大容器内水沸腾放热试验.

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(t w -t a )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t 2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t 1，再通过计算求出t 2（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t s ，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（t
1-t
2
），容器内水温t
s
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。

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α
为了确定放热系数α，需要测定下列参数 （1）容器内水的饱和温度t s ℃； （2）标准电阻两端电压降U 1毫伏； （3）热源管ab 间的电压降U 伏。

U=T ×U 2×10-3
其中：T ——分压箱倍率T=201；
U 2——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(t 1-t 2)毫伏。

为了测定不同热负荷下放热系数α的变化，工作电流在30-100安培范围内改变，共测7～8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t s 查热电偶的热电势与温度关系曲线或
表得E(t s ,0)，反映t ′的 然后由E(t ′,0)再查热电
)0,(),()0,(s s t E t t E t E +'='
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=I ×U （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U 1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=2×U 1 （A ） 2、试件表面热负荷q ：
q=Q/F (W/m 2
) 式中：F ——工作段ab 间的表面积（m 2） 3、钢管外表面温度t 2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：λ—不锈钢管导热系数λ=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 ）； ξ—计算系数
4、泡态沸腾时放热系数α
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 α（t 2-t 1） (w) 所以 α=Q/F △t （W/m 2℃） △t=t 2-t 1 (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：
Q t r r r r r L Q
t t ξπλ-=---=112
2
1
222112
)ln 21(4)
/()ln 21(41
1
2
2
12221W ℃r r r r r L --=πλξ7
])
(1[
3⋅-=∆L P v L g r
q
C t
Cpl sf γρρσ
μγ
进行比较，分析讨论系数C sf 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。

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ξ= 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 ）
2
12
2240
1C Lnr C r qv t qv
dr dt r dr t d ++==++λ
λ
通解为：
（b ）
边界条件：
解得管壁中的温度分别为：
（c ） 将r 1、r 2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t 1，即可求得管外壁温度t 2，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ξ，使(d)式简化
为：t 2=t 1-ξQ 式中系数
附表 铜—康铜热电偶分度表（自由端温度为℃）
)()2(0)1(21f t t a
dr dt r r dr dt r r --====λ
时
时⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=212
2122122212221214r r Ln r r r r ar r r qvr t t f λλ⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+
=212
21
2212
2
2122
121214r r Ln r r r r ar r r qvr t t f λλ
⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=2
212212r r a qvr t t f )21(4)(122
1
2221122122r r Ln r r r L Q t t L
r r Q
V Q qv ---=-=
=
λππW C r r Ln r r r L /)1(41222
1
2221--=λπξ。