大容器内水沸腾放热试验.doc

大容器内水沸腾放热试验一、试验目的及要求通过本试验观察水在大容器内沸腾的现象，建立起水泡状沸腾的感性认识。改变试件的热负荷，同时测定加热功率及表面温度，以热负荷q温差(tw-ta)为坐标。即可绘制大容器内水泡状沸腾区的沸腾曲线。二、试验装置及基本原理图1为试验设备的本体，其试件为不锈钢壁管1其两端通过电极3引入低压直流大电流，给不锈钢管加热。热源管放在盛有蒸馏水的玻璃容器4中，在饱和温度下，调节电极管的电压，可改变热源管表面的热负荷，观察到汽泡的形成扩大、跃离过程，以及泡状核心随着热源管热负荷提高而增加的现象。图1 大容器内水沸腾放热试件本体1、不锈钢管试件 2、热电偶 3、电极管 4、玻璃容器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，为排除试件端部的影响在a、b两点测量热源管工作段的电压降，以确定通过a、b之间表面的散热量Q，试件外壁温度t2很难直接测定，不对不锈钢管试件，可利用插入管内的铜康铜热电偶2。测出管内温度t1，再通过计算求出t2（详见附录）。要达到上述基本要求，整个试验装置见图2。加在热源管两端的直流低压大电流由硅整流器2供给，发硅整流器的电压可调节钢管两端的电压及流过的电流，测定标准电阻3两端的电压降可确定流过钢管1的工作电流。本试验台中为方便起见，省略了冰瓶，测量管内壁温的热电偶的参考点温度不是摄氏零度，而是容器内水的饱和温度ts，即其热端C放在热源管内，冷端d则放在蒸馏水中，所以热电偶反映的是管内壁温度与容器内水温之差的热电势输出E（t1-t2），容器内水温ts用水银温度计测量。为了能用一台电位差计6同时测定管内壁热电偶的毫伏值；试件ab间电压降用标准电阻的电压降，并装一转换开关5，在测量试件ab间电压降时，由于电位差计量程不够，又在电路中接入一台分压箱4，为使蒸馏水达到饱和温度，试验前先用辅助电热器8将水加热到沸腾，并保持其沸腾状态，即可进行试验。参数单位试 件 编 号1#2#3#4#不锈钢管内半径mm1.021.5652.102.865钢管外半径mm1.2651.7652.253.015钢管壁厚qmm0.2450.200.150.15作泡状沸腾换热试验时，选用其中任何一种直径的不锈钢管皆可。三、试验步骤1、准备与启动a、按图2将试验装置测量线路接好，调整好电位差计，使其处于工作状态。b、玻璃容器内充蒸馏水至4/5高度。c、连接辅助电热器，逐渐加大工作电压。d、启动硅整流器，逐渐加大工作电压。2、观察大容器内水混腾的基本现象。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）。图2 大容器内水沸腾放热试验装置简图1、试件本体 2、硅整流器 3、标准电阻 4、分夺器5、转换开关 6、电位差计 7、冷却管 8、辅助加热管3、测定放热系数为了确定放热系数，需要测定下列参数（1）容器内水的饱和温度ts；（2）标准电阻两端电压降U1毫伏；（3）热源管ab间的电压降U伏。U=TU210-3其中：T分压箱倍率T=201；U2电流流过试件ab间的电压降经分压箱后测得的值，毫伏；（4）反映管内壁温度与容器内水温之差的热电势输出E(t1-t2)毫伏。为了测定不同热负荷下放热系数的变化，工作电流在30-100安培范围内改变，共测78个工况，每改变一个工况，待各读数稳定后，记录数据。4、试验结束前应将硅整流器旋至零值，然后切断电源。5、必要时可调换不同直径的不锈钢管，进行上述试验。为了得到管壁温度t，需要查热电偶的热电势与温度关系的曲线，由于热电偶的电势-温度关系并非直线，需按图3步骤，确定管内壁温度t。图3先根据温度计测得的饱和温度ts查热电偶的热电势与温度关系曲线或表得E(ts,0)，反映t的 然后由E(t,0)再查热电势与温度关系曲线或表得到t。四、计算公式1、电流流过热源管，在工作段ab间的发热量Q，按焦耳楞次定律： Q=IU （W）式中：I流过试件的电流（A），通过标准电阻3产生的电压降U1来计算。因为标准电阻标定150A/75mV，所以测得标准电阻3上每1mV电压降等2A的电流流过，即： I=2U1 （A）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的计算（详见附录）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：式中：不锈钢管导热系数=16.3(W/m)；Q工作段ab间的发热量（W）；L工作段ab间的长度（m）；计算系数4、泡态沸腾时放热系数在稳定情况下，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。因为 Q=F（t2-t1） (w)所以 =Q/Ft （W/m2） t=t2-t1 (C)五、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：进行比较，分析讨论系数Csf变化带来的影响。六、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，特别是电仪差计必须按操作步骤使用，以免破坏仪器。1、 为确保热源管不致烧毁，硅整流器的工作电流不得超过100安培，以防热管及硅整流器损坏。附表1 实验原始数据记录及参数计算项目序号物理量符号及计算公式工况单位工况123451沸腾水泡和温度Ts2标准电阻的两端电压降U1毫伏3试件ab间电压降经分压箱测得电压差U2毫伏4管内壁温与水温差的热电势看出E(t1-ts)毫伏5管内壁温度t1=E(t1,ts)+E(ts,0)6热源管工作电流I=2U1安培7热电管ab间的电压降V=tU2108热源管放热量Q=IUW9管外壁温度t2=t1-Q10热源管表面热负荷q=Q/FW/m211沸腾放热之差Dt=t2-tst=t2-ts12水沸腾放热热系数A=Q/FtW/m2所用试管编号试管直径：D2= 工作段长度：L= 工作段面积 F= 系数=附录：有热源的圆管，内壁绝热，外壁为对流换热条件下的室温。基本条件：（1）一维稳态导热； （2）有内热源，体积发热（量qV可看作常数）（3）外壁绝热（4）外壁为对流换热条件，各附号意义见图1。其导热微分方程为： （a）通解为： （b）边界条件：解得管壁中的温度分别为： （c）将r1、r2代入(c)式中则得到内、外壁温度：因为所以 (d)根据(a)式，通过测定管内壁温度t1，即可求得管外壁温度t2，由于(d)式中后面一项中除Q外，都是圆管的几何尺寸，为简化计算，引用，使(d)式简化为：t2=t1-Q式中系数附表