傳热传质综合实验指导书.doc

1. 裸管和绝热管传热实验 一、实验目的 蒸汽管道置于空间时，管表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 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) 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 Na = 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Pτ · Gτ = 1×10 –3－5×10 2时，C = 1.18，n = ；当Pτ · Gτ = 5×10 2－2×10 7时，C = 0.54，n = ；当Pτ · Gτ = 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