裸管和绝热管传热说明书

1裸管和绝热管传热实验装置使用说明书一、用途与特点裸管和绝热管传热实验仪适合于设有化学、应用化学、化工和轻工等专业各类学校，供化工原理实验室教学实验之用。本仪器是最新设计的小型化学工程实验装置，具有箱式整体结构、轻巧美观、性能可靠和使用方便等特点。本仪器由裸管、固体材料保温管和空气夹层保温管三部分组成。蒸气发生器采用电加热并由控压仪控制压力恒定，性能安全可靠。本实验仪可供实验的主要内容：（1）观察和比较裸管、固体材料保温管和夹层保温管散热速度的在，以及影响散热速率的主要因素。（2）实验测定裸管向周转空间总的放热系数，固体保温材料的导热系数，以及空气夹层有效导热系数。二、技术指标（1）外形尺寸：900mm（W）×450mm（D）×1000mm（H）（2）加热功率：2.5kW（3）工作压力：0.1-0.15MPa（4）操作温度：110-120℃（5）控温精度：±0.5℃（6）测温精度：±0.5℃三、主要设备及其规格（1）蒸汽发生器1台蒸发器尺寸：∮200mm×300mm电热管：2.5KW汽包：Ф42×3mm（2）裸管1支材质：紫铜管径：Ф12×1mm，测试段长度：600mm（3）固体材料保温管内管管径：Ф12×2mm（紫铜管）外管管径：Ф38×1.0mm（不锈钢）2保温材料：保温棉测试段长度：600mm（4）夹层保温管内管管径：Ф12×1.0mm（紫铜）内管管径：Ф38×1.0mm（不锈钢管）测试段长度：600mm（5）蒸汽压力控制518智能温控仪1块八路万能温度巡检仪1块用电流表调节加热电流和设定加热温度控制蒸汽压力。（8）测温仪表感温元件：K型，电压表：0－15A四、实验原理1.裸蒸汽管如图1所示，当蒸汽管外壁温度wT高于周转空间温度aT时，管外壁将以对流和辐射两种方式向周转空间传递热量。在周转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图1裸蒸汽管外壁向空间给热时的温度分布awwccTTAQ（1）式中wA——裸蒸汽管外壁总给热面积，m2；c——管外壁向周转无限空间自然对流时的给热系数，W·m2·K1。管外壁以辐射给出热量的速率为344100100awwRTTACQ（2）式中：C——总辐射系数；——角系数；若将（2）式表达为与（1）式类同的形式，则（2）式可改写为awwRRTTAQ（3）对比（2）（3）两式可得awawRTTTTC44100100（4）式中R称为管外壁向周转无限空间辐射的给热系数，W·m2·K1。因此，管外壁向周转空间因自然对流和辐射两种方式传递的总给热速率为RCQQQ（5）awwRCTTAQ（6）令RC，则裸蒸汽管向周转无限空间散热时的总给热速率方程可简化表达为awwTTAQ（7）式中称为壁面向周转无限空间散热时的总给热系数，W·m2·K1。它表征在定常给热过程中，当推动力KTTaw1时，单位壁面积上给热速率的大小。值可根据（7）式直接上实验测定。由自然对流给热实验数据整理得出的各种准数关联式，文献中已有不少记载。常用的关联式为nrraGPcN（8）该式采用awmTTT21为定性温度，管外径d为定性尺寸，式中：努塞尔准数adNu普兰特准数prCP格拉斯霍夫准数223awrTTgdG4上列各准数中、、、pC和分别为定性温度下的空气异热系数、密度、粘度、定压比热容和体积膨胀系数。对于竖直圆管，（8）式中的c和n值：当23105101rrGP时，18.1C，81n；72102105rrGP时，54.0C，41n；127101102rrGP时，135C，31n。2.固体材料保温管如图2所示，固体绝热材料圆筒壁的内径为d，外径为d，测试段长度为L，内壁温度为wT，外壁温度wT，则根据导热基本定律得出，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ddLnTTLQww2（9）式中d、d和L均为实验设备的基本参数，只要实验测得wT、wT和Q值，即可按上式得出固体绝热材料导热系数的实验测定值，即ddLnTTQww2（10）图2固体材料保温管的温度分布图3空气夹层保温管的温度分布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实夹层进行保温。如图3所示，在空气夹层保温管中，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两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、5对流和辐射三种方式的复杂的传热过程。对这种传热过程的研究，一方面对其传热机理进行探讨，另一方面从工程实用意义上考虑更重要的是设法确定这种复杂传热过程的总效果。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。由此，通过空气夹层的传热速率则可按导热速率方程来表达，即（11）式中f——等效导热系数，W·m1·K1；——夹层的厚度，m；wT—wT——空气夹层两边的壁面温度，K。对于已知d、d、L的空气夹层管，只要在定常状态下实验测得Q、wT和wT，即可按下式计算得到空气夹层保温管的等效导热系数；ddLnTTLQmwf2（12）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。对于空过空气夹层的热量曾有不少学者进行过大量的实验研究，并将实验结果整理成各种准数关联式。下列为其中一种形式：nfGrcPr/（13）当103＜rrGP＜106时，c0.105，n＝0.3当103＜rrGP＜1010时，c0.40，n＝0.3该关联式以wwmTTT21为定性温度，夹层厚度为定性尺寸。式中/f为等效导热系数与空气的真实导热系数之比值。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sm，kg·s1求得总的热损失速率rmQst（14）式中r——蒸汽的冷凝热，J·kg1。对于裸蒸汽管，由实测冷凝液流量按上式计算得到的总热损失速率tQ，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fQ，应6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（15）式中0Q为测试管下端裸露部分所造成的热损失速率。0Q可按下式求得：awwoTTAQ0（16）式中woA为测试管下端裸露部分（连接管和分液瓶）的外表面积，m2；、wT和aT都由裸蒸汽管实验测得。五、装置流程PT1T2T3T4T5T61345678910112图1裸管和绝热管传热实验仪的装置流程1.蒸汽发器；2.排气阀；3.加水阀；4.升汽管；5.蒸汽包；6.放空阀；7.裸管；8.固体材料保温管；9.空气夹层保温管；10.液位计；11.排水阀。蒸汽发生器为一电热锅炉，蒸汽压力和温度由仪表调节控制。蒸气进入蒸汽包后，分别通向三根垂直安装的测试管。三根测试管依次为裸蒸汽管、固体材料保温管和夹层保温管。测试管内的蒸汽冷凝后，冷凝液流入分液瓶，少量蒸汽和不凝性气体并由出。六、使用步骤1、将仪器安放在平稳的台面上，并使各测试管保持垂直。2、首先将蒸汽包上方放空阀打开，关闭蒸汽出口阀。并将软水由注水漏斗加入蒸汽发生器内，加入量约为蒸汽发生器上部汽化室总高度的60%左右，器内液面应高于液位计73∕2处。器内液面高度可通过液位计观察。3、然后，将蒸汽包上方放空阀调到微开，同时根据需要将温度设定好（一般在110-120度之间）。最后，接通电源，启动电源开关后按下加热开关，即可加热，将调压器电流调到8-10A左右。4、待蒸汽压和各点温度维持不变，即达到稳定状态后，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，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。5、重复进行实验3次，实验结果取其平均值。6、在实验过程中，应特别注意保持状态的稳定。尽量避免测试管周转空气的扰动，例如门随意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7、实验结束，在停止加热前应将全部放空阀打开，以防倒吸。七、注意事项1、蒸发器加水一般加到液位计的2/3即可，假若水位超过了此高度那么不管再加多少水液位计的指示都不会改变。液位最少时也不能低于蒸汽发生器的1/2否则电热管极易烧坏！2、实验操作时应注意安全，不能开蒸发器上灌水阀门防止热气冲出烫伤。3、测量时应逐步加大气相流量，记录数据。否则实验数值误差较大八、实验数据整理1.测量并记录实验设备和操作基本参数（1）设备参数裸蒸汽管外径：dmm，测试段长度：Lmm连接管和分液器外表面积：woAm2保温层材质：固体材料保温管保温材料堆积密度b54kg·m－3～252kg·m3保温层内径dmm，保温层外径：dmm保温层长度：Lmm裸管部分外表面积：woAm2空气夹层保温管保温层内径dmm，保温层外径：dmm保温层长度：LmmwoAm2（2）内管基本参数：8蒸汽压力计读数Rmm（水柱），蒸汽冷凝热rJ·kg1蒸汽压强PPa，蒸汽温度T℃2.测量并记录裸管、固体材料保温管和空气夹保温管的实验数据。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/s9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（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-110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