裸管与绝热管传热的实验

实验十裸管与绝热管传热的实验一、实验目的1．加深对传热过程基本原理的理解；2．掌握解决机理复杂的传热过程的实验研究方法和数据处理方法。二、实验原理1．裸蒸汽管：当蒸汽管外壁温度TW高于周围温度Ta时，管外壁将以对流和辐射两种方式向周围空间传递热量。在周围空间无强制对流的状况下，当传热过程达到定常状态时，管外壁以对流方式给出热量的速度为：)T(TAαQaWWcc(1)管外壁以辐射方式给出热量的速率为：])100T()100T[(ACQ4a4WWR(2))T(TAαQaWWRR(3))T]/(T/100)(T/100)[(TCαaW4a4WR(4)因此，管外壁向周围空间因自然对流和辐射两种方式传递的总给热速率为)T(TαAQ)T(T)Aα(αQQQQaWWaWWRCRC(5)由自然对流给热实验数据整理得出的各种准数关联式为：naGr)c(PrN(6)2．固体材料保温管在定常状态下，单位时间内通过该绝热材料层的热量，即蒸汽管加以固体材料保温后的热损失速度率为:ddLn)TπL(T2Qλ/d)dLn(TTπLλ2Q'WW'WW(7)3．空气夹层保温管在工业和实验设备上，除了采用绝热材料进行保温外，也常采用空气零部件层或真空夹层进行保温。由于两壁面靠得很近，空气在密闭的夹层内自然对流时，冷热壁面的热边界层相互干扰，因而空气对流流动受壁面相对位置和空间形状及其大小的影响，情况比较复杂。同时，它又是一种同时存在导热、对流和辐射三种方式的复杂传热过程。因此，工程上采用等效导热系数的概念，将这种复杂传热过程虚拟为一种单纯的导热过程。用一个与夹层厚度相同的固体层的导热作用等效于空气夹层的传热总效果。因此，通过空气夹层的传热速率则可按导热速率方程来表达，即)T(TAδλQ'(8)λf---等效导热系数；δ---夹层的厚度；ddLn)TπL(T2Qλ'WWf(9)真空夹层保温管也可采用上述类同的概念和方法，测得等效导热系数的实验值。对于通过空气夹层的热量传递，将实验结果整理成各种准数关联式：nfGr)c(Pr/λλ当3.0,105.0,10)(Pr1063ncGr当3.0,40.0,10)(Pr10103ncGr该关联式以)(21'WWmTTT为定性温度，夹层厚度δ为定性尺寸。4．热损失速率不论是裸蒸汽管还是有保温层的蒸汽管，均可由实验测得的冷凝液流量求得总的热损失速率：rmQst对于裸蒸汽管，由实验冷凝液流量按上式计算得到的总热损失速率，即为裸管全部外壁面（包括测试管壁面、分液瓶和连接管的表面积之和）散热时的给热速率Q，即Q=Qt。对于保温蒸汽管，由实验冷凝液流量按上式计算得到的总热损失速率，应由保温测试段和裸露的连接管与分液瓶两部分造成的。因此，保温测试段的实际给热速率Q按下式计算：0QQQt式中Q0为测试管下端裸露部分所造成的热损失速率。按下式计算：)(00aWWTTAQAW0为测试管下端裸露部分的外表面积。四、实验装置及流程1．控压仪2.控压探头3．单管水柱压力计4.裸管5．固体材料保温管6.空气夹层保温管7．放空阀门8.蒸汽包9．蒸汽发生器10.注水槽11．液位计12.数字电压表13．转换开关14.冷阱15．热电偶五、实验步骤1．实验测定前，向蒸汽发生器中注入适量的蒸馏水，加入量约为发生器上部汽化室总高度的50~60%，器内液面切勿低于下部加热室上沿。先将单管压力计上控压元件放置在适当部位（一般将蒸汽压力控制在标尺的300~500mm处），再将蒸汽包上放空阀略微开启（用以排除不凝性气体）。2．打开电源开关，将电压调至200V左右，开始加热蒸汽发生器。当蒸汽压力接近控制点时关闭蒸汽包放空阀，仔细调节电压和电流，使蒸汽压力控制恒定（一般压力波动不大于5mm水柱）。一般情况下，上限电压可调到60~80V，上下限相差20V左右为宜。3．待蒸汽压和各点温度维持不变后再开始各项测试操作。在一定时间间隔内，用量筒量取蒸汽冷凝量，并重复几次取平均值。同时分别测量室温、蒸汽压强和测试管上的各点温度等有关数据。4．实验结束后，应将全部放空阀打开，再停止加热。实验注意事项：特别注意保持状态的稳定。尽量避免测试管周围空气的扰动，例如门意外的开关和人的走动都会对实验数据的稳定性产生影响。实验过程中，还应随时监视蒸汽发生器的液位计，以防液位过低而烧毁加热器。六、实验纪录1．测量并记录实验设备和操作基本参数（1）设备参数裸蒸汽管固体材料保温管蒸汽管外径d=mm保温材料堆积密度ρb=54~252kg·m-3蒸汽管长度L=mm保温层内径d=mm连接管和分液器外表面积AW0=m2保温层外径d=mm保温层长度L=mm裸管部分外表面积AW,0=m2空气夹层保温管(2)操作参数蒸汽管外径d=mm蒸汽压力计读数R=mm(水柱)外套管外径d’=mm蒸汽压强p=Pa保温层长度L=mm蒸汽温度T=℃裸露部分外表面积AW,0=m2蒸汽冷凝热r=J·kg-12.测量并记录裸管、固体材料保温管和空气夹层保温管的实验数据。裸蒸汽管实验序号平均值123室温Ta/℃冷凝液体积V/ml受热时间t/s冷凝液温度T1/℃冷凝液密度ρ1/kg·m-3管外壁温度U/mVTW/℃固体材料保温管实验序号平均值123室温Ta/℃冷凝液体积V/ml受热时间t/s冷凝液温度T1/℃冷凝液密度ρ1/kg·m-3内壁温度U/mVTW/℃外壁温度U’/mVT’W/℃空气夹层保温管实验序号平均值123室温Ta/℃冷凝液体积V/ml受热时间t/s冷凝液温度T1/℃冷凝液密度ρ1/kg·m-3蒸汽管外壁温度U/mVTW/℃套管外壁温度U’/mVT’W/℃3．实验数据整理(1)裸蒸汽管冷凝液流速总给热速率总给热面积给热推动力总给热系数ms/kg·s-1Q/WAW/m2ΔT/Ka(实测值)/W·m-2·K-1定性温度定性尺寸空气密度空气黏度空气比热容空气导热系数空气体积膨胀系数Tm/Kd/mρ/kg·m-3μ/Pa·sCp/J·kg-1·K-1λ/W·m-1·K-1β/K-1PrGrPr·GrCn给热系数a(计算值)/W·m-2·K-1列出上表中各项计算公式（2）固体材料保温管冷凝液流速热损失速率推动力导热系数ms/kg·s-1Q/WΔT/Kλ/W·m-1·K-1（3）空气夹层保温管冷凝液流速热损失速率推动力等效导热系数ms/kg·s-1Q/WΔT/Kλf(实测值)/W·m-1·K-1定性温度定性尺寸空气密度空气黏度空气比热容空气导热系数空气体积膨胀系数Tm/Kδ/mρ/kg·m-3μ/Pa·sCp/J·kg-1·K-1λ/W·m-1·K-1β/K-1PrGrPr·GrCn等效导热系数λf(计算值)/W·m-1·K-1列出上表中各项计算公式4．分析、比较并讨论实验结果