Самообразовательный блог

Previous Entry Share Next Entry
Кастрюля
bmwservice
Н-да.

А почему-то была надежда на интеллектуальный прорыв)

Ну что же, тогда задача:

Температура конфорки электрической плиты - около 500 градусов по Цельсию. Ставим на нее кастрюлю с водой. Ждем начала кипения.

Внимание, вопрос: какая температура металлической поверхности дна внутри кастрюли, а также в точке ее соприкосновения с конфоркой?
Можно не теоретизировать, можно проверить. Занимает 15 минут.

При публикации ответа, я также проверю гипотезу о возможном существовании в зоне ПК ДВС эффекта Лейденфроста, так как просто нигде не опубликованы данные о точке Лейденфороста для моторных масел.

вопрос - чем таким мерять температуру дна кастрюли, чтобы исключить влияние воды

Поверхность дна внутри кастрюли = температуре кипения воды, т.е. 100 С. Вообще, я думаю, температура там колеблется в районе 99-102 в локальных точках. Но в целом можно считать, что 100 С.

В точке соприкосновения с конфоркой - что-то около 500. В середине дна - среднее, между 100 и 500.

Edited at 2013-03-26 02:31 pm (UTC)

Температура дна кастрюли внутри будет на несколько градусов (5-10) выше температуры кипения воды. Температура дна кастрюли, соприкасающаяся с комфоркой в идеальном варианте будет практически равна температуре комфорки.

Дай ответ на прошлый вопрос.

Больно интересно. 80% полезло в интернет и скопипастило всяко-разное от туда =)

1. Какое давление в кастрюле (на кухне) ?
2. Какая толщина слоя воды в кастрюле?

При нормальном и постоянном атмосферном давлении в зависимости от толщины слоя воды - температура дна кастрюли от 100 до 500 градусов, при этом температура воды от 100 до 193 градусов.
В точке соприкосновения с конфоркой 500 градусов.

Температура воды может быть 193 градуса при нормальном давлении?

А теперь намазываем дно кастрюли моторным маслом, ставим на конфорку и смотрим сколько оно протянет.

Хохо))) "Немного больше" 100 градусов :) Может около 150 снаружи и, допустим, 120 внутри (разница зависит от теплопроводности материала кастрюли).

И внутри и снаружи 100.
Если между плитой и кастрюлей промазать термопастой, то либо плита охладится до 100 либо в кастрюле между дном и водой образуется паровая подушка и дно нагреется до 500.

Берется лазерный ИК термометр и меряется :) гоавное чтоб кастрюля была не блестящая.

Снизу будет градусов 300 в кастрюле меньше 100

Разорвет дно от такой разности температур дно, вы что.

(Deleted comment)
100 там и там, ну +-пару-тройку°©и то врядли.

температура дна со стороны комфорки - 95 градусов, причем сама комфорка больше 200! проверил :)

Ну, около 100, конечно же.

Никто никогда не кипятил воду в пластиковом стакане на костре? Стакан с водой не плавится, вода успешно закипает. Мой ответ: 100 в месте контакта с водой и до 110 на другой стороне.

температура одинаковая и снаружи, и внутри. Тонкий пластиковый стаканчик никак не может препятствовать теплообмену.

Напишу и я чего-нить полезного.

Температура снаружи и внутри кастрюли будет отличаться. Это не тонкий пластиковый стаканчик :) Зависеть она будет от материала, для стали порозреваю перепад будет градусов 40 (а вообще, какая толщина у кастрюль? ;), для алюминия наверное 5. Т.к. теплопроводность кастрюли выше чем воды, то на стыке будет будет некий избыток энергии. Гугль по слову Лейденфрост говорит о 10град макс. Значит на дне кастрюли будет ~110, на стыке с конфоркой все 150.

Расскажите-ка, как за 15 минут в домашних условиях проверить? Я прям-таки взбудоражен.

Я бы взял кастрюлю с водой, 15 минут и пирометр инфракрасный.

Вообще пофиг на материал. В бане ведро стоит на раскаленной печке и еще не кипит, но верх ведра, тот что без воды, сильно горячее воды и это только потому, что сбоку от ведра труба. И когда выливаешь воду, то первые несколько секунд вода мгновенно закипает.
Вот видео про стаканчик.

Вывод такой. Поскольку источник тепла только внизу, то температура кастрюли = температуре воды, т.к. стенки кастрюли тонкие.
В двигателе, я думаю, вступает еще такие свойства как теплоемкость и теплопроводность металла. Но опять же, всё зависит от расстояния между цилиндром и каналами охлаждения. Если оно такое же как стенка обыкновенной кастрюли, то тогда конечно температура стенки цилиндра соответствует температуре ОЖ.

) ну вот надо дать посмотреть тем, кто переживает за масляную пленку в цилиндре...

В контексте ДВС

Может быть просто оценить через теплопроводность материала стенки не гильзованного цилиндра? Предположим термостатическое равновесие: температуру ОЖ внутри примерно равной тому, что показывает нам термодатчик, и при этом далекой от температуры кипения и уже упомянутой температуры Лейденфроста. Так же пренебрежем разницей между темпертурой ОЖ и металлом двигателя на поверхности их соприкосновения.

Тогда получается, что температура стенки цилиндра полностью определяется конфигурацией каналов ОЖ и материалов блока и количеством тепла, принимаемым во время рабочего хода. И, видимо, будет линейно увеличиваться с повышением оборотов.

Re: В контексте ДВС

Можно попробовать приблизиться к цифрам.
Предположим, что теплоотдача от двигателя идет только через ОЖ. Такой режим можно даже создать для эксперимента. Тогда поток тепла через поверхность цилиндра (стенки+ поршень + головка блока) будет равен потоку тепла унесимому ОЖ и определяется через скорость потока ОЖ, теплоемкость ОЖ и разность температур ОЖ на входе и выходе из блока.

Дальше для простоты 4 тактный двигатель, 4 цилиндра. Можно усреднить :) и приравнять.

Тепловой поток мы уже оценили, и оценка сверху для температуры стенки получится если предположить теплопередачу только через стенки "идеального цилиндра", взятые по максимально представимой реальной толщине. Оценка снизу получится если считать теплоотдачу не только от стенок но и от верха и низа.

Разница между этими оценками будет довольно большой и определяется соотношением площадей стенки цилиндра и его оснований. Для вычисления конкретных цифр надо знать скорость потока ОЖ и температуру на входе.

Возвращаясь в реальность.

Теплообмен между турбулентным газом в камере сгорания и поверхностью мал, поверхность же образована масляной пленкой (теплоизолятором) в хоне на "холодной" стенке. При этом за счет хона площадь соприкосновения масла с стенкой гораздо больше площади самой стенки.

Интереснее что происходит в окрестности поршневых колец - поршень должен быть существенно горячее + прорыв газов.

Вариант выкрутить свечу и стрельнуть пирометром в цилиндр был?

Уж скоро лет несколько, как был)

Так, формула распространения тепла в однородном материале предельно простая :
T = (P*A)/(L*S), где T - градиент температур, P - мощность теплового потока, A - толщина слоя материала, L - коэффициент теплопроводности, S - площадь сечения, через которую этот тепловой поток проходит.

Для тонкостенной стальной кастрюли и бытовой конфорки характерные величины P = 1000Вт, A = 0,001м, L = 50 Вт/(м*K), S = 0,03м^2 (диаметр соприкасающихся частей конфорки и дна 20см).

Результат получается, как несложно посчитать, всего 0,667 градуса. То есть тонкое дно кастрюли имеет фактически одинаковую температуру с обеих сторон, близкую к температуре кипения воды. Для толстого дна современных нержавеющих кастрюль перепад будет больше. Там еще, насколько я знаю, алюминиевая вставка внутри (теплопроводность 150-200 в зависимости от сплава). Снаружи слои нержавейки, пусть 2 и 2 мм, еще 8мм алюминия, всего 12мм толщина. Получится при тех же параметрах градиент 2х1,33 в слоях стали, 1,7 в слое алюминия, всего около 4,4 градуса.

Но гораздо более значим может оказаться градиент температуры в контактном слое конфорка-кастрюля. Слой этот тонкий, но теплопроводность воздуха и других возможных прослоек слишком мала, поэтому это имеет важное значение. При 100 градусах у воздуха она всего около 0,03 Вт/(м*K), в 1666 раз меньше стали. Средняя толщина этого слоя, то есть эффективность теплопередачи, сильно зависит от формы и гладкости поверхностей. Это хорошо знают все любители разгона компьютеров, когда добиваются максимальной эффективности кулеров (хотя теплопроводность термопасты намного выше - около 5 Вт/(м*K)). Также на поверхностях могут быть и загрязнения с низкой теплопроводностью. Так что эта часть задачи хоть сколько-то точного решения в общем случае не имеет.

Но если, например, принять, что слой воздуха равномерно 0,1мм, получится градиент сразу в 111 градусов - видно, что только это слагаемое и имеет значение для суммарного результата.

P.S. Посмотрел еще раз условия задачи, вопроса про температуру конфорки и не ставилось на самом деле.
Ну тогда имеет значение еще трудно оцениваемое слагаемое градиента, которое образуется за счет неидеальной теплопередачи от кипящей жидкости дну и зависит, в частности, от интенсивности кипения.

Edited at 2013-03-27 07:40 am (UTC)

L=17...18, а никак не 50. Легирование
стали заметно ухудшает ее
теплопроводность.

Проверил...Можно просто взять кастрюлю и пульвелизатор.
Если воды в кастрюле достаточно, и через 5 минут кипения воды из пульвелизатора брызнуть на дно кастрюли, то вода не начнет испаряться. Значит, температура <=100С градусов. Однако, если быстро вылить воду из кастрюли и проделать тоже самое, можно увидеть, что вода испаряется. Температура от нагретых частей кастрюли достигла дня, т.к. вода перестала охлаждать кастрюлю. Внутри кастрюли температура больше 100С (проверить опытным путем не представляется возможным). Именно это дает возможность воде кипеть и пузыриться.

Edited at 2013-03-27 10:13 am (UTC)

Аплодирую стоя, только дайте ваш вариант в цифрах...

Сделал кулек из фольги, налил в него воду. Взял газовую горелку, в течении нескольких секунд прожег в фольге дырку ниже ватерлинии. Вода естественно не закипела, температура плавления алюминия 900 градусов.

температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C (пруф http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9). Но это не столь значимо. Просто слишком сильный нагрев произошел именно в 1 месте, он не имел равномерного характера. Двигатель автомобильный автогеном тоже можно прожечь!

Пластиковый стаканчик с водой тоже благополучно прожегся. Так что все зависит от теплопроводности материала. Масло на стенках цилиндра, полагаю, горит в слое толщиной в сотые доли микрона, вернее горят его пары, и температура стенок цилиндра особого значения не имеет.

Зависит еще сильно от плотности теплового потока, конечно.
Я выше считал для конфорки 1кВт на круг в 20см диаметром, а у горелки в десятки, а то и сотни раз больше может получиться. Хотя все равно странно, что не выдержала даже фольга с отличной теплопроводностью. Мне кажется, проблема с теплоотдачей с обратной стороны (воде).

Edited at 2013-03-28 03:37 pm (UTC)

Насчет технологического прорыва зря печалитесь. Это настолько многопараметрический процесс, что требует очень не дешевого САПРа для расчетов, и очень глубокого понимания процесса у того, кто собственно считать будет.

Я не физик-температурщик, я инженер-математик. Но вот проблемка, например, рассчитать, наиболее эффективный дизайн некоего алгоритма в микросхемах по определенному технологическому процессу (выбор нанометров и фабрики, где будут производиться чипы) - та еще задачка.

Вы задали вопрос крайне некорректно - неизвестны ни толщина дна кастрюльки, ни слоя воздуха до нее от конфорки, ни даже толщина блина конфорки!

Температуру дна кастрюли внутри оценю в 101 градус (вода охлаждает ее, выкипая). Про температуру кастрюли промолчу - уже указал, почему.

Ай кол зис оверинжиниред.)

Процесс установившийся, поэтому температура поверхностей днища в точках контакта с нагревательным элементом и водой будет равна, соответственно, 500 и 100 градусам.

неполные условия задачи дают несколько вариантов отве

присоединюсь в целом к варианту riunert
однако если подходить строго. то формулировка задачи неполная
суть в том, что оперировать температурой электрической комфорки неправильно.
это электромашина и она по определению всегда выдаст свою мощность равную произведению падения напряжения в ней на ток.
Температура на поверхности комфорки определяется лишь условиями стока тепла. выше тепловой поток - температура ниже. Если тепловой поток заблокирован наличием только воздуха вокруг - температура резко выше. гипертрофированный пример электронагреватель в вакуумной камере с абсолютно отражающими стенками. в этом случае электро нагреватель расплавит самого себя при любых значениях мощности и темп плавления материала.

теперь про воду
даже при атмосферном давлении возможны различные варианты кипения
обычная ситуация это стандартное пузырьковое кипение при некоем среднем уровне подвода теплового потока.
В данном случае с кастрюлей будет все просто. температура воды около 100 С. Температура стенки кастрюли выше ее максимум на градус, ибо тепловое сопротивление стенки.
Совсем другая ситуация если тепловой поток превышает уровень критического теплового потока. В этом случае механизм кипения меняется и хоть температура воды так и остается 100 С (при нормальном давлении), но вот температура нагревателя/стенки повышается существенно из-за теплового сопротивления образующейся паровой подушки при переходе в другой режим кипения(в этом и смысл критерия критического теплового потока) для этого же и льют присадки снижающие поверхностное натяжение, чтобы повысить предел пузырькового кипения.
Итого, в данной задаче возможны несколько ответов, в зависимости от подводимого теплового потока, а не температуры.
Однако, если Вы пытаетесь на аналогии с водой показать работу масла при в подобной ситуации, вас ждет суровое разочарование, ибо масло не моновещество, да еще и смесь углеводородов с фиг знает чем, и поверхн. натяжение сильно выше. По этим причинам критический тепловой поток ниже чем у воды, что и может привести к перегревам стенки выше температуры масла. ну а уж про то , что масло в силу своей природы любит не превращаться в "масляный пар" а просто окисляться в разных вариантах, эт вы и так прекрасно знаете.
желающие гуглят кризис теплоотдачи

?

Log in

No account? Create an account