1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie wartości współczynnika wnikania ciepła α oraz gęstości strumienia cieplnego q od różnicy temperatur ściany i wrzącej cieczy.

2.Wstęp teoretyczny

Procesy wrzenia mają duże znaczenie w energetyce cieplnej, energetyce atomowej, technologii chemicznej i w wielu innych dziedzinach współczesnej techniki.

Proces wrzenia polega na szybkiej zamianie cieczy w parę unosząc się do powierzchni zwierciadła cieczy w postaci pęcherzyków. Pęcherzyki mogą się tworzyć w całej objętości cieczy, gdy jest ona przegrzana lub na powierzchni ściany grzejnej, gdy ciecz posiada temperaturę równą temperaturze wrzenia, a przegrzana jest tylko warstwa graniczna o niewielkiej grubości. Jeżeli ciecz kontaktując się ze ścianką grzejną ogrzeje się tak bardzo, że częściowo odparuje tworząc parę nasyconą wówczas na ściance grzejnej powstaje pęcherzyk pary.

Dla pęcherzyka o promieniu r i napięciu powierzchniowym cieczy σ zależność tę opisuje:

P_g*(∏*r²)=2*∏*r*σ+P_c*(∏*r²)

P_g-P_c=2*σ/r

P_g- prężność pary nasyconej we wnętrzu pęcherzyka

P_c- ciśnienie hydrostatyczne

Aby nastąpiło oderwanie pęcherzyka od ścianki grzejnej, jego objętość musi być na tyle duża by siła wyporu pokonała parcie cieczy i siły napięcia powierzchniowego. Powiększenie objętości pęcherzyka może się odbywać dzięki ekspansji pary ciągle ogrzewanej przez ściankę oraz dzięki parowaniu cieczy otaczającej pęcherzyk. Przewodność cieplna pary jest jednak nieznaczna w porównaniu z przewodnością cieczy i ciepło od ścianki przepływa głównie do cieczy otaczającej pęcherzyk. Ogrzana w ten sposób ciecz zwiększa szybko swoją temperaturę do wartości wyższej od temperatury pary tworzącej pęcherzyk i częściowo odparowuje do jego wnętrza powodując wzrost ciśnienia P_g. Ponieważ P_c i σ są stałe musi wzrosnąć promień r, a więc i objętość pęcherzyka. Proces trwa nieprzerwanie aż do oderwania się pęcherzyków od ścianki. Szybkość wymiany ciepła w procesie wrzenia, określana przez strumień cieplny q i współczynnik wnikania ciepła α, zależy od ilości ciepła doprowadzonego do ścianki grzejnej, właściwości fizykochemicznych cieczy i pary oraz rodzaju powierzchni wymiany ciepła.

Odcinek1- wymiana ciepła odbywa się głównie na drodze konwekcji swobodnej.

Odcinek2-wymiana ciepła odbywa się głównie na drodze tzw. wrzenia pęcherzykowego.

Odcinek 3-wymiana ciepła odbywa się głównie na drodze tzw. wrzenia błonkowego. .

Odcinek 4 przedstawia zależność α=f(ΔT), gdy wymiana ciepła odbywa się na drodze promieniowania i przewodzenia.

Opis wykonania ćwiczenia

Włączamy grzałki pomocnicze i ustawiamy ich moc regulatorem 14. Początkowo na wartość maksymalną, a następnie na wartość zadaną przez prowadzącego. Włączamy dogrzewanie rury parowej 12 i zbiornika wyrównawczego 6 przez regulatory mocy 4.Otwierając zawór 15 doprowadzamy wodę chłodzącą do chłodnicy zwrotnej 18.

Kiedy woda zaczyna wrzeć zmniejszamy moc grzałki aby utrzymać przepływ kondensatu minimalny przez latarkę pomiarową. Po ustaleniu się natężenia przepływu kondensatu włączamy grzałkę pomiarową i zaczynamy pomiary przez rejestrację Q_v i temperatur.

Pomiary wykonujemy przy następujących założeniach:

25% całkowitej mocy grzałki czyli 1000W

45% całkowitej mocy grzałki czyli 1800W

65% całkowitej mocy grzałki czyli 2600W

85% całkowitej mocy grzałki czyli 3400W

3.Przykład obliczeń:

Ciśnienie atmosferyczne

p = 99900Pa

Ciepło kondensacji pary wodnej r dla powyższego ciśnienia

r =2256kJ/kg

3.1. Obliczenie natężenia przepływu kondensatu przy ogrzewaniu tylko grzałkami pomocniczymi Q_V1 [m³/s]

V = 10 ml = 0,00001 m³

t = 76,5 s

3.2. Obliczenie strumienia cieplnego q przy ogrzewaniu grzałkami pomocniczymi i grzałką pomiarową, przy 45% mocy (1800 W)

• Q_V1 = 1,30719· 10 ^-7 m³/s

V = 10 ml = 0,00001m³

t = 11,6 s

• 
  

• Q_V = Q_V2 - Q_V1 = 8,5763 · 10 ^-7 - 1,30719 · 10 ^-7 = 7,2691· 10 ^-7 m³/s

A = 0,02 m²

ρ = 1000kg/m³

• 
  

3.3.Obliczenie współczynnika wnikania ciepła α przy ogrzewaniu grzałkami pomocniczymi i grzałką pomiarową, przy 45% mocy

q = 82003,17W/m²

T₁ = 116,8°C

T₂ = 114,9°C

T₃ = 117,1 °C

T_W = 101,6°C

T_ŚR = ( T₁ + T₂ + T₃ ) / 3 = 116,27 °C T = T_ŚR - T_W = 14,67 K

• 
  

3.4.Obliczenie sprawności urządzenia grzejnego η_g przy ogrzewaniu grzałkami pomocniczymi i grzałką pomiarową, przy 45% mocy

q = 82003,17W/m² A = 0,02 m² N = 1800W

4.Zestawienie wyników:

Lp	N	N	T1	T2	T3	Średnia T1,T2,T3	T4	T5	∆T	Qv1	Qv2	Qv
		[%]	[W]	[K]	[K]	[K]	[K]	[K]	[K]	[K]	[m3/s]	[m3/s]	[m3/s]
1	25	1000	113	109	113,3	111,70	102	23,6	9,40	1,30719E-07	5,88235E-07	4,57516E-07
2	45	1800	117	115	117,1	116,27	102	25,3	14,67	1,30719E-07	8,57633E-07	7,26914E-07
3	65	2600	119	118	120	118,83	102	28,6	17,03	1,30719E-07	0,00000125	1,11928E-06
4	85	3400	121	121	120,5	120,70	101	36,6	19,40	1,30719E-07	1,53846E-06	1,40774E-06

Lp	Qv	α	q	ηg	tśr
	[m3/s]	[W/m2*K]	[W/m2]	[-]	[s]
1	4,57516E-07	5490,68	51612,4	1,032	17
2	7,26914E-07	5591,12	82003,2	0,911	11,66
3	1,11928E-06	7412,88	126266	0,971	8
4	1,40774E-06	8185,95	158807	0,934	6,5

5.Wykresy:

• Wyznaczenie współczynników b i n przyjmując, że zależność q = f(∆T) i α = f(∆T) jest funkcją potęgową

 = b₁ T ⁿ¹ q = b₂ T ⁿ²

b₁ = 1568 b₂ = 1568

n₁ = 0,534 n₂ = 1,534

---