传热、传质综合实验指导书

图1图1裸蒸汽管外壁向空间给热的温度分布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T高于周围空间温度T时，wa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Q=aA(T—T) (1)ccwwa式中：A—裸蒸汽管外壁总给热面积，m2；wac—管外壁向周围无限空间自然对流时的给热系数，cW•m-2•K-1。管外壁以辐射方式给出热量的速率为Q=C申A[(・)4-(匚)4] (2)Rw100100式中：C—总辐射系数；(P—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=aRAw(Tw—Ta) (3)

对比对比(2)(3)两式可得(4)(4)T—Twa式中aR称为管外壁向周围无向空间辐射的给热系数，W•m-2•K-1。R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TOC\o"1-5"\h\zQ=Qc+QR (5)Q=O+aR)Aw(Tw-Ta) (6)令a=a+aR,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cR\o"CurrentDocument"Q=aA(T-T) (7)wwa式中a称为壁面向周围无限空间散热时的总给热系数，W•m-2•K-1o它可表征在定常给热过程中，当推动力T-T=1K时，单位壁面积上给热速率的大小。a值可根据(7)式直接由wa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N=c(P・G)n (8)a r r该式采用T=1(T+T)为定性温度管外径d为定性尺寸，式中：m2wa努塞尔准数Nadu九C卩普朗特准数P=—p—r九格拉斯霍夫准数Gd3p2卩g(T—T)w ar卩2上列各准数中久、p、“、Cp和卩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P•G=1X10-3—5X102时，C=1.18，n=1；当P•G=5X102-2X107时，C=TT 8 TT0.54，n=-；当P•G=2X107-1X1013时，C=0.135，n=1；4TT32．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,外径为测试段长度为L内壁温度为T,外壁温度为厂，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ww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)T—T'(9)Q=2兀L九ww

d'Ln—

d

式中d、d'和L均为实验设备的基本参数，只要实验测得T、T和Q值，即可按上式得出ww(10)固体绝热材料导热系数的实验测定值，即(10)2冗L(T—T' )dww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：久f—等效导热系数，W•m-2•K-1；5—夹层的厚度，m；T—T—空气夹层两边的壁面温度，K。ww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、T和T,即可按下ww式计算得到空气夹层保温管的等效导热系数：X= Ln (12)f2冗L(T—T')dww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：久f/久=c(Pr・Gr)n (13)当103V(PG)V106时，c=0.105,n=0.3rr当103V(PG)V1010时，c=0.40,n=0.3rr该关联式以T=丄(T+T')为定性温度，夹层厚度§为定性尺寸。式中久f/久为等m2wwf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m，k・s-1求得sg总的热损失速率Qt=msr (14)式中：r—蒸汽的冷凝热，J•k-1og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Qt，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=Qto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Qt，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=Qt—Qo (15)式中Q为测试管下端裸露部分造成的热损失速率。Q可按下式求算：ooQ=aA(T—T) (16)owowa式中Awo为测试管下端裸露部分(连接管和分液瓶)的外表面积，m2；woa、T和T)和都裸蒸汽管实验测得。wa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一康铜感温元件，并通过转换开关由数字电压表显示。

2 3 7 8 9 10 12B图2 3 7 8 9 10 12B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。实验结束时，应将全部放空阀打开、再停止加热。六、实验数据整理1．测量并记录实验设备和操作基本参数(1)设备参数裸蒸汽管蒸汽管外径d=12mm蒸汽管长度L=800mm连接管和分液器外表面积Awo=0.0098m2wo固体材料保温管保温层材质膨胀珍珠岩散料保温材料堆积密度 pb=54kg•m-3〜252kg•m-3保温层内径d=12mm保温层外径d=40.8mm保温层长度L=800mm裸管部分外表面积A=wo0.0098m2空气夹层保温管蒸汽管外径d=12mm外套管外径d=33.5mm保温层长度L=800mm裸管部分外表面积A=wo0.0098m2(2)操作参数蒸汽压力计读数R=mm（水柱）蒸气压强P=Pa蒸汽温度T=°C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 值室 温 T/C冷凝液体积 V/ml受液时间 t/s冷凝液温度 t/C冷凝液密度 p,/kg•m-i管外壁温度 U/mVT/Cw

固体材料保温管实验序号平 均 值室 温 T/°C冷凝液体积 V/ml受液时间 t/s冷凝液温度 t/C冷凝液密度 P]/kg•m-i内壁温度 U/mVT/Cw外壁温度 U/mVT/Cw空气夹层保温管实验序号平 均 值室 温 T/C冷凝液体积 V/ml受液时间 t/s冷凝液温度 t/C冷凝液密度 p,/kg•m-i内壁温度 U/mVT/Cw外壁温度 U/mVT/C3．整理实验数据(1)裸蒸汽管冷凝液流率mskg•s-1总给热速率-Q-W总给热面积Awm总给热推动力ATK总给热系数a(实测值)W•m-2•K-1(1)(2)2(3)(4)(5)定性温度T定性尺寸 d空气密度P空气粘度U空 气比热容C空气导热系数空气体积膨胀系数mKmkg•m-3P•spJ•k-1•K-1W•m-1•K-1K-1(6)(7)(8)a(9)g(10)(11)(12)

普朗特数:Pr格拉斯霍夫数rP—JGrr^C给热系数a（实测值）^W•m-2•K-1(13)(14)（15）（16）（17）（18）列出上表中各项计算公式。（2）固体材料保温管冷凝液流率mskg-s-1热损失速率-Q-W推动力ATK导热系数W•m-2•K-1（1）（2）（3）（4）列出上表中各项计算公式。（3）空气夹层保温管冷凝液流率m热损失速率Q推动力AT等效导热系数a（实测值）skg-s-1WKW•m-2•K-1（1）（2）（4）（5）定性温度TmK定性尺寸m空气密度P空气粘度a空 气比热容C空气导热系数空气体积膨胀系数K-1kg-m-3P-spJ-k-1-K-1W•m-1•K-1（5）（6）（7）a（8）g（9）（10）（11）普朗特数r格拉斯霍夫数-=GrP-Gr r给热系数a（实测值）W•m-2•K-1(12)(13)(14)(15)(16)(17)列出上表中各项计算公式。4．分析、比较并讨论实验结果。2.液侧传质膜系数的测定一、实验目的填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。二、实验原理图1图1双膜模型浓度分布图图2填料塔的物料衡算图双膜模型的基本假设，气侧和液测得吸收质A的传质速率方程可分别表达为气膜 GA=kgA(pA－pAi) (1)液膜 GA=k1A(CAi－CA) (2)式中GA-A组分的传质速率，kmol•s-1AA-两相接触面积，m2；PA—气侧A组分的平均分压，Pa；pA,i—相界面上A组分的分压，Pa；CA—液侧A组分的平均浓度，kmol•m-3；AC..—相界面上A组分的浓度，kmol•m-3；A,ik—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol•m-2•s-1•P-1；gak1—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m•s-1。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为*G=KgA(Pa—Pa) ⑶*Ga=KlA(Ca—ca) ⑷式中pA为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；*CA为气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol•m-3；AK为以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，kmol・m-2.s-i・P-1；

GaKl为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m•s-1。若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA=HpA，则

111 =+—KkHkGg1(5)1 H 1 =+-K k kLg1(6)当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，kg=111 =+—KkHkGg1(5)1 H 1 =+-K k kLg1(6)当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，kg=k；Gg反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，KL=k1如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：FdG=fdCAp AL(a)式中Fl为液相摩尔流率，kmol•s-1.pL为液相摩尔密度，kmol•s-3；

根据传质速率基本方程，可写出该为分段的传质速率微分方程：*dG=K(C-C)aSdhALAA联立(a)和(b)两式可得：-1.(b)Fdh=lKaSpLLdDAC*-CA A(c)式中a为气液两相接触的比表面积，m2•m-3,S为填料塔的横截面积，m2.本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率fl和摩尔密度pL的比值，亦即液相体积流率(vs)L可视为定值，且设总传质系数kl和两相接触比表面积a,在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分(c)式，可得填料层高度的计算公式：h=h，Vh= s,L~-jCKaSC

LA,1A,2C=CA A,2C=CA A,1dC A C*—CAA(7)V令H= —，且称H为液本传质单元高度(HTU)；LKaS LLA,1A,2dC A,1A,2dC A C*-CAA且称Nl为液相传质单元数(HTU)。因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即(8)h=HlXNl(8)若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度：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为液相平均推动力,A,mACA,m—AC A2AC AC

ln A2ACA,1(C*—C)—(C*—C)C*—Cln— 因为本实验采用纯水吸收纯二氧化，则**C=CA,1=CA,1A,1=HpA=Hp二氧化碳的溶解度常数，kmol•m-3•P_ia(9)(10)(11)(12)(13)式中p为水的密度，kg•m-3；M为水的摩尔质量，kg•kmol-1；E为亨利系数，P。cca因此，（10）式可简化为CAC= A，1 （14）A,m C*ln a C*—CAA,1又因本实验采用的物系有仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计.在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜,即属液膜控制过程，则液侧体基传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即ka=Kaka=Ka=1LVC—C—Sr^.A?1 A?2hS ACA,m(15)对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式。其中，Sherwood－Holloway得出如下关联式：(16)TOC\o"1-5"\h\zka L 卩(16)~=A( )m-( L~)nD 卩 pDL L LL式中Dl—吸收质在水中的扩散系数，m2,s-1；L—液体质量流速，kg•m-2•s_i；"l—液体粘度，Pa•s或kg•m-1•s-1；PL—液体密度，kg•m-3。应该注意的是Sherwood—Hollwoay关联式中，(ka/Dl)和(L/〃L)两相没有特性长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A，m和n的具体数值需在一定条件下由实验求取。三、实验装置本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图3所示。图3填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程

1．二氧化碳钢瓶2．减压阀3．二氧化碳流量计4．填料塔

5．滴定计量球6．压差计7．水流量计8．高位水槽填料吸收塔采用直径为50mm的玻璃柱。柱内装填①5mm球形玻璃填料，填充高度300mm。吸收质一纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由上向下经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂—水由高位稳压水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，再洒喷而下。吸收后溶液由塔底经n形管排出。u形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。四、实验方法实验前，首先建填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至imp；同时，向高位稳压水槽注水，直至a溢流管有适量水溢流而出。实验操作可按如下步骤进行：⑴缓慢开启进水调节阀，水流量可在10—50L•h-1范围内选取。一般在此范围内选取5-6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出。以保证水压稳定。缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3•h-1左右为宜。当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测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测定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH；2溶液10mL，放入三角瓶中，并由他的附设的计量管的入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1N盐酸滴定，直至其脱除红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：NVC=—hci—hc- kmoi•m-3A 2V式中NHCl为标准盐酸溶液的当量浓度，VHCl为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样HCl HCl使用量之差值；mL；V为塔底溶液采样量，mL。五、实验结果1．测量并记录实验基本参数(1)填料柱：柱体内径d=50