к пленочному, причем теплоотдача резко уменьшается (линия АВ). Однако возврат к режиму пузырькового кипения происходит при значительно меньших тепловых нагрузках (точка Б и линия БД), т. е. опыты обнаруживают гистерезис при переходе от пленочного кипения к пузырьковому.

Изменение механизма (закономерностей) теплоотдачи в начале перехода от пузырькового кипения к пленочному или обратно к пузырьковому называется кризисом теплоотдачи при кипении. Максимально возможная плотность теплового потока при пузырьковом кипении называется первой критической плотностью теплового потока. Если тепловой поток имеет плотность, превышающую значение первой критической, то чистая форма пузырькового кипения невозможна.

Рассмотренные режимы теплообмена соответствуют условиям кипения насыщенной жидкости. На практике приходится встречаться и с кипением жидкости в случае, когда ее температура вне слоя, прилегающего к поверхности нагрева, ниже температуры насыщения. Такой процесс называется кипением жидкости с недогревом или поверхностным кипением и чаще имеет место при вынужденном течении жидкости в каналах.

Описание экспериментальной установки

Лабораторная установка для изучения кипения состоит из основания с закрепленной на ней лицевой панели. На стенде установлены емкость с нагревателем (6), вытяжной вентилятор (2) для удаления влажного воздуха, двухканальный измеритель температуры (1) и тиристорный регулятор мощности с аналоговым управлением (5).

Температуру нагревателя измеряет хромель-алюмелевая термопара, закрепленная на нем. Аналогично, температуру воды измеряет герметичная термопара, закрепленная в крышке емкости.

Рисунок 2 - Схема установки.

1 – двухканальный измеритель-регулятор температуры ТРМ202, 2 – вытяжной вентилятор, 3 – автоматический выключатель, 4 – кнопки управления (не задействованы), 5 – тиристорный регулятор мощности, 6 – емкость нагрева воды, 7 – термопары, установленные на нагревателе и внутри емкости.

Рисунок 3 – электрическая схема стенда

XP1 – вилка для подключения стенда к сети 220 В / 50 Гц, заземление обязательно!

XP2 – вилка USB для подключения к компьютеру (протокол USB 1.1)

XS1 – розетка для подключения дополнительных приборов к сети 220 В / 50 Гц, располагается сзади стенда в белом коробе. Максимальная мощность 1,5 кВт. Используется для подключения компьютера (ноутбука) при работе со стендом.

S1 – автоматический однофазный выключатель, мощность 6А (10А, 16А или 25А) в зависимости от модели стенда. Установлен на лицевой панели стенда.

S2 – выключатель подачи питания к вытяжному вентиляторы со встроенным индикатором (светодиод). На стенде расположен в лицевой панели с обозначением ВК1.

La1 – индикаторная лампа, загорается при подаче к стенду питания 220В с помощью автоматического выключателя S1.

R1– нагреватель, мощностью 1500 Вт.

ТРМ 202 – измеритель сигналов с термопар. Передача данных осуществляется по протоколу RS 485 c последующим преобразованием (преобразователь АС-4) и передачи данных в компьютер по протоколу USB. Также производит аналоговое (4 – 20 мА) управление регулятором мощности.

Wr – тиристорный регулятор мощности, управляемый аналоговым сигналом,

Temp1…2 – термопары, установленные на нагревателе (красный дисплей ТРМ 202) и изолированная в воде (зеленый дисплей ТРМ 202).

3. Порядок проведения работы:

1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, готовую таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.

2. Заполнить емкость с нагревателем очищенной водой.

3. Включить компьютер и подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера.

4. Подключить стенд к сети 220 В и запустить его кнопкой «Сеть».

5. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной работы Пуск→ Программы→ MeasLAB→«Кипение». Кнопкой «Пуск» на лицевой панели включить программу измерений (рисунок 3).

Рисунок 3. Лицевая панель компьютерной системы измерения

6. Задать 20% нагрев с помощью регулятора на лицевой панели. Дождаться нагрева и занести данные в таблицу.

7. Постепенно увеличивая мощность наблюдать за процессами нагрева и кипения, одновременно записывая полученные данные в таблицу.

8. Отметить в процессе работы температуру нагревателя, при которой начинается пузырьковое, а далее пленочное кипение.

9. Охарактеризовать условия возникновения различных видов кипения.

10. Произвести расчет коэффициента теплоотдачи и сравнить с расчетным по теоретической формуле.

Таблица 6.1. Основные показатели исследованных режимов кипения

Расчет коэффициента теплоотдачи производится по формуле:

где r – радиус нагревателя, 120 мм,

Q – мощность выделяемая нагревателем, Вт, регулируется от 0 до 100 %.

R – сопротивление нагревателя, Ом =

– разность температуры стенки и воды, °С

Мощность подаваемая на нагреватель указана на регуляторе в программе эксперимента.

Контрольные вопросы

1. Что называется первой критической плотностью теплового потока?

2. Назовите условия, необходимые для возникновения процесса кипения?

3. Какие режимы кипения вы знаете?

4. В чем состоит гистерезис при переходе от пленочного кипения к пузырьковому?

5. Почему коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении ниже, чем при пузырьковом?

6. Что называется критической плотностью теплового потока?

7. Могут ли сосуществовать на поверхности нагрева пузырьковый и пленочный режимы кипения?

Литература

1. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче: Учеб. пособие/В. Н. Афанасьев, А. А. Афонин, С. И. Исаев и др.; Под ред. В.И. Крутова, Е. В. Шишова.—М.: Высш. шк„ 1988,—216 е.: ил.

2. Сборник трудов международной научной конференции ²Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и компьютерные технологии National Instruments ². - М.: РУДН, 2005.- 392 с.

3. Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств.- Орел .: Издательство ОрелГТУ, 2001.- 687с.

4. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987. – 496 с.

Поиск по сайту: