实验三 裸管和绝热管传热实验 - 西北农林科技大学 植物保护学院

实验三  裸管和绝热管传热实验 一、实验目的 蒸汽管道置于空间时，管面由于自然对流和热辐射向周围空间散发出热量。这种传热现象造成蒸汽输送管道的热损失，反之，在日常生活中的暖气设备却利用这种传热过程进行室内取暖。前者为了减少热损失，应尽量抑制传热过程；后者却需设法强化这种热量传递过程。 研究蒸汽管道向周围无限空间的热量传递过程，有着很大的实际意义。无论在理论上或实验上，许多学者都进行过大量的研究。但是，对这种传热过程规律性的认识，主要还是依靠实验研究。 为了抑制蒸汽管道的热损失，需研究各种绝热保温的方法和绝热性能良好的保温材料，这种研究也是基于实验观察和测量。 本实验采用一组垂直安装的蒸汽管，其中有裸蒸汽管、固体材料保温的蒸汽管和空气或真空夹层保温的蒸汽管，实验测定这三种蒸汽管的热损失速度、裸蒸汽管向周围无限空间的给热系数、固体保温材料的导热系数和空气（或真空）夹层保温管的等效导热系数。通过实验加深对传热过程基本原理的理解，进而掌握解决机理复杂的传热过程的实验研究和数据处理方法。 二、实验原理 1．裸蒸汽管 图1 裸蒸汽管外壁向空间 给热时的温度分布 如图1所示，当蒸汽管外壁温度Tw高于周围空间温度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率为 Qc = αcA w (Tw －Ta)            (1) 式中：Aw — 裸蒸汽管外壁总给热面积，m2； αc  － 管外壁向周围无限空间自然对流时的给热系数，W · m – 2 · K– 1。 管外壁以辐射方式给出热量的速率为 (2) 图1 裸蒸汽管外壁向空间 给热的温度分布 式中：C － 总辐射系数； φ － 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 QR = αRAw (Tw－Ta)            (3) 对比(2)(3)两式可得 (4) 式中αR称为管外壁向周围无向空间辐射的给热系数，W · m – 2 · K– 1。 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 Q = Qc + QR                                  (5) Q = (αc + αR) Aw (Tw－Ta)                        (6) 令α = αc + αR，则裸蒸汽管向周围无限空间散热时的总给热速率方程可简化表达为 Q = α Aw (Tw－Ta)                              (7) 式中α称为壁面向周围无限空间散热时的总给热系数，W · m – 2 · K– 1。它可表征在定常给热过程中，当推动力Tw－Ta = 1K时，单位壁面积上给热速率的大小。α值可根据(7)式直接由实验测定。 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 Nu = c (Pr · G r) n                          (8) 该式采用 为定性温度管外径d为定性尺寸，式中： 努塞尔准数                  普朗特准数                  格拉斯霍夫准数              上列各准数中λ、ρ、μ、Cp和β分别为在定性温度下的空气导热系数、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Pr · Gr = 1×10 –3－5×10 2时，C = 1.18，    n = ； 当Pr · Gr = 5×10 2－2×10 7时， C = 0.54，    n = ； 当Pr · Gr = 2×10 7－1×10 13时，C = 0.135，    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Tw，外壁温度为T′w，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率 (9) 式中d、d′和L均为实验设备的基本参数，只要实验测得Tw、T′w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 (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，也常采用空气夹层或真空夹层进行保温。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到两壁面相对位置和空间相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，另一方面从工程实际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为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：λ f － 等效导热系数，W · m – 2 · K– 1； δ － 夹层的厚度，m； Tw－T′w － 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、Tw和T′w，即可按下式计算得到空气夹层保温管的等效导热系数： (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。 对于通过空气夹层的热量传递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： λ f / λ = c (Pr·Gr) n                            (13) 当103＜ ( PrGr )＜106时，c = 0.105，n = 0.3 当103＜ ( PrGr )＜1010时，c = 0.40，n = 0.3 该关联式以 为定性温度，夹层厚度δ为定性尺寸。式中λ f / λ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ms，kg·s– 1求得总的热损失速率 Q t = m sr                                  (14) 式中：r － 蒸汽的冷凝热，J · kg – 1。 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Q t，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 = Q t。 对于保温蒸汽管，由实测冷凝液流量按上式计算得到的总热损失速率Q t，应由保温测试段和裸管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： Q = Q t－Qo                              (15) 式中Qo为测试管下端裸露部分造成的热损失速率。Qo可按下式求算： Qo = α A wo (Tw－Ta )                          (16) 式中A wo为测试管下端裸露部分（连接管和分液瓶）的外表面积，m2； α、Tw和Ta )和都裸蒸汽管实验测得。 四、试验装置 本实验装置主要由蒸汽发生器、蒸汽包、测试管和测量与控制仪表四部分组成，如图4所示。 蒸汽发生器为一电热锅炉，蒸汽压力和温度由控压调节控制。 蒸汽进入蒸汽包后，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由此排出。 各测试管的温度测量均采用铜—康铜感温元件，并通过转换开关由数字电压表显示。 图4  裸管和绝热管传热实验仪流程 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．蒸气包    9．蒸气发生器    10．注水槽    11．液位计 12．数字电压表    13．转换开关    14．冷井    15．热电偶 五、实验方法 实验测定前，向蒸汽发生器中注入适量软水，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）；然后打开电源开关，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。 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，并重复3~4次取其平均值。同时分别测量室温、蒸气压强和测试管上的各点温度等有关数据。 在试验过程中，应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。