ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЗНАЧЕНИЙ СКОРОСТИ ИСПАРЕНИЯ И КИПЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Экспериментальное исследование характера испарения жидкости с её свободной поверхности осуществлялось при нормальном атмосферном давлении, в открытом сосуде, в интервале температур 20 ¸ 98 ⁰С (293 — 371 К).

В качестве исследуемых жидкостей использовались дистиллированная вода и этанол. Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение зависимости значений скорости испарения со свободной поверхности жидкости  от её температуры Т, рассчитанных по теоретической формуле [1, 2, 3]:

,   

где: — скорость испарения жидкости при температуре её кристаллизации,

μ — молярная масса жидкости, L — удельная теплота парообразования,

R =8,31 Дж/(Моль∙К) — универсальная газовая постоянная,

Т₀ — температура кристаллизации жидкости.

Экспериментальная установка представляла собой ультратермостат типа ТЛ — 150 1, в верхнюю крышку которого в специальное отверстие помещался сосуд цилиндрической формы 2 с исследуемой жидкостью (рис. 1). Данный сосуд погружался во внутреннюю полость термостата на максимальную глубину. Теплоноситель, в качестве которого также использовалась дистиллированная вода, заливался во внутреннюю полость термостата до максимального уровня. Автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя осуществлялось при помощи контактного термометра 3, управляющего двумя электронагревателями 4 и 5 мощностью соответственно 600 и 1200 Вт. При достижении теплоносителем температуры, установленной на контактном термометре, происходило поочерёдное отключение нагревателей, а затем, при понижении температуры теплоносителей ниже заданной, повторное их включение. Таким образом, осуществлялось поддержание заданной температуры теплоносителя, а, следовательно, и исследуемой жидкости с точностью ± 0,02 ⁰С в интервале температур + 20 ¸ 98 ⁰С. Для обеспечения циркуляции теплоносителя использовался шестерёнчатый насос 7, закрепленный на валу электродвигателя 6, который отводил теплоносящую жидкость по замкнутому контуру при помощи специальных резиновых трубок 8. При помощи специальной крыльчатки 9, также закреплённой на валу электродвигателя осуществлялось перемешивание теплоносящей жидкости. Все электротехнические устройства, входящие в состав термостата, подключались к промышленной однофазной сети переменного тока напряжением 220 В через контактную колодку 10.

Исследуемая жидкость заливалась в сосуд 2 до определённого уровня. Изменение уровня жидкости Dh = h — h₀ при её испарении со свободной поверхности измерялось при помощи специального отсчётного микроскопа МПБ-2 11 с ценой деления окулярной шкалы 0,05 мм. При каждом выбранном значении температуры жидкости измерение значений Dh выполнялось в пятикратной повторности.

Исходя из условия, что вся масса испаряющейся жидкости идёт на парообразование, скорость испарения cо свободной поверхности жидкости определялась согласно выражению:

,

где: S_з — площадь поверхности (зеркала) жидкости,

∆m — масса испарившейся жидкости,

ρ — плотность жидкости,

Dh — изменение уровня жидкости в сосуде,

Dt — интервал времени, соответствующий изменению уровня жидкости в сосуде на величину Dh.

Усреднённые результаты экспериментальных значений_, скорости испарения со свободной поверхности жидкостей (воды и этанола) u_з.э, обработанные при помощи статистических программ, в сопоставлении с теоретическими значениями u_з.т представлены в таблице 1. Сравнительный анализ этих значений свидетельствует об их удовлетворительном согласовании.

Экспериментальное исследование характера испарения жидкости с поверхности нагрева при кипении проводилось в условиях нормального атмосферного давления, в открытом сосуде, при температуре кипения жидкости при различных значениях температурного напора DT = T_w-T_s (T_w  — температура поверхности нагревателя, T_s — температура кипения жидкости).  В качестве исследуемых жидкостей использовались дистиллированная вода (Т_s » 371 K) и этанол (T_s » 350 K).

Целью экспериментальных исследований являлось определение значений общей скорости испарения в режиме насыщенного пузырькового кипения u_ws при различных значениях температурного напора DТ, а также установление экспериментальной зависимости u_ws = f (DТ) с последующим сравнением её с теоретической зависимостью, рассчитанной по формуле [1; 4]:

,

где: u_ws0 =u (Т_s ) — cкорость генерации пара с поверхности нагрева при Т = Т_s ,

С — константа, зависящая от природы жидкости.

Экспериментальная установка (рис. 2) представляла собой стальной цилиндрический сосуд 1, в нижней части которого был смонтирован электронагреватель 2 максимальной мощностью 1,5 кВт. Мощность электронагревателя плавно регулировалась при помощи ЛАТРа 3 и данное фиксированное значение мощности определяло требуемое значение температурного напора DТ. Численное значение температурного напора определялось при помощи медно — константановой термопары 4, присоединённой к мультиметру 5 класса точности 0,02.

Исследуемая жидкость заливалась в сосуд до определённого фиксированного уровня, после чего устанавливался определённый температурный напор и начинался процесс кипения жидкости. При неизменном объёме жидкости, заливаемой в сосуд, т.е. при постоянном значении её начального уровня h₀ определялось время её полного испарения (выкипания) Dt при различных значениях температурного напора DТ. Значение Dt отсчитывалось от момента закипания жидкости до t₁ до момента её полного испарения из сосуда t₂. Измерения повторялись в пятикратной повторности для каждого выбранного значения температурного напора. Значение скорости испарения жидкости при кипении определялось согласно выражению:

,

где: DV — изменение объёма жидкости в сосуде за время Dt,

S_w  — площадь поверхности нагрева.

Усреднённые результаты экспериментальных значений скорости испарения воды и этанола с поверхности нагрева в режиме насыщенного пузырькового кипения u_wsэ, обработанные при помощи статистических программ, в сопоставлении с теоретическими значениями u_wsэ представлены в таблице 2. Сравнительный анализ этих значений свидетельствует об их удовлетворительном согласовании.

Проведённые экспериментальные исследования имеют прикладной характер и могут быть использованы для теоретических расчетов плотности

теплового потока

и коэффициента теплоотдачи

Рисунок 1. Экспериментальная установка для измерения значений скорости  испарения со свободной поверхности жидкости при температуре Т £ Т_s

Рисунок 2. Экспериментальная установка для измерения значений скорости испарения жидкости с поверхности нагрева в режиме насыщенного пузырькового кипения.

Таблица 1.

Теоретические и экспериментальные значения скорости испарения воды и этанола со свободной поверхности при различных температурах

Таблица 2.

Теоретические и экспериментальные значения скорости испарения воды и этанола с поверхности нагрева в режиме насыщенного пузырькового

кипения в зависимости от температурного напора

Список литературы:

1.            Марков И.И. О скорости испарения жидкости с её свободной поверхности и с поверхности нагрева / Марков И.И., Хащенко А.А., Вечер О.В.// МО РФ, СКГТУ, Северо-кавказское отделение технологических наук РФ. — Сб. научн. тр. — Вып. 6. — Ставрополь. — 2002 — С. 48—55.

2.            Марков И.И. О механизме парообразования на границе раздела двух сред / Марков И.И., Хащенко А.А., Вечер О.В.// МО РФ, СКГТУ, Северо-кавказское отделение технологических наук РФ. — Сб. научн. тр. — серия «Физико-химическая» — Ставрополь. — 2004 — С. 73—76.