DB-DFR 大容器內(nèi)水沸騰放熱試驗(yàn)臺(tái)使用說(shuō)明書
液體沸騰時(shí)的傳熱是傳熱學(xué)科中的重要方面，特別是水的沸騰傳熱特性，不僅有其典型性，而且有更廣泛的實(shí)用意義。
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
通過(guò)本試驗(yàn)觀察水在大容器內(nèi)沸騰的現(xiàn)象，建立起水泡狀沸騰的感性認(rèn)識(shí)。改變?cè)嚰臒嶝?fù)荷，同時(shí)測(cè)定加熱功率及表面溫度，即可控制大容器內(nèi)水泡沸騰區(qū)的沸騰曲線q～⊿t。
二、實(shí)驗(yàn)原理
大容器沸騰換熱系數(shù)a由下式定義：
本試驗(yàn)裝置所用的試件是不銹鋼管，放在飽和溫度狀態(tài)下的蒸餾水中。利用電流流過(guò)不銹鋼管對(duì)其加熱，可以認(rèn)為這樣就構(gòu)成了表面有恒定熱流密度的圓管。測(cè)定流過(guò)不銹鋼圓管的電流及其兩端的電壓降即可準(zhǔn)確地確定表面的熱流密度。表面溫度的變化直接反映出表面放熱系數(shù)的大小。
三、實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)
圖1為試驗(yàn)設(shè)備的本體，其試件為不銹鋼薄壁管1。其兩端通過(guò)電極管3引入低壓直流大電流，將不銹鋼管加熱。管子放在盛有蒸餾水的玻璃容器4中，在飽和溫度下，調(diào)節(jié)電極管的電壓，可改變管子表面的熱負(fù)荷，能觀察到汽泡的形成，擴(kuò)大，躍離過(guò)程，泡狀核心隨著管子熱負(fù)荷提高而增加的現(xiàn)象。
管子的發(fā)熱量電流過(guò)它的電流及其工作段的電壓降來(lái)確定。為排除試件端部的影響，在a、b兩點(diǎn)測(cè)量工作段的電壓降，以確定通過(guò)a、b之間表面的散熱量Q。試件外壁溫度t2，很難直接測(cè)定，對(duì)不銹鋼管試件，可利用插入管內(nèi)的銅——康銅熱電偶2測(cè)出管內(nèi)壁溫度t1,再通過(guò)計(jì)算求出t2。
不銹鋼試件；2. 熱電偶；3. 電極管；4. 玻璃容器；
圖1 大容器內(nèi)水沸騰放熱試件本體
要達(dá)到上述基本要求，整個(gè)試驗(yàn)裝置見圖2
加在管子兩端的直流低壓大電流由硅整流器2供給，改變硅整流器的電壓可調(diào)節(jié)鋼管兩端的電壓及流過(guò)的電流，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)電阻3兩端的電壓降可確定流過(guò)銅管1的工作電源。
1、試件本體2、硅整流器3、標(biāo)準(zhǔn)電阻4、分壓箱5、轉(zhuǎn)換開關(guān)6、電砬差計(jì)
7、熱電偶熱端8、熱電偶冷端9、輔助電熱器10、冷卻管
圖2大容器內(nèi)水沸騰放熱試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
本試驗(yàn)臺(tái)中為方便起見，省略了冰瓶，測(cè)量管內(nèi)壁溫的熱電偶的參考點(diǎn)溫度不是攝氏零度，而是容器內(nèi)水的飽和溫度ts，即其熱端7放在管子內(nèi)，冷端3放在蒸餾水中，所以熱電偶反映的是管內(nèi)壁溫度與容器內(nèi)水溫之差的熱電勢(shì)輸出E（t1,t2）容器內(nèi)水溫ts用水銀溫度計(jì)測(cè)量。為了能用一臺(tái)電位差計(jì)6同時(shí)測(cè)定管內(nèi)壁熱電偶的毫伏值，試件ab間電壓降及標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降，裝有一轉(zhuǎn)換開關(guān)5。在測(cè)量試件ab間電壓降時(shí)，由于電位差計(jì)量程不夠，故在電路中接入一臺(tái)分壓箱4。為使蒸餾水達(dá)到飽和溫度，試驗(yàn)研究用輔助電熱器將水加熱到沸，并保持其沸騰狀態(tài)，即可進(jìn)行試驗(yàn)。
表1試件的幾何參數(shù)
| 參數(shù) | 單位 | 試件號(hào) | |||
| 1 | |||||
| 管子內(nèi)半徑 | mm | 2.2 | |||
| 管子外半徑 | mm | 3 | |||
| 管子壁厚δ | mm | 0.4 | |||
| 工作段ab間長(zhǎng)度L | m | 0.1 | |||
| 工作段外表面積F=2prL | ㎡ | ||||
 |
℃/W | ||||
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1、準(zhǔn)備與啟動(dòng)。按圖2將試驗(yàn)裝置測(cè)量線路接好，調(diào)整電位差計(jì)，使其處于工作狀態(tài)。玻璃容器內(nèi)充滿蒸餾水至4/5高度。接通輔助電熱器，將蒸餾水燒開，并維持其沸騰溫度。啟動(dòng)硅整流器，逐漸加大工作電流。
2、觀察大容器內(nèi)水沸騰的現(xiàn)象。
緩慢地加大管子的工作電流，注意觀察下列的沸騰現(xiàn)象，在鋼管的某些固定點(diǎn)上逐漸形成汽泡，并不斷擴(kuò)大，達(dá)到一定大小后， 汽泡躍離管壁，漸漸上升，最后離開水面。產(chǎn)生汽泡的固定點(diǎn)稱為汽化核心。汽泡躍離后，又有新的汽泡在該汽化核心產(chǎn)生。如此周而復(fù)始，有一定的周期。隨管子工作電流增加，熱負(fù)荷增大，管壁上汽化核心的數(shù)目增加，汽泡躍離的頻率也相應(yīng)加大。如熱負(fù)荷增大至一定程度后，能產(chǎn)生的汽泡就會(huì)在管壁逐漸形成連續(xù)的汽膜，就由液態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰過(guò)渡。此時(shí)壁溫會(huì)迅速升高，以至將管子燒毀。（因此，試驗(yàn)中工作電流水允許過(guò)高，以防出現(xiàn)膜態(tài)沸騰。）
3、測(cè)定放熱系數(shù)a
為了確定放熱系數(shù)a，需要測(cè)定下列參數(shù)
（1）容器內(nèi)水的飽和溫度t3， ℃；
（2）標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓降，V1, mV;
（3）管子工作段ab間的電壓降V, V;
（4）反映管內(nèi)壁溫度與容器內(nèi)水溫之差的熱電勢(shì)輸出E
為了測(cè)定不同熱負(fù)荷下放熱系數(shù)a的變化，工作電流在30—— 安培范圍內(nèi)改變，共7～8個(gè)工況。每改變一個(gè)工況，待穩(wěn)定后記錄上列數(shù)據(jù)。
4、試驗(yàn)結(jié)束前先將硅整流器旋至零值，然后切斷電源。
5、必要時(shí)可調(diào)換不同直徑的不銹鋼管子，進(jìn)行上述試驗(yàn)。
五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和整理
1、電流流過(guò)試驗(yàn)管，在工作段AB間的發(fā)熱量Qw
QwI×V W
式中：V —— 工作段ab間電壓降， V
I —— 流過(guò)試件的電流， A
電流由它流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻3產(chǎn)生的電壓降V1來(lái)計(jì)算。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電阻為150A/75mv,所以測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)電阻3上每1mv電壓降，等于有2A的電流流過(guò)，即
Im2×V1 A
電壓降由下式求得：
V=T×V1×10-³
其中：T —— 分壓箱倍率，T=201
V1 —— 試件ab間的電壓經(jīng)分壓箱后測(cè)得的值，mV
2、試件表面熱負(fù)荷q
q=Q/F W/㎡
式中：F —— 工作段ab間的表面積，㎡
3、管子外表面溫度t2的計(jì)算
試件為圓管時(shí)，按有內(nèi)熱源的長(zhǎng)圓管，其管外表面為對(duì)流放熱條件，管內(nèi)壁面絕熱時(shí)，根據(jù)管壁溫度可以計(jì)算外壁溫度：
4、泡態(tài)沸騰時(shí)放熱系數(shù)a
在穩(wěn)定情況下，電流流過(guò)試驗(yàn)管發(fā)生的熱量，全部通過(guò)外表面由水沸騰放熱而帶走。
a=Q/F⊿t=q/（t2-t1） W/m³K
六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求及注意事項(xiàng)
實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1、在方格紙上，以q為縱座標(biāo)、⊿t為橫座標(biāo)將各試驗(yàn)點(diǎn)繪出，并連成曲線。
2、將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與邏遜瑙整理推薦的泡態(tài)沸騰熱負(fù)荷q與溫差⊿t的關(guān)系式。
進(jìn)行比較，分析討論系數(shù)Cpt變化帶來(lái)的影響。
3、在方格紙上繪制a～⊿t曲線。
注意事項(xiàng)
1、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，了解整個(gè)試驗(yàn)裝置各個(gè)部件，并熟悉儀表的使用，特別是電位差計(jì)，必須按操作步驟使用，以免損壞儀器。
2、為確保試驗(yàn)管不致燒毀，硅整流器的工作電流不得超過(guò) 100A，以防試驗(yàn)管及硅整流器損壞。
表2實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)計(jì)算
|
項(xiàng)目 序號(hào) |
參數(shù) | 符號(hào)及計(jì)算公式 |
工況 單位 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1 | 沸騰水飽和溫度 | ℃ | |||||||||
| 2 | 管內(nèi)壁溫與水溫之差的熱電勢(shì)輸出 | E（t1,t2） | mV | ||||||||
| 3 | 試件ab間電壓經(jīng)分壓后測(cè)得的值 | V2 | mV | ||||||||
| 4 | 標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓降 | V1 | mV | ||||||||
| 5 | 管內(nèi)壁溫度 | t1 | ℃ | ||||||||
| 6 | 管子ab間電壓降 | V=T×V2×10-³ | V | ||||||||
| 7 | 管子工作電流 | I=2×V1 | A | ||||||||
| 8 | 管子放熱量 | Q=V×I | W | ||||||||
| 9 | 管子外壁溫度 | t2= t1-Q | ℃ | ||||||||
| 10 | 管子表面熱負(fù)荷 | q=Q/F | W/㎡ | ||||||||
| 11 | 沸騰放熱溫差 | ⊿t= | ℃ | ||||||||
| 12 | 水沸騰放熱系數(shù) | a=Q/ F⊿t | W/㎡℃ |
試驗(yàn)管直徑：D2= 系數(shù)：
工作段長(zhǎng)度L= 最大允許工作電流
工作段一表面積F=