傳熱、傳質綜合實驗指導書

圖1圖1裸蒸汽管外壁向空間給熱的溫度分布1.裸管和絕熱管傳熱實驗一、實驗目的蒸汽管道置于空間時，管表面由于自然對流和熱輻射向周圍空間散發(fā)出熱量。這種傳熱現(xiàn)象造成蒸汽輸送管道的熱損失，反之，在日常生活中的暖氣設備卻利用這種傳熱過程進行室內取暖。前者為了減少熱損失，應盡量抑制傳熱過程；后者卻需設法強化這種熱量傳遞過程。研究蒸汽管道向周圍無限空間的熱量傳遞過程，有著很大的實際意義。無論在理論上或實驗上，許多學者都進行過大量的研究。但是，對這種傳熱過程規(guī)律性的認識，主要還是依靠實驗研究。為了抑制蒸汽管道的熱損失，需研究各種絕熱保溫的方法和絕熱性能良好的保溫材料，這種研究也是基于實驗觀察和測量。本實驗采用一組垂直安裝的蒸汽管，其中有裸蒸汽管、固體材料保溫的蒸汽管和空氣或真空夾層保溫的蒸汽管，實驗測定這三種蒸汽管的熱損失速度、裸蒸汽管向周圍無限空間的給熱系數、固體保溫材料的導熱系數和空氣(或真空)夾層保溫管的等效導熱系數。通過實驗加深對傳熱過程基本原理的理解，進而掌握解決機理復雜的傳熱過程的實驗研究和數據處理方法。二、實驗原理1．裸蒸汽管如圖1所示，當蒸汽管外壁溫度T高于周圍空間溫度T時，wa管外壁將以對流和輻射兩種方式向周圍空間傳遞熱量。在周圍空間無強制對流的狀況下，當傳熱過程達到定常狀態(tài)時，管外壁以對流方式給出熱量的速率為Q=aA(T—T) (1)ccwwa式中：A—裸蒸汽管外壁總給熱面積，m2；wac—管外壁向周圍無限空間自然對流時的給熱系數，cW?m-2?K-1。管外壁以輻射方式給出熱量的速率為Q=C申A[(?)4-(匚)4] (2)Rw100100式中：C—總輻射系數；(P—角系數。若將(2)式表達為與(1)式類同的形式，則(2)式可改寫為QR=aRAw(Tw—Ta) (3)

對比對比(2)(3)兩式可得(4)(4)T—Twa式中aR稱為管外壁向周圍無向空間輻射的給熱系數，W?m-2?K-1。R因此，管外壁向周圍空間因自然對流和輻射兩種方式傳遞的總給熱速率為TOC\o"1-5"\h\zQ=Qc+QR (5)Q=O+aR)Aw(Tw-Ta) (6)令a=a+aR,則裸蒸汽管向周圍無限空間散熱時的總給熱速率方程可簡化表達為cR\o"CurrentDocument"Q=aA(T-T) (7)wwa式中a稱為壁面向周圍無限空間散熱時的總給熱系數，W?m-2?K-1o它可表征在定常給熱過程中，當推動力T-T=1K時，單位壁面積上給熱速率的大小。a值可根據(7)式直接由wa實驗測定。由自然對流給熱實驗數據整理得出的各種準數關聯(lián)式，文獻中已有不少記載。常用的關聯(lián)式為N=c(P?G)n (8)a r r該式采用T=1(T+T)為定性溫度管外徑d為定性尺寸，式中：m2wa努塞爾準數Nadu九C卩普朗特準數P=—p—r九格拉斯霍夫準數Gd3p2卩g(T—T)w ar卩2上列各準數中久、p、“、Cp和卩分別為在定性溫度下的空氣異熱系數、密度、粘度、定壓比熱容和體積膨脹系數。對于豎直圓管，(8)式中的c和n值：當P?G=1X10-3—5X102時，C=1.18，n=1；當P?G=5X102-2X107時，C=TT 8 TT0.54，n=-；當P?G=2X107-1X1013時，C=0.135，n=1；4TT32．固體材料保溫管如圖2所示，固體絕熱材料圓筒壁的內徑為d,外徑為測試段長度為L內壁溫度為T,外壁溫度為廠，則根據導熱基本定律得出：在定常狀態(tài)下，單位時間內通過該絕熱ww材料層的熱量，即蒸汽管加以固體材料保溫后的熱損失速率(9)T—T'(9)Q=2兀L九ww

d'Ln—

d

式中d、d'和L均為實驗設備的基本參數，只要實驗測得T、T和Q值，即可按上式得出ww(10)固體絕熱材料導熱系數的實驗測定值，即(10)2冗L(T—T' )dww圖2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圖2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)和實驗設備上，除了采用絕熱材料進行保溫外，也常采用空氣夾層或真空夾層進行保溫。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自然對流時，冷熱壁面的熱邊界層相互干擾。因而空氣對流流動受到兩壁面相對位置和空間相形狀及其大小的影響，情況比較復雜。同時，它又是一種同時存在導熱、對流和輻射三種方式的復雜的傳熱過程。對這種傳熱過程的研究，一方面對其傳熱機理進行探討，另一方面從工程實際意義上考慮更重要的是設法確定這種復雜傳熱過程的總效果。因此，工程上采用等效導熱系數的概念，將這種復雜傳熱過程虛擬為一種單純的導熱過程。用一個與夾層厚度相同的固體層的導熱作為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熱速率方程來表達，即(11)式中：久f—等效導熱系數，W?m-2?K-1；5—夾層的厚度，m；T—T—空氣夾層兩邊的壁面溫度，K。ww對于已知d、d\L的空氣夾層管，只要在定常狀態(tài)下實驗測得Q、T和T,即可按下ww式計算得到空氣夾層保溫管的等效導熱系數：X= Ln (12)f2冗L(T—T')dww真空夾層保溫管也可采用上述類同的概念和方法，測得等效導熱系數的實驗值。對于通過空氣夾層的熱量傳遞曾有不少學者進行過大量的實驗研究，并將實驗結果整理成各種準數關聯(lián)式。下列為其中一種形式：久f/久=c(Pr?Gr)n (13)當103V(PG)V106時，c=0.105,n=0.3rr當103V(PG)V1010時，c=0.40,n=0.3rr該關聯(lián)式以T=丄(T+T')為定性溫度，夾層厚度§為定性尺寸。式中久f/久為等m2wwf效導熱系數與空氣的真實導熱系數之比值。4．熱損失速率不論是裸蒸汽管還是有保溫層的蒸汽管，均可由實驗測得的冷凝液流量m，k?s-1求得sg總的熱損失速率Qt=msr (14)式中：r—蒸汽的冷凝熱，J?k-1og對于裸蒸汽管，由實測冷凝液流量按上式計算得到的總熱損失速率Qt，即為裸管全部

外壁面(包括測試管壁面、分液瓶和連接管的表面積之和)散熱時的給熱速率Q,即Q=Qto對于保溫蒸汽管，由實測冷凝液流量按上式計算得到的總熱損失速率Qt，應由保溫測試段和裸管的連接管與分液瓶兩部分造成的。因此，保溫測試段的實際給熱速率Q按下式計算：Q=Qt—Qo (15)式中Q為測試管下端裸露部分造成的熱損失速率。Q可按下式求算：ooQ=aA(T—T) (16)owowa式中Awo為測試管下端裸露部分(連接管和分液瓶)的外表面積，m2；woa、T和T)和都裸蒸汽管實驗測得。wa四、試驗裝置本實驗裝置主要由蒸汽發(fā)生器、蒸汽包、測試管和測量與控制儀表四部分組成，如圖4所示。蒸汽發(fā)生器為一電熱鍋爐，蒸汽壓力和溫度由控壓調節(jié)控制。蒸汽進入蒸汽包后，分別通向三根垂直安裝的測試管。三根測試管依次為裸蒸汽管、固體材料保溫管和夾層保溫管。測試管內的蒸汽冷凝后，冷凝液流入分液瓶，少量蒸汽和不凝性氣體由此排出。各測試管的溫度測量均采用銅一康銅感溫元件，并通過轉換開關由數字電壓表顯示。

2 3 7 8 9 10 12B圖2 3 7 8 9 10 12B圖4裸管和絕熱管傳熱實驗儀流程1．控壓儀2．控壓探頭3．單管水柱壓力計4．裸管5．固體材料保溫管6．空氣夾層保溫管7．放空閥門8．蒸氣包9．蒸氣發(fā)生器10．注水槽11．液位計12．數字電壓表 13．轉換開關 14．冷井 15．熱電偶五、實驗方法實驗測定前，向蒸汽發(fā)生器中注入適量軟水，加入量約為發(fā)生器上部汽化室總高度的50-60%，器內液面切勿低于下部加熱室上沿。先將單管壓力計上控壓元件放置在適當部位（一般將蒸汽壓力控制在標尺的300?500mm處）；再將蒸汽包上放空閥略微開啟（用以排除不凝性氣體）；然后打開電源開關，將電壓調至200V左右，開始加熱蒸汽發(fā)生器。當蒸汽壓力接近控制點時關閉蒸汽包放空閥、仔細調節(jié)電壓和電流，使蒸汽壓力控制恒定（一般壓力波動不大于5mm水柱）。一般情況下，上限電壓可調到60?80V，上下限相差20V左右為宜。待蒸汽壓和各點溫度維持不變，即達到穩(wěn)定狀態(tài)后，再開始各項測試操作。在一定時間間隔內，用量筒量取蒸汽冷凝量，并重復3?4次取其平均值。同時分別測量室溫、蒸氣壓強和測試管上的各點溫度等有關數據。在試驗過程中，應特別注意保持狀態(tài)的穩(wěn)定。盡量避免測試管周圍空氣的擾動，例如門的開關和人的走動都會對實驗數據的穩(wěn)定性產生影響。實驗過程中，還應隨時監(jiān)視蒸汽發(fā)生器的液位計，以防液位過低而燒毀加熱器。實驗結束時，應將全部放空閥打開、再停止加熱。六、實驗數據整理1．測量并記錄實驗設備和操作基本參數(1)設備參數裸蒸汽管蒸汽管外徑d=12mm蒸汽管長度L=800mm連接管和分液器外表面積Awo=0.0098m2wo固體材料保溫管保溫層材質膨脹珍珠巖散料保溫材料堆積密度 pb=54kg?m-3?252kg?m-3保溫層內徑d=12mm保溫層外徑d=40.8mm保溫層長度L=800mm裸管部分外表面積A=wo0.0098m2空氣夾層保溫管蒸汽管外徑d=12mm外套管外徑d=33.5mm保溫層長度L=800mm裸管部分外表面積A=wo0.0098m2(2)操作參數蒸汽壓力計讀數R=mm（水柱）蒸氣壓強P=Pa蒸汽溫度T=°C蒸汽冷凝熱r=J?kg-12．測量并記錄裸管、固體材料保溫管和空氣夾層保溫管的實驗數據。裸蒸汽管實驗序號平 均 值室 溫 T/C冷凝液體積 V/ml受液時間 t/s冷凝液溫度 t/C冷凝液密度 p,/kg?m-i管外壁溫度 U/mVT/Cw

固體材料保溫管實驗序號平 均 值室 溫 T/°C冷凝液體積 V/ml受液時間 t/s冷凝液溫度 t/C冷凝液密度 P]/kg?m-i內壁溫度 U/mVT/Cw外壁溫度 U/mVT/Cw空氣夾層保溫管實驗序號平 均 值室 溫 T/C冷凝液體積 V/ml受液時間 t/s冷凝液溫度 t/C冷凝液密度 p,/kg?m-i內壁溫度 U/mVT/Cw外壁溫度 U/mVT/C3．整理實驗數據(1)裸蒸汽管冷凝液流率mskg?s-1總給熱速率-Q-W總給熱面積Awm總給熱推動力ATK總給熱系數a(實測值)W?m-2?K-1(1)(2)2(3)(4)(5)定性溫度T定性尺寸 d空氣密度P空氣粘度U空 氣比熱容C空氣導熱系數空氣體積膨脹系數mKmkg?m-3P?spJ?k-1?K-1W?m-1?K-1K-1(6)(7)(8)a(9)g(10)(11)(12)

普朗特數:Pr格拉斯霍夫數rP—JGrr^C給熱系數a（實測值）^W?m-2?K-1(13)(14)（15）（16）（17）（18）列出上表中各項計算公式。（2）固體材料保溫管冷凝液流率mskg-s-1熱損失速率-Q-W推動力ATK導熱系數W?m-2?K-1（1）（2）（3）（4）列出上表中各項計算公式。（3）空氣夾層保溫管冷凝液流率m熱損失速率Q推動力AT等效導熱系數a（實測值）skg-s-1WKW?m-2?K-1（1）（2）（4）（5）定性溫度TmK定性尺寸m空氣密度P空氣粘度a空 氣比熱容C空氣導熱系數空氣體積膨脹系數K-1kg-m-3P-spJ-k-1-K-1W?m-1?K-1（5）（6）（7）a（8）g（9）（10）（11）普朗特數r格拉斯霍夫數-=GrP-Gr r給熱系數a（實測值）W?m-2?K-1(12)(13)(14)(15)(16)(17)列出上表中各項計算公式。4．分析、比較并討論實驗結果。2.液側傳質膜系數的測定一、實驗目的填料塔在傳質過程的有關單元操作中，應用十分廣泛。實驗研究傳質過程的控制步驟，測定傳質膜系數和總傳質系數，尤為重要。本實驗采用水吸收二氧化碳，測定填料塔的液側傳質膜系數、總傳質系數和傳質單元高度，并通過實驗確立液側傳質膜系數與各項操作條件的關系。通過實驗，學習掌握研究物質傳遞過程的一種實驗方法，并加深對傳質過程原理的理解。二、實驗原理圖1圖1雙膜模型濃度分布圖圖2填料塔的物料衡算圖雙膜模型的基本假設，氣側和液測得吸收質A的傳質速率方程可分別表達為氣膜 GA=kgA(pA－pAi) (1)液膜 GA=k1A(CAi－CA) (2)式中GA-A組分的傳質速率，kmol?s-1AA-兩相接觸面積，m2；PA—氣側A組分的平均分壓，Pa；pA,i—相界面上A組分的分壓，Pa；CA—液側A組分的平均濃度，kmol?m-3；AC..—相界面上A組分的濃度，kmol?m-3；A,ik—以分壓表達推動力的氣側傳質膜系數，kmol?m-2?s-1?P-1；gak1—以物質的量濃度表達推動力的液側傳質膜系數，m?s-1。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質過程推動力的相際傳質速率方程又可分別表達為*G=KgA(Pa—Pa) ⑶*Ga=KlA(Ca—ca) ⑷式中pA為液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；*CA為氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol?m-3；AK為以氣相分壓表示推動力的總傳質系數或簡稱為氣相傳質總系數，kmol?m-2.s-i?P-1；

GaKl為以液相濃度表示推動力的總傳質系數，或簡稱為液相傳質總系數，m?s-1。若氣液相平衡關系遵循亨利定律：CA=HpA，則

111 =+—KkHkGg1(5)1 H 1 =+-K k kLg1(6)當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質過程受氣膜傳質速率控制，此時，kg=111 =+—KkHkGg1(5)1 H 1 =+-K k kLg1(6)當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質過程受氣膜傳質速率控制，此時，kg=k；Gg反之，當液膜阻力遠大于氣膜阻力時，則相際傳質過程受液膜傳質速率控制，此時，KL=k1如圖2所示，在逆流接觸的填料層內，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收質A的物料衡算可得：FdG=fdCAp AL(a)式中Fl為液相摩爾流率，kmol?s-1.pL為液相摩爾密度，kmol?s-3；

根據傳質速率基本方程，可寫出該為分段的傳質速率微分方程：*dG=K(C-C)aSdhALAA聯(lián)立(a)和(b)兩式可得：-1.(b)Fdh=lKaSpLLdDAC*-CA A(c)式中a為氣液兩相接觸的比表面積，m2?m-3,S為填料塔的橫截面積，m2.本實驗采用水吸收純二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫下溶解度較小，因此，液相摩爾流率fl和摩爾密度pL的比值，亦即液相體積流率(vs)L可視為定值，且設總傳質系數kl和兩相接觸比表面積a,在整個填料層內為一定值，則按下列邊值條件積分(c)式，可得填料層高度的計算公式：h=h，Vh= s,L~-jCKaSC

LA,1A,2C=CA A,2C=CA A,1dC A C*—CAA(7)V令H= —，且稱H為液本傳質單元高度(HTU)；LKaS LLA,1A,2dC A,1A,2dC A C*-CAA且稱Nl為液相傳質單元數(HTU)。因此，填料層高度為傳質單元高度與傳質單元數之乘積，即(8)h=HlXNl(8)若氣液平衡關系遵循亨利定律，即平衡曲線為直線，則（7）式可用解析法解得填料層高度的計算式，亦即可用下列平均推動力法計算填料層高度和液相傳質單元高度：Vh=s,LKaS

LC—C―A4 A2ACA,mCA,1—C /ACA,2A,mVh=s,LKaS

LC—C―A4 A2ACA,mCA,1—C /ACA,2A,m式中ACA為液相平均推動力,A,mACA,m—AC A2AC AC

ln A2ACA,1(C*—C)—(C*—C)C*—Cln— 因為本實驗采用純水吸收純二氧化，則**C=CA,1=CA,1A,1=HpA=Hp二氧化碳的溶解度常數，kmol?m-3?P_ia(9)(10)(11)(12)(13)式中p為水的密度，kg?m-3；M為水的摩爾質量，kg?kmol-1；E為亨利系數，P。cca因此，（10）式可簡化為CAC= A，1 （14）A,m C*ln a C*—CAA,1又因本實驗采用的物系有僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計.在此情況下，整個傳質過程阻力都集中于液膜,即屬液膜控制過程，則液側體基傳質膜系數等于液相體積傳質總系數，亦即ka=Kaka=Ka=1LVC—C—Sr^.A?1 A?2hS ACA,m(15)對于填料塔，液側體積傳質膜系數與主要影響因素之間的關系，曾有不少研究者由實驗得出各種關聯(lián)式。其中，Sherwood－Holloway得出如下關聯(lián)式：(16)TOC\o"1-5"\h\zka L 卩(16)~=A( )m-( L~)nD 卩 pDL L LL式中Dl—吸收質在水中的擴散系數，m2,s-1；L—液體質量流速，kg?m-2?s_i；"l—液體粘度，Pa?s或kg?m-1?s-1；PL—液體密度，kg?m-3。應該注意的是Sherwood—Hollwoay關聯(lián)式中，(ka/Dl)和(L/〃L)兩相沒有特性長度。因此，該式也不是真正無因次準數關聯(lián)式。該式中A，m和n的具體數值需在一定條件下由實驗求取。三、實驗裝置本實驗裝置由填料吸收塔、二氧化碳鋼瓶、高位穩(wěn)壓水槽和各種測量儀表組成，其流程如圖3所示。圖3填料吸收塔液側傳質膜系數測定實驗裝置流程

1．二氧化碳鋼瓶2．減壓閥3．二氧化碳流量計4．填料塔

5．滴定計量球6．壓差計7．水流量計8．高位水槽填料吸收塔采用直徑為50mm的玻璃柱。柱內裝填①5mm球形玻璃填料，填充高度300mm。吸收質一純二氧化碳氣體由鋼瓶經二次減壓閥、調節(jié)閥和轉子流量計，進入塔底。氣體由上向下經過填料層與液相逆流接觸，最后由柱頂放空。吸收劑—水由高位穩(wěn)壓水槽，經調節(jié)閥和流量計，進入塔頂，再灑噴而下。吸收后溶液由塔底經n形管排出。u形液柱壓差計用以測量塔底壓強和填料層的壓強降。四、實驗方法實驗前，首先建填料塔的進氣閥和進水閥，以及二氧化碳二次減壓閥是否均已關嚴；然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，將壓力調至imp；同時，向高位穩(wěn)壓水槽注水，直至a溢流管有適量水溢流而出。實驗操作可按如下步驟進行：⑴緩慢開啟進水調節(jié)閥，水流量可在10—50L?h-1范圍內選取。一般在此范圍內選取5-6個數據點。調節(jié)流量時一定要注意保持高位穩(wěn)壓水槽有適量溢流水流出。以保證水壓穩(wěn)定。緩慢開啟進氣調節(jié)閥。二氧化碳流量一般控制在0.1m3?h-1左右為宜。當操作達到定常狀態(tài)之后，測量塔頂和塔底的水溫和氣溫，同時，測定塔底它的水溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的測定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH；2溶液10mL，放入三角瓶中，并由他的附設的計量管的入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示劑數滴，最后用0.1N鹽酸滴定，直至其脫除紅色的瞬時為止。由空白試驗與溶液滴定用量之差值，按下式計算得出溶液中二氧化碳的濃度：NVC=—hci—hc- kmoi?m-3A 2V式中NHCl為標準鹽酸溶液的當量濃度，VHCl為實際滴定用量，即空白試驗用量與滴定試樣HCl HCl使用量之差值；mL；V為塔底溶液采樣量，mL。五、實驗結果1．測量并記錄實驗基本參數(1)填料柱：柱體內徑d=50