Библиографическое описание:

Романов В. В., Прохорова А. И., Копылова О. А. Экспериментальное исследование теплообмена при испарении капли воды с теплонапряженной поверхности // Молодой ученый. — 2016. — №20. — С. 185-188.



Изучению процесса испарения капли с поверхности нагрева, было посвящено множество работ [1,2]. Нужно заметить, что испарение капли, имеющей диаметр до нескольких миллиметров, протекает весьма скоротечно. Большинство исследований сделанных ранее, были выполнены на оборудованиях, не позволяющих достоверно оценить теплотехнические параметры испаряющейся капли [3,4]. Капля жидкости, нанесенная на поверхность металла, нагретого до высокой температуры, будет существовать долгое время, приняв форму сфероида, отделяющегося оболочкой пара от нагретой поверхности металла [5]. Это явление было описано еще в 1756 г. Лейденфростом. Характерно, что возникновения этого состояния сопровождается затруднением отвода тепла от нагретой поверхности пузырьком, что является нежелательным явлением во многих устройствах современной теплотехники, приводящие к пережогу теплонапряженных поверхностей. Поэтому исследование теплообмена при испарении жидкости с теплонапряженных поверхностей являются актуальными для авиационной, металлургической, холодильной отрасли энергетики.

По нашему мнению возникновение сфероидального состояния капли предшествует момент появления зачатка “парового сфероида”. Как показали наши эксперименты это происходит в момент наибыстрейшего испарения капли, т. е. при наибольшей ее массовой скорости испарения .

Цель нашей работы была связана с экспериментальным изучением времени t, массовой скорости и коэффициента теплоотдачи при испарении капли воды с сильно нагретой поверхности. Исследовалась и рассчитывалась массовая скорость испарения, а так же коэффициент теплоотдачи при прямом нагревании тепловой поверхности и ее остывании.

Методика расчета

Методика данного опыта состояла в следующем. Вначале была исследована скорость и температурный интервал наибыстрейшего испарения капель воды при прямом нагреве пластины. На массивную латунную горизонтальную поверхность, помещенной в электрическую печь, наносилась капля массой 30 мг, электрическим секундомером определялось время ее полного испарения (t). Опыт проводился в интервале температур от 100 0С до 220 0С. Температура теплонапряженной поверхности регистрировалась хромелькопелевой термопарой, с точностью 0,5 оС, впаянной на глубину 1 мм от поверхности нагрева.

Необходимое количество тепла получаемой каплей при испарении определялось формулой (1).

, (1)

Или ,

где Q- общее количество тепла, Дж;

Q1 — количество тепла, необходимое для нагрева жидкости до температуры кипения,Дж; Q2 — количества тепла, необходимое для осуществления фазового перехода из жидкого состояния в парообразное, Дж;

mк — масса капли жидкости, кг;

cр — теплоемкость жидкости, Дж/(кг ͦ С)

tкип — температура кипения жидкости, ͦ С;

t0 — начальная температура жидкости в капле, ͦ С;

r — теплота фазового перехода(скрытая теплота парообразования), Дж/кг.

Тепловая нагрузка определяется по формуле (2):

, (2)

где τ-время испарения (с).

Тепловой напор определяется по формуле (3):

, (3)

где tст — температура поверхностного нагрева, ( ͦ С)

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле (4):

, (4)

где Fn м2 площадь поверхности пятна капли, с нагретой поверхности, которую определили экспериментально, при .

Массовая скорость испарения рассчитывается по формуле (5):

, (5)

Удельная производительность по испаряемой влаге формула (6):

(6)

Аналогично можно рассчитать все параметры для каждого периода нагревания капли. Обработка данных, полученных при капельном испарением воды, показала, что средний коэффициент теплоотдачи равен примерно от 11 500 до 600 000 Вт/(м2 ͦ С).

Рис. 1. Зависимость времени испарения капли воды от температуры поверхности нагревателя: а — при нарывании поверхности нагревателя, б — при охлаждении поверхности нагревателя

На рисунке 2 показаны соответствующие вычислительные результаты массовой скорости испарения капель воды.

Рис. 2. Зависимость массовой скорости испарения капли воды от температуры поверхности нагревателя; а — при нагревании поверхности, б — при охлаждении поверхности

Используя формулу (4) нами был вычислен коэффициент теплоотдачи при испарении капли воды (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициент теплопередач при испарении капли воды; а — при нагревании поверхности, б — при охлаждении поверхности

Вывод: Нами было обнаружено, что при остывании поверхности нагрева интервал времени быстрого охлаждения меньше, чем соответствующий интервал при прямом нагревании поверхности нагрева. Экспериментально рассчитаны коэффициенты теплоотдачи при испарении капли воды. Обнаружили, что при остывании нагретой поверхности коэффициент теплоотдачи в температурной области быстрого испарения в 2 раза выше, чем в этой же области, только при прямом нагреве поверхности.

Литература:

  1. Боришанский В. М. Теплопередачи и жидкости свободно растекающейся по поверхности нагретой выше температуры кипения / В. М. Боришанский — М. — Л.: Госэнергоиздат. 1953.-350 с.
  2. Кутателадзе С. С. Тепломассообмен и волны в газодинамических системах / С. С. Кутателадзе В. Е. Накоряков — Новосибирск: Наука. 1984 -301 с.
  3. Рева С. Л. Экспериментальная установка для исследования процесса капельного испарения / С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Известная ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. ВолгГТУ — Волгоград, 2011. — № 1. — с. 40–43. (Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 4).
  4. Яламов Ю. И. Скорость нестационарного испарения сферической капли с учетом скачков концентрации и температуры вблизи ее поверхности / Ю. И. Ялмов, М. К. Кузьмин // ЖТФ. — 2005. — Т. 75 — Вып. 3 — с. 30–35.
  5. Боришанский В. М. и Кутателадзе С. С. Некоторые данные об испарении жидкости, находящейся в сфероидальном состоянии. ЖТФ., т.7., в.8., 1947

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle