Лобасова М.С. Тепломассообмен. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 41

ную оболочку из нержавеющей стали, внутри которой запрессован медный

цилиндр.

Рис. 8. Внешний вид установки

Подготовка установки к работе:

1. Заземлить установку с помощью винта заземления, находящегося на

задней панели установки.

2. Залить дистиллированную воду в стеклянную емкость 9 до отметки,

обозначенной на стенке емкости, через виниловую трубку 20. Уровень воды

в стеклянной емкости должен находиться на расстоянии 4 – 5 сантиметров от

верхней крышки емкости.

3. Подключить установку к евророзетке через евровилку. Проверить за-

земление установки с помощью тестера.

1. Включить установку тумблером «Сеть» 1.

2. Включить тумблером 2 электропитание диммеров установки.

3. Поместить в электрическую печь 7 образец 11 с помощью ползунка

12. Нижнее основание цилиндрического образца должно находиться на уров-

не нижнего основания печи.

4. Включить диммером 10 «Нагрев воды», нагреватель стеклянной ем-

кости 9. Включение диммера производить в следующем порядке: нажать

правую сторону клавиши диммера, при этом должна отключиться неоновая

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 42

лампочка клавиши, повернуть со щелчком круглый регулятор мощности

диммера по часовой стрелке.

5. Включить вентилятор 17 с помощью тумблера 16.

6. Включить электропитание печи 7, с помощью диммера 8 «Нагрев

образца». Включение диммера производить в следующем порядке: нажать

правую сторону клавиши диммера, при этом должна отключиться неоновая

лампочка клавиши, повернуть со щелчком круглый регулятор мощности

диммера по часовой стрелке.

7. Установить регулятор мощности диммера 10 в среднее положение.

8. Включить измерители температуры 5 и 6 с помощью тумблеров 3

и 4.

9. Нагреть воду в емкости 9 до кипения, контролируя её температуру с

помощью измерителя 6. При вскипании жидкости в емкости уменьшить

мощность нагревателя с помощью диммера 10 поворотом его круглой ручки

против часовой стрелки до щелчка. В дальнейшем необходимо поддерживать

температуру воды в емкости на уровне 95–98 градусов, периодическим

включением диммера поворотом ручки.

10. Нагреть образец 11 до температуры 450 °С, контролируя темпера-

туру по измерителю температуры 5. При достижении данной температуры

выключить нагреватель печи с помощью диммера 8 поворотом его круглой

ручки против часовой стрелки до щелчка.

11. С помощью ползунка 12 опустить образец 11 в воду на глубину, ус-

тановленную с помощью фиксатора 19 (15 – 35 мм).

12. Произвести отсчет показаний термопар 13 и 14 с помощью измери-

теля температуры 5 через равные промежутки времени (2 – 5 секунд).

13. Охладить образец 11 до температуры жидкости в емкости 9.

14. С помощью клавиш диммеров 8 и 10 отключить нагреватели печи и

емкости.

15. С помощью тумблера 2 отключить электропитание диммеров

8 и 10.

16. С помощью тумблеров 3 и 4 отключить электропитание измерите-

лей температуры 5 и 6.

17. С помощью тумблера 1 отключить электропитание установки.

Из экспериментальных данных определяется величина темпа охлажде-

ния на участке пленочного кипения. Если температура ампулы есть функция

времени

t = f (τ), тогда

( ) ( )

ln ln

ττ

ϑ− ϑ

τ −τ

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 43

где

, 100 °C;

ttt

ττ

ϑ= − =

– температура ампулы (в градусах Цельсия) в

момент времени τ.

Нагретая ампула погружается в кипящую воду на глубину 10 – 35 мм в

зависимости от того, какой продолжительности должен быть эксперимент.

Величина глубины погружения определяет площадь поверхности теплообме-

на, а соответственно, и интенсивность отвода тепла от образца. Если h – глу-

бина погружения образца, тогда площадь поверхности теплообмена склады-

вается из двух составляющих:

FFF= +

где

=π⋅ ⋅F dh

;

0,25= ⋅π⋅Fd

;

d – внешний диаметр ампулы (25 мм)

(индексом 1 обозначена поверхность, образованная боковой поверхностью

ампулы, погруженной на глубину

h, а индекс 2 соответствует поверхности

дна ампулы).

На участке пленочного кипения темп охлаждения сохраняется посто-

янным вне зависимости от выбранных моментов времени

и τ

Удельные теплоемкости материалов ампулы равны:

для меди

390Дж/(кг К);

c = ⋅

для стали

510Дж/(кг К)

c = ⋅

Масса меди составляет 200 г, стали – 75 г.

Экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи находится по

формуле

α=

где С – полная теплоемкость ампулы;

ψ – коэффициент неравномерности

распределения температур в теле, принимает значения от 0 до 1. Поскольку

термическое сопротивление пленки пара много больше, чем у составляющих

ампулы, то можно принять (

ψ = 1). Из-за малости рабочего участка в данной

установке реализуется ламинарное течение паровой пленки.

Базируясь на предположении, что толщина паровой пленки есть тол-

щина пограничного слоя и решая уравнения стационарной теплопроводно-

сти, для ламинарного движения пленки Нуссельтом была получена теорети

ческая формула для нахождения коэффициента теплоотдачи:

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 44

( )

п жп

п0

λ ⋅ ⋅ ⋅ ρ −ρ

α= ⋅

⋅ ⋅∆

где

– теплопроводность пара (при р = 1 бар λ

= 2,372⋅10

-2

Вт/(м·К));

– кинематическая вязкость пара (при р = 1 бар ν

= 20,02⋅10

-6

/с);

r – удельная теплота парообразования (при р =

бар r = 2256,8 кДж/кг);

g – ускорение свободного падения (9,80 м/c

);

– плотность насыщенного пара (при р = 1 бар ρ

= 0,598 кг/м

);

– плотность насыщенной жидкости (при р = 1 бар ρ

= 958,4 кг/м

);

– характерный размер поверхности теплообмена (в случае дна l

= d;

в случае боковой поверхности

= h);

– поправочный коэффициент на расположение поверхности (в слу-

чае горизонтальной поверхности

= 0,72, в случае вертикальной

= 0,943);

Δt – разница температур между поверхностью теплообмена и жидко-

стью, в которую она погружена:

c s

∆= −tt t

где t

можно (учитывая малую толщину стенки ампулы) в первом приближе-

нии принять равной температуре на её внутренней поверхности.

внеш

=tt

где

внеш

– температура внешней термопары, заключенной между медной

болванкой и стальным корпусом.

Чтобы найти средний коэффициент теплоотдачи по всей поверхности

ампулы, необходимо сложить теплоотдачи по поверхностям, предварительно

соотнося их к долям этих поверхностей от общей поверхности ампулы:

бок дно

α=α +α

Получившиеся результаты не должны расходиться более чем на 5 %.

Для оценки величины плотности теплового потока используется соот-

ношение

( )

Ct t

ττ

−

τ −τ ⋅

где изменение температур во времени на коротком участке можно описать

линейными функциями

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 45

внутр внеш

ττ

индексы «внутр» и «внеш» соответствуют термопарам, заключенным в цен-

тре и на поверхности медной болванки.

Вторая критическая плотность теплового потока экспериментально

оценивается следующим образом. Температура предельного перегрева жид-

кости, как и температура насыщения, является функцией только давления:

( )

пр

300 0,33 1tp=+−

где p – давление в барах.

По найденной температуре предельного перегрева жидкости оценива-

ется величина критического температурного напора:

( )

кр2 пр

0,9

t tt∆= −

После этого по закону Ньютона – Рихмана можно записать:

кр2 кр2 кр2

qt=α∆

где

кр2

соответствует значению коэффициента теплоотдачи, полученному

в результате эксперимента. При необходимости полученный результат мож-

но сравнить с теоретическим соотношением, полученным С. С. Кутателадзе:

( )

жп

кр2 п

0,14

σ⋅ ⋅ ρ −ρ

= ρ⋅

где σ – коэффициент поверхностного натяжения (при нормальном давлении

σ = 5,886⋅10

–2

Н/м).

Экспериментальная установка оснащена системой автоматического

сбора и обработки данных измерений, работающей под управлением персо-

нального компьютера. На защите лабораторной работы необходимо предста-

вить файл в формате Excel, содержащий данные измерений и результаты их

обработки.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 46

Основные:

1. Дайте определение процесса кипения.

2. Чем определяется температура кипения жидкости?

3. Какие физические величины необходимо измерить в ходе выполне-

ния работы?

4. Какой метод измерения температур используется в данной лабора-

торной установке?

5. С какой целью проводится предварительный нагрев воды до точки

кипения?

Дополнительные:

6. Какие типы теплопередачи реализуются в данной установке?

7. Опишите явление кризиса теплоотдачи при кипении.

8. Что называется первым (вторым) критическим температурным напо-

ром?

9. С какой целью нагреваемый образец выполняется из меди?

10. Какие теплофизические свойства вещества влияют на коэффициент

теплоотдачи при пленочном кипении?

Основные:

1. Опишите визуальные признаки пленочного и пузырькового режимов

кипения.

2. Реализуется ли регулярный режим охлаждения образца в пленочном

режиме кипения? Обоснуйте данными измерений.

3. Реализуется ли регулярный режим охлаждения образца в пузырько-

вом режиме кипения? Обоснуйте данными измерений.

4. Перечислите инструментальные погрешности, присущие данной

экспериментальной установке. Назовите наиболее существенные из них.

5. Перечислите погрешности метода определения коэффициента тепло-

отдачи. Назовите наиболее существенные из них.

Дополнительные:

6. Наблюдалось ли на поверхности образца сосуществование пленочно-

го и пузырькового режимов кипения?

7. Возможно ли по данным измерений определить (либо грубо оценить)

величину коэффициента теплоотдачи в режиме пузырькового кипения?

8. В чем состоит явление гистерезиса при переходе от пленочного ре-

жима кипения к пузырьковому?

9. Оцените влияние неоднородности температуры образца на опреде-

ляемую величину коэффициента теплоотдачи.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 47

10. Перечислите погрешности, связанные с неидеальностью реализации

метода измерения коэффициента теплоотдачи. Назовите наиболее сущест-

венные из них.

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 48

Цель работы: изучение радиационного теплообмена на предмете теп-

лового излучения с поверхности металлической проволоки в вакууме.

Задачи работы: освоение методики определения температуры провод-

ника на основе данных о его сопротивлении; определение интегральной сте-

пени черноты металла в зависимости от температуры.

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Полное количество

энергии, излучаемой в единицу времени единицей площади поверхности аб-

солютно черного тела (такого тела, которое поглощает всю падающую на не-

го энергию), определяется законом Стефана–Больцмана:

ET= σ

Величина

называется интегральной плотностью потока излучения абсо-

лютно черного тела. Величина н

азывается посто-

янной Стефана–Больцмана.

Абсолютно черные тела являются идеализацией; реальные тела всегда

обладают некоторым конечным коэффициентом поглощения, зависящим от

длины волны. Во многих случаях можно считать, что коэффициент поглоще-

ния не зависит от длины волны. В таких случаях говорят, что действует при-

ближение «серого тела», характеристикой которого является доля поглощае-

мой энергии, приходящей на поверхность в виде электромагнитных волн. Эта

доля иначе называется степенью черноты и обозначается

. Для серых тел

закон Стефана–Больцмана принимает вид

EE T= ε = εσ

Если тело окружено со всех сторон другим телом (далее будем назы-

вать его оболочкой), то оболочка создает падающий на тело поток излучения.

Результирующий поток энергии рассчитывается по формуле

( )

1,2 1

1 12 2 1

1 11

−

= σ

ε+ ε− ε

, (16)

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа 6 Исследование теплообмена излучением

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 49

,TT

– температуры тела и оболочки;

,FF

– площади их поверхности,

,εε

– степени черноты. Если площадь поверхности тела много меньше

площади поверхности оболочки, уравнение (16)

принимает вид

( )

1,2 1 1 2 1

Q FTT=σε −

. (17)

Исходя из формулы (17), можно определить степень черноты тела при из-

вестных температурах тела и оболочки и потоке энергии.

Схема экспериментальной установки, принципиальная схема рабочего

участка и электрическая схема питания и измерений и приведены на рис. 9

На передней панели находится двухканальный измеритель температуры 2

типа 2ТРМО, подключённый к хромель-копелевой термопаре, универсаль-

ный вольтметр 1 типа MY-67 с автоматическим переключением пределов из-

мерений, тумблер электропитания установки 3, разъёмы (

V) для подключе-

ния вольтметра 1, тумблер 5 для переключения вольтметра на измерение па-

дения напряжения на образцовом сопротивлении (

) и напряжения на

вольфрамовой проволоке (

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа 6 Исследование теплообмена излучением

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 50

Рис. 9. Общий вид установки и измерительной системы

Нагреваемая вольфрамовая проволока-нить 7 находится в цилиндриче-

ском стеклянном баллоне 8 с двойными стенками, между которыми находит-

ся вода. Внутренняя трубка вакуумирована до 10

-5

мм рт.ст. Температура

стенки этой трубки

считается равной температуре воды, циркулирующей

между двойными стенками и постоянной в течение опыта. Она определяется

хромель-копелевой термопарой 9, соединённой с измерителем температуры

2. Баллон с нитью укреплен в модуле 6, который находится на лабораторном

стенде. Электропитание к вольфрамовой проволоке подводится внутри уста-

новки от источника питания 4 . Последовательно с вольфрамовой проволокой

включено образцовое сопротивление (

) для определения величины элек-

трического тока в цепи по измеренному значению падения напряжения на R

Для измерения напряжения на вольфрамовой проволоке

и напряжения на

образцовом сопротивлении

к разъёмам V подключается мультиметр 1.

Перед выполнением работы измерить мультиметром (в режиме изме-

рения сопротивления) электрическое сопротивление вольфрамовой проволо-

ки

при комнатной температуре t

1. Записать данные установки, условия опыта.

2. Убедиться в том, что все приборы выключены. Повернуть регулятор

напряжения блока питания против часовой стрелки до упора. Включить

стенд тумблером 3. Включить источник питания 4, мультиметр 1 и измери-

тель температуры 2.

3. Определить (задаёт преподаватель) значения напряжений, при кото-

рых проводятся измерения. Рекомендуемые значения напряжений, устанав-

ливаемые на блоке питания: 6, 8, 10, 12, 16 вольт.

4. Переключить тумблер 5 в положение

. Установить первое значе-

ние напряжения на нити, следя за показаниями вольтметра. Произвести от-

счет напряжения на нити

н1

5. Переключить тумблер 5 в положение

. Произвести отсчет напря-

жения на образцовом сопротивлении

6. Определить температуру стенки трубки

по показаниям измерителя

температур 2.

7. Пункты 4 и 5 повторить для следующих значений напряжений, уста-

навливаемых на нити.

8. Убрать напряжение на нити. Выключить приборы и стенд.