裸管和絕熱管傳熱說明書教材

1、裸管和絕熱管傳熱實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書一、用途與特點(diǎn)裸管和絕熱管傳熱實(shí)驗(yàn)儀適合于設(shè)有化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化工和輕工等專業(yè)各類學(xué)校， 供化工原理實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)驗(yàn)之用。本儀器是最新設(shè)計(jì)的小型化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)裝置， 具有箱式整體結(jié)構(gòu)、 輕巧美觀、 性能可 靠和使用方便等特點(diǎn)。本儀器由裸管、 固體材料保溫管和空氣夾層保溫管三部分組成。 蒸氣發(fā)生器采用電加 熱并由控壓儀控制壓力恒定，性能安全可靠。本實(shí)驗(yàn)儀可供實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：（1）觀察和比較裸管、固體材料保溫管和夾層保溫管散熱速度的在，以及影響散熱 速率的主要因素。（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定裸管向周轉(zhuǎn)空間總的放熱系數(shù)，固體保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，以及空氣 夾層有效導(dǎo)熱系數(shù)。二、技術(shù)指

2、標(biāo)（1）外形尺寸： 900mm（W） 450mm（D）1000mm（H）（ 2）加熱功率： 2.5kW（ 3）工作壓力： 0.1-0.15MPa（ 4）操作溫度： 110-120（ 5）控溫精度： 0.5（ 6）測(cè)溫精度： 0.5三、主要設(shè)備及其規(guī)格（ 1）蒸汽發(fā)生器1 臺(tái)蒸發(fā)器尺寸： 200mm 300mm電熱管： 2.5KW 汽包：42 3mm（ 2）裸管1 支材質(zhì)：紫銅管徑： 12 1mm，測(cè)試段長(zhǎng)度： 600mm（3）固體材料保溫管內(nèi)管管徑： 122mm（紫銅管） 外管管徑： 381.0mm（不銹鋼）保溫材料：保溫棉測(cè)試段長(zhǎng)度： 600mm4）夾層保溫管內(nèi)管管徑： 121.0mm（紫銅

3、）內(nèi)管管徑： 381.0mm（不銹鋼管）測(cè)試段長(zhǎng)度： 600mm5）蒸汽壓力控制518智能溫控儀1 塊八路萬能溫度巡檢儀 1 塊 用電流表調(diào)節(jié)加熱電流和設(shè)定加熱溫度控制蒸汽壓力。8）測(cè)溫儀表感溫元件： K 型， 電壓表： 015A四、實(shí)驗(yàn)原理1. 裸蒸汽管如圖 1 所示，當(dāng)蒸汽管外壁溫度 Tw高于周轉(zhuǎn)空間溫度 Ta 時(shí)，管外壁將以對(duì)流和輻射兩種方式向周轉(zhuǎn)空間傳遞熱量。在周轉(zhuǎn)空間無強(qiáng)制對(duì)流的狀況下，當(dāng)傳熱過程達(dá)到定常 狀態(tài)時(shí)，管外壁以對(duì)流方式給出熱量的速度為圖 1 裸蒸汽管外壁向空間給熱時(shí)的溫度分布1）QccAw Tw Ta式中Aw 裸蒸汽管外壁總給熱面積， m2；c 管外壁向周轉(zhuǎn)無限空間自然對(duì)

4、流時(shí)的給熱系數(shù)， Wm 2K管外壁以輻射給出熱量的速率為4Tw 4Ta 4QR C Aw 100 1002）式中： C 總輻射系數(shù)；角系數(shù)；若將（ 2）式表達(dá)為與1）式類同的形式，則（ 2）式可改寫為QRRAw Tw Ta對(duì)比（式中 R 稱為管外壁向周轉(zhuǎn)無限空間輻射的給熱系數(shù)， Wm 2K 1。因此，管外壁向周轉(zhuǎn)空間因自然對(duì)流和輻射兩種方式傳遞的總給熱速率為Q QC QRQ C R Aw Tw Ta3）4）5）6）令 C R ，則裸蒸汽管向周轉(zhuǎn)無限空間散熱時(shí)的總給熱速率方程可簡(jiǎn)化表達(dá)為QAw Tw Ta7）式中 稱為壁面向周轉(zhuǎn)無限空間散熱時(shí)的總給熱系數(shù)， Wm 2K 1 。它表征在定常給熱過程

5、中，當(dāng)推動(dòng)力 Tw Ta 1K 時(shí)，單位壁面積上給熱速率的大小。值可根據(jù)（ 7）式直接上實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 由自然對(duì)流給熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出的各種準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，文獻(xiàn)中已有不少記載。常用 的關(guān)聯(lián)式為Na c Pr Gr n8）該式采用 Tm 21 Tw Ta 為定性溫度，管外徑 d 為定性尺寸，式中：努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu ad普蘭特準(zhǔn)數(shù)PrCp格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gd3 2 g Tw Ta上列各準(zhǔn)數(shù)中 、 、 、Cp 和 分別為定性溫度下的空氣異熱系數(shù)、密度、粘度、定 壓比熱容和體積膨脹系數(shù)。對(duì)于豎直圓管，（ 8）式中的 c和 n值：當(dāng)Pr Gr 1 10 3 5 102時(shí)，C 1.18，n 1；Pr Gr 5 10

6、2 2 107時(shí)，C 0.54， r r 8 r rn 1 ；Pr Gr 2 107 1 1012時(shí)， C 135，n 1 。4 r r 32. 固體材料保溫管如圖 2所示，固體絕熱材料圓筒壁的內(nèi)徑為 d，外徑為 d ，測(cè)試段長(zhǎng)度為 L，內(nèi)壁溫 度為 Tw，外壁溫度 Tw，則根據(jù)導(dǎo)熱基本定律得出，在定常狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)通過該絕熱材料層的熱量，即蒸汽管加以固體材料保溫后的熱損失速度率9）Tw TwwwQ 2 L w wdLnd式中 d、 d 和 L均為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本參數(shù)，只要實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Tw 、 Tw和Q值，即可按上式得出固體絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值，即10)QdLn2 Tw Twd圖 2

7、固體材料保溫管的溫度分布圖 3 空氣夾層保溫管的溫度分布3. 空氣夾層保溫管 在工業(yè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，除了采用絕熱材料進(jìn)行保溫外，也常采用空氣零部件層或真 實(shí)夾層進(jìn)行保溫。如圖 3 所示，在空氣夾層保溫管中，由于兩壁面靠得很近，空氣在密 閉的夾層內(nèi)自然對(duì)流時(shí)，冷熱壁面的熱邊界層相互干擾，因而空氣對(duì)流流動(dòng)受兩壁面相 對(duì)位置和空間形狀及其大小的影響，情況比較復(fù)雜。同時(shí)，它又是一種同時(shí)存在導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種方式的復(fù)雜的傳熱過程。對(duì)這種傳熱過程的研究，一方面對(duì)其傳熱機(jī)理進(jìn)行探討，另一方面從工程實(shí)用意義上考慮更重要的是設(shè)法確定這種復(fù)雜傳熱過程的總效果。因此，工程上采用等效導(dǎo)熱系數(shù)的概念，將這種復(fù)雜傳熱過程

8、虛擬為一種單純的 導(dǎo)熱過程。用一個(gè)與夾層厚度相同的固體層的導(dǎo)熱作用等效于空氣夾層的傳熱總效果。 由此，通過空氣夾層的傳熱速率則可按導(dǎo)熱速率方程來表達(dá)，即fQ f Aw Tw Tw（ 11）式中 f 等效導(dǎo)熱系數(shù)， Wm 1K 1 ； 夾層的厚度， m；TwTw 空氣夾層兩邊的壁面溫度， K。對(duì)于已知 d、d 、L 的空氣夾層管，只要在定常狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Q、Tw和Tw，即可 按下式計(jì)算得到空氣夾層保溫管的等效導(dǎo)熱系數(shù)；12)13)Qd f Ln f 2 L Tw Tmd真空夾層保溫管也可采用上述類同的概念和方法，測(cè)得等效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值。對(duì)于空過空氣夾層的熱量曾有不少學(xué)者進(jìn)行過大量的實(shí)驗(yàn)研究，

9、并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理 成各種準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。下列為其中一種形式：f /c Pr Gr n當(dāng) 103 PrGr 106時(shí)， c 0.105， n 0.3 當(dāng) 103 PrGr 1010時(shí)， c 0.40， n 0.3該關(guān)聯(lián)式以 Tm 1 Tw Tw 為定性溫度，夾層厚度 為定性尺寸。式中 f / 為等效導(dǎo)熱 2系數(shù)與空氣的真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)之比值。4. 熱損失速率 不論是裸蒸汽管還是有保溫層的蒸汽管， 均可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的冷凝液流量 ms ，kgs 1 求得 總的熱損失速率Qt msr（ 14）式中 r 蒸汽的冷凝熱， Jkg 1 。對(duì)于裸蒸汽管，由實(shí)測(cè)冷凝液流量按上式計(jì)算得到的總熱損失速率Qt ，即為裸管全Qf

10、 ，應(yīng)部外壁面（包括測(cè)試管壁面、分液瓶和連接管的表面積之和）散熱時(shí)的給熱速率由保溫測(cè)試段和裸露的連接管與分液瓶?jī)刹糠衷斐傻?。因此，保溫測(cè)試段的實(shí)際給熱速 率 Q 按下式計(jì)算：Q Qt Q0（ 15）式中 Q0為測(cè)試管下端裸露部分所造成的熱損失速率。 Q0 可按下式求得：Q0 Awo Tw Ta（ 16）式中 Awo 為測(cè)試管下端裸露部分（連接管和分液瓶）的外表面積， m2；、 Tw和Ta都由裸蒸汽管實(shí)驗(yàn)測(cè)得。五、裝置流程圖 1 裸管和絕熱管傳熱實(shí)驗(yàn)儀的裝置流程1. 蒸汽發(fā)器； 2. 排氣閥； 3. 加水閥； 4.升汽管； 5. 蒸汽包； 6. 放空閥； 7. 裸管； 8. 固體材料保溫 管；

11、9. 空氣夾層保溫管； 10. 液位計(jì)； 11.排水閥。蒸汽發(fā)生器為一電熱鍋爐，蒸汽壓力和溫度由儀表調(diào)節(jié)控制。蒸氣進(jìn)入蒸汽包后， 分別通向三根垂直安裝的測(cè)試管。 三根測(cè)試管依次為裸蒸汽管、 固體材料保溫管和夾層保溫管。測(cè)試管內(nèi)的蒸汽冷凝后，冷凝液流入分液瓶，少量蒸汽 和不凝性氣體并由出。六、使用步驟1、將儀器安放在平穩(wěn)的臺(tái)面上，并使各測(cè)試管保持垂直。2、首先將蒸汽包上方放空閥打開，關(guān)閉蒸汽出口閥。并將軟水由注水漏斗加入蒸汽發(fā)生器內(nèi)， 加入量約為蒸汽發(fā)生器上部汽化室總高度的 60%左右，器內(nèi)液面應(yīng)高于液位計(jì)32 處。器內(nèi)液面高度可通過液位計(jì)觀察3、然后，將蒸汽包上方放空閥調(diào)到微開， 同時(shí)根據(jù)需要

12、將溫度設(shè)定好 （一般在 110-120 度之間）。最后，接通電源，啟動(dòng)電源開關(guān)后按下加熱開關(guān)，即可加熱，將調(diào)壓器電流調(diào) 到 8-10A 左右。4、待蒸汽壓和各點(diǎn)溫度維持不變，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再開始各項(xiàng)測(cè)試操作。在一 定時(shí)間間隔內(nèi)，用量筒量取蒸汽冷凝量，同時(shí)分別測(cè)量室溫、蒸汽壓強(qiáng)和測(cè)試管上的各 點(diǎn)溫度等有關(guān)數(shù)據(jù)。5、重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 3 次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取其平均值。6、在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)特別注意保持狀態(tài)的穩(wěn)定。盡量避免測(cè)試管周轉(zhuǎn)空氣的擾動(dòng)， 例如門隨意的開關(guān)和人的走動(dòng)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)過程中，還應(yīng)隨 時(shí)監(jiān)視蒸汽發(fā)生器的液位計(jì)，以防液位過低而燒毀加熱器7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在停止加熱前應(yīng)將全部放

13、空閥打開，以防倒吸。七、注意事項(xiàng)1、蒸發(fā)器加水一般加到液位計(jì)的 2/3 即可，假若水位超過了此高度那么不管再加多 少水液位計(jì)的指示都不會(huì)改變。液位最少時(shí)也不能低于蒸汽發(fā)生器的 1/2 否則電熱管極 易燒壞！2、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)注意安全，不能開蒸發(fā)器上灌水閥門防止熱氣沖出燙傷3、測(cè)量時(shí)應(yīng)逐步加大氣相流量，記錄數(shù)據(jù)。否則實(shí)驗(yàn)數(shù)值誤差較大八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理1. 測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作基本參數(shù)裸蒸汽管外徑： dmm測(cè)試段長(zhǎng)度：連接管和分液器外表面積 ： Awo2 m保溫層材質(zhì)：固體材料保溫管保溫材料堆積密度b 54 kgm3252kg m 3保溫層內(nèi)徑dmm，保溫層外徑：保溫層長(zhǎng)度：Lmm裸管部分外表面積

14、：Awo2 m空氣夾層保溫管保溫層內(nèi)徑dmm，保溫層外徑：保溫層長(zhǎng)度：LmmAwo2 m1）設(shè)備參數(shù)L2）內(nèi)管基本參數(shù)：7mmmmmm蒸汽壓力計(jì)讀數(shù) Rmm（水柱），蒸汽冷凝熱 r蒸汽壓強(qiáng) PPa，蒸汽溫度 TJkg 12. 測(cè)量并記錄裸管、固體材料保溫管和空氣夾保溫管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 裸蒸汽管實(shí)驗(yàn)序號(hào)平均值123室溫Ta/冷凝液體積V/ml受熱時(shí)間t/s冷凝液溫度T1/冷凝液密度1/kg m-3管外壁溫度U/mVTW/固體材料保溫管實(shí)驗(yàn)序號(hào)平均值123室溫Ta/冷凝液體積V/ml受熱時(shí)間t/s冷凝液溫度T1/冷凝液密度1/kg m-3內(nèi)壁溫度U/mVTW/外壁溫度U/mVTW/空氣夾層保溫管實(shí)驗(yàn)序號(hào)平均值123室溫Ta/冷凝液體積 V/ml受熱時(shí)間 t/s8冷凝液溫度 T1/冷凝液密度 1/kg m-3蒸汽管外壁溫度 U/mVTW/套管外壁溫度 U/mVTW/3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理(1) 裸蒸汽管冷凝液流速總給熱速率總給熱面積給熱推動(dòng)力總給熱系數(shù)ms/kg s-1Q/WAW/m2T/Ka（實(shí)測(cè)值 ）/Wm-2K-1定性 溫度定性 尺寸空氣 密度空氣 黏度空氣 比熱容空氣導(dǎo) 熱系數(shù)空氣體積 膨脹系數(shù)Tm/Kd/m/kg -3 m/Pa s-1 -Cp/J kg-1K-1 - W/m-1K - 1/K-1PrGrPrGrCn給熱系數(shù)a（計(jì)算值）/Wm-2K