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沸腾放热现象规律及放热系数实验

一、试验目的
1.观察水在大容器内沸腾的现象,加深对泡状沸腾的认识。
2.测定水泡状沸腾放热时的放热系数,绘制大容器内水泡状沸腾的换热特性曲线(q—沸腾放热现象规律及放热系数实验曲线)
3.通过数据处理,了解大容器内水沸腾换热的规律。
二、实验原理
在盛满蒸馏水的大容器内,使水达到饱和温度后对试件通电加热,试件表面上不断产生气泡和跃离,形成稳定的泡状沸腾换热现象。当改变加热功率时,就改变了热源管表面的热负荷,可以观察到气泡的形成,扩大和跃离过程以及泡状核心随着试件热负荷提高而增加的现象。如热负荷增大至一定程度后,所产生的气泡在管壁面逐渐形成连续的汽膜,就由泡态沸腾向膜态沸腾过渡。此时壁温会迅速升高,以至会将试件烧毁。测出泡状沸腾时的加热功率及试件壁温,可以得出泡状沸腾时壁面温度与水饱和温度之差随热负荷变化的曲线,计算出泡状沸腾放热系数。

试件参数 单位 沸腾放热现象规律及放热系数实验 沸腾放热现象规律及放热系数实验
管子内径沸腾放热现象规律及放热系数实验 mm 2.6 6.0
管子外径沸腾放热现象规律及放热系数实验 mm 3.0 5.4
管子壁厚δ mm 0.2 0.3
工作段长度L m 0.14 0.14
热源管的发热量由流过它的电流及其工作段的电压降来确定,在试件两端测量热电压降,电流与该电压降相乘得到的功率值,就是试件表面的散热量Q。
试件外壁温度t2很难直接测定,对不锈钢管试件,可利用插入管内热电偶测出管内温度t1,再通过计算求出t2。
三、试验装置(见附图)
试验装置主要包括玻璃大容器、试件,大功率直流电源、辅助加热装置及测量系统。试件由不锈钢管制成,其两端通过电极引入低压大电流加热。为了便于观察,热源管放在盛有蒸馏水的玻璃容器中。低压大电流由功率直流电源提供,热源管的发热量由流过热源管的电流和工作段两端的电压来确定。热源管内壁温度和水的饱和温度由热电偶测量,外壁温度通过计算得到。
为使蒸馏水达到饱和温度,试验前先用辅助电热器将水加热到沸腾,并保持其沸腾状态,即可进行试验。作泡状沸腾换热试验时,可选用下表中不同直径的不锈钢管。
沸腾放热现象规律及放热系数实验
四、试验步骤
1、玻璃容器内充蒸馏水至4/5高度;将试验装置测量线路接好,接通工作电源。
2、辅助电热器通电,当容器中水沸腾后,调节降低工作电压,使沸腾缓慢,以便能清晰观察试件。
3、观察大容器内水沸腾的基本现象。启动功率直流稳压电源,缓慢地加大热源管的工作电流,注意观察下列的沸腾现象:
a、在钢管的某些固定点上逐渐形成气泡,并不断扩大,达到一定大小后,汽泡跃离管壁,渐渐上升,最后离开水面,产生汽泡的固定点称为汽化核心,汽泡跃离后,又有新的汽泡在住房汽化核心产生,如此再而复始,有一定的周期。
b、随热源管工作电流增加,热负荷加大,管壁上汽化核心的数目增加,汽泡跃离的频率也相应加大。
c、如热负荷增大至一定程度后,所产生的汽泡就会在管壁面逐渐形成连续的汽膜,由泡态沸腾向膜态沸腾过渡,此时壁温会迅速升高,以至将钢管烧毁(因此,本试验工作电流不允许超过100安培)。
d、为了测定不同热负荷下放热系数α的变化,工作电流在50-98安培范围内改变,共测7~8个工况,每改变一个工况,待各读数稳定后,记录数据。
e、调换不同直径的不锈钢管,进行上述试验。
f、试验结束前应将功率直流稳压电源旋至零值,然后切断电源。
五、数据整理与计算
1、电流流过热源管,在工作段ab间的发热量Q:
Q=I×U (W)
式中:I—流过试件的电流(A)
U——工作段ab间电压(V)
2、试件表面热负荷q:
q=Q/F (W/m2)
式中:F——工作段ab间的表面积(m2)
3、钢管外表面温度t2
试件为圆管时,按有内热源的长圆管,其管外表面为对流放热条件,管内壁面绝热时,根据管内温度可以计算外壁温度:
沸腾放热现象规律及放热系数实验
式中:λ—不锈钢管导热系数λ=16.3(W/m℃);
L—工作段ab长度(m);
ξ—计算系数
沸腾放热现象规律及放热系数实验

4、泡态沸腾时放热系数α
在稳定情况下,电流流过热源管发生的热量全部通过外表面由水沸腾换热而带走,即: Q=Fα(t2-ts) (w)
所以 α=Q/F△t(W/m2℃)
△t=t2-ts (C)
六、实验报告要求
1、在方格纸上,以q为纵坐标,△t为横坐标将各测试点绘出,并连成曲线。
2、将实验结果与逻逊瑙整理推荐的泡态沸腾热负荷q与温度△t的关系式:
沸腾放热现象规律及放热系数实验


进行比较,分析讨论系数Csf变化带来的影响。
实验原始数据记录及参数计算
试验管直径:D2= 工作段长度:L=
工作段面积 F= 系数ξ=

项目
序号
物理量 符号及计算公式 工况
单位
工况
1 2 3 4 5
1 沸腾水饱和温度 Ts          
3 试件ab间电压降 U          
5 管内壁温度 t1          
6 热源管工作电流 I 安培          
8 热源管放热量 Q=I×U W          
9 管外壁温度 t2=t1-ζQ          
10 热源管表面热负荷 q=Q/F W/m2          
11 沸腾放热之差 △t=t2-ts          
12 水沸腾放热系数 α=Q/F△t W/m2℃          
 
七、注意事项
1、预习实验报告,了解整个实验装置各个部件,并熟悉仪表的使用,以免损坏仪器。
2、为确保热源管不致烧毁,工作电流不得超过100安培,以防实验管及功率电源损坏。


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