Схема экспериментальной установки и методика измерений

      Схема экспериментальной установки приведена на Рис.1. На передней панели находятся два двухканальных измерителя температуры типа 2ТРМО (или ТРМ200), один из которых 1 подключён к хромель-копелевой термопаре 3, измеряющий температуру поверхности цилиндра t₁ в верхней точке, а другой 2 подключён к термопаре, измеряющей температуру поверхности медного цилиндра 7 в нижней точке t₂ , и температуру среды t_3. На передней панели установки находится тумблёр электропитания установки 5, гнёзда (V) для подключения вольтметра, тумблёр 6 для переключения вольтметра на измерение падения напряжения на образцовом сопротивлении Uо и напряжения на нагревателе цилиндра Uн. На Рис.2 приведена принципиальная схема рабочего участка, электрическая схема питания и измерений. Нагреваемый медный цилиндр 7 находится в стеклянной ёмкости 8, в которую также помещен электрический водоподогреватель 9, питающийся от регулятора мощности 10. Внутри медноого цилиндра находится нагревательный элемент, соединённый с лабораторным автотрансформатором 12 через кабель 11. В цепь, последовательно с элементом, включено образцовое сопротивление Rо для определения величины электрического тока в цепи по измеренному значению падения напряжения на Ro. Предварительный подогрев воды до 95^oC в ёмкости 8 производится водоподогревателем 9.

               

Расчетные формулы.

            При пузырьковом кипении воды в атмосферных условиях различают две области кипения. В первой области при малых температурных напорах (Dt ≤ 5 ^oC) значения коэффициента теплоотдачи невелики и определяются условиями свободной конвекции однофазной жидкости. Во второй области при повышенных температурных напорах         (5 ^oC ≤ Dt ≤ 25^oC) коэффициент теплоотдачи значительно возрастает. Это связано с интенсивной конвекцией жидкости вследствие роста и движения паровых пузырей. Для воды в диапазоне давлений р/р_кр ≤ 0,18 применяются зависимости полученные из опытных данных:

                        a = 3,0 q ^0,7 p ^0,15;                                      (1)

                        a = 38,7Dt ^2,33 p ^0,5 ,                                  (2)

где [ q ] = Вт/м и [ p ] = бар.

       Экспериментально средний коэффициент теплоотдачи между поверхностью обогреваемой пластины и кипящей водой определяется из соотношения:

                           a = Q/[F (t_С-t_Ж)],                                   (3)

где Q – тепловой поток, передаваемый от поверхности пластины к воде, Вт; F – площадь поверхности пластины, м³; t_С  - средняя температура этой поверхности; t_Ж - температура жидкости. Тепловой поток определяется по мощности, потребляемой нагреваемой пластины:

                                     Q = U_R (U_o/R_o),                                    (4)

где Uн - напряжения на нагревателе пластины, В; Uо - падение напряжения на образцовом сопротивлении Ro, мВ.           

Подготовка установки к работе.

1. Удалить упаковочные материалы.

2. Заполнить дистиллированной водой стеклянную ёмкость 8, через виниловую трубку, расположенную на задней панели установки, так чтобы медный цилиндр 7 был погружен в воду на достаточную глубину (40-50 мм.).

3. Убедиться в том, что термоэлектроды термопар подсоединены к измерителю температуры электроподводы к нагревателю надёжно изолированы. Поставить боковое защитное стекло и верхнюю крышку установки (13).

4. Подключить ВХОД на ЛАТР к розетке 220 В, находящейся на задней панели установки.

5. Подсоединить к РЕГУЛИРУЕМОМУ ВЫХОДУ ЛАТРа токоподводы нагревателя медного цилиндра (на задней панели установки). Заземлить установку и ЛАТР. 

Порядок выполнения работы.

1. Записать данные установки, условия опыта.

2. Убедиться в том, что все приборы выключены. Повернуть регулятор напряжения ЛАТРа против часовой стрелки до упора. Подсоединить клеммы регулируемого выходного напряжения ЛАТРа к проводам нагревательного элемента (маркировка на задней панели установки). Подключить вилку сетевого шнура ЛАТРа к сетевой розетке, расположенной на задней панели установки. Подключить мультиметр к установке через разъёмы V на передней панели.

3. Включить стенд тумблером 5 и измерители температуры 1и 2.

4. Включить регулятор температуры 10 водоподогревателя, поворотом ручки по часовой стрелке на ½ оборота.

5. Через 5-6 минут вода в стеклянной ёмкости должна нагреться до 95 ^oC. Процесс нагрева воды в стеклянной ёмкости контролировать по измерителю температуры 2 (3-я термопара). При показании температуры воды t₃>80 C включить вентилятор, расположенный на задней панели установки, тумблером с подписью «ВЕНТИЛЯТОР».

Не доводить до кипения воду. Следить за тем, чтобы уровень воды в стеклянной емкости не уменьшался.

6. Переключателем мультиметра установить его на измерение переменного напряжения (см. инструкцию). Переключить тумблер 6 на измерение U_Н – напряжения на нагревательном элементе.

7. Установить выходное напряжение на ЛАТРе 60В и постепенно его увеличивая (но не более 180 В) довести до режима пузырькового кипения воду на поверхности медного цилиндра 7.

8. С помощью двух включённых нагревателей выйти на режим пузырькового кипения, наблюдая этот процесс визуально и следя за показаниями измерителя температур.

9. При достижении t_Ж = 95 ^oC (кипение с недогревом) и t_С  = 101 - 103 ^oC уменьшить мощность водоподогревателя поворотом ручки против часовой стрелки до минимума (t_Ж  = const).

10. Установить температурный напор Dt ≤ 5 ^oC, отрегулировав выходное напряжение ЛАТРа.

11. Произвести отсчёт температуры жидкости t_Ж по измерителю температуры 2 и температуру стенки медного цилиндра по измерителям температуры 1 и 2:

  11.1. Первый канал измерителя 1 измеряет температуру в верхней точке боковой поверхности цилиндра – t₁.

  11.2. Первый канал измерителя 2 измеряет температуру в нижней точке поверхности цилиндра – t₂, а второй канал этого же прибора определяет температуру среды t₃.  

12. Произвести отсчёт напряжения на нагревательном элементе Uн по мультиметру.

13. Переключить тумблер 6 в положение U_О. Произвести отсчет напряжения на образцовом сопротивлении U_О.

Данные установки и таблица результатов измерений.

Диаметр цилиндра, мм                                 35 мм. 

Длина цилиндра, мм                                     100 мм.