
功能/作用介紹:
本實驗臺的研制思路是從萊頓弗羅斯特膜態沸騰研究現象中拓展出來,萊頓弗羅斯特給出了進行穩定膜態沸騰所需之最低溫度。但當鐵板到達萊頓弗羅斯特點(Leidenfrost point)時,水便會產生萊頓弗羅斯特現象。水珠會在鐵板四處滾動,并緩慢地逐漸蒸發,反而令水珠可以存在更久。在萊頓弗羅斯特現象下,水珠中跟鐵板接觸的部分會迅速沸騰形成水蒸氣,與此同時水珠尚保持液體的狀態,由于水蒸氣的傳熱比液體水慢得多,蒸氣層阻隔水直接接觸滾燙鐵板并大大降低水滴沸騰蒸發的速度。
本實驗臺得到以下實驗目的:
1.觀察水的膜態沸騰現象;
2.了解并觀察水的萊頓弗羅斯特(Leidenfrost)現象;
3.繪制液滴萊頓弗羅斯特現象壽命曲線圖。
實驗裝置分為加熱系統、滴水管升降系統和數據采集控制系統。由加熱器、滴水盤、鋸齒跑道等組成加熱系統;由自動升降桿、角度調節盤、滴水管等組成滴水管升降系統;由溫度傳感器、觸摸屏、PLC及數據采集后處理軟件組成的數據采集控制系統。
本實驗臺能夠充分的顯示水的膜態沸騰現象,并通過不同的滴液高度,不同的液滴大小,以及不同的加熱表面,生動形象的表現此物理現象,使得學生能夠快樂、深刻地記憶膜態沸騰的現象和產生的機理。
當平面金屬板換成了鋸齒形表面的金屬板,水珠不再向各個方向跳來跳去了,而是基本選擇一個方向跳動,這個水滴還能夠順著這種“樓梯”向上爬,學生感官效果很好。學生可根據該原理進行不同的軌道設計,將相變換熱與動態水珠運動結合,給學生很多的想象空間和研究空間。
研究型實驗設計內容:
1. 精確的溫度控制,通過改變加熱溫度和工質,可以研究不同工質的萊頓羅斯特溫度點;
2. 通過智能控制改變滴液管的高度,研究不同高度下液滴落在加熱表面的破裂特性;
3. 改變液滴的大小,研究不同大小的液滴在膜態沸騰時壽命;
4. 設定特定的鋸齒軌道,研究液滴運動規律與溫度的關系;
5. 研究不同軌道的現實應用場合。
通過本實驗臺的研究型實驗,能夠引起學生們對不同工質的膜態沸騰現象進行探討,同時,根據此現象,設計不同形狀的加熱表面,使得液滴沿著特定的跑道運動,形成奇特的物理現象。
本實驗內容是國家級精品課程《傳熱學》和核心課程《熱工基礎》的演示實驗和研究型實驗,面向全校熱能系、建筑系、工物系、汽車系、機械系、精儀系、力學系、航院等本科生,2012年投入教學使用,每年實驗人數近500人。本實驗臺進行的本科生研究型實驗教學,在2012年獲“清華大學實驗室建設貢獻”一等獎。
作品名稱:膜態沸騰相變換熱教學實驗臺
完成單位:清華大學熱能工程系