固體小球對流傳熱系數的測定遠程控制實驗講義實驗控制界面網址:35 實驗視頻網址:35:86 A 實驗目的工程上經常遇到憑藉流體宏觀運動將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過程, 此過程通稱為對流傳熱(或對流給熱。顯然流體的物性以及流體的流動狀態還有周圍的環境 都會影響對流傳熱。了解與測定各種環境下的對流傳熱系數具有重要的實際意義。通過本實驗可達到下列目的:(1 測定不同環境與小鋼球之間的對流傳熱系數,并對所得結果進行比較。 (2 了解非定常態導熱的特點以及畢奧準數(Bi的物理意義。 (3 熟悉流化床和固定床的操作特點。(4 熟悉并掌握計算機遠程控制實驗的操作特點及實驗方法。B 實驗原理自然界和工程上,熱量傳遞的機理有傳導、對流和輻射。傳熱時可能有幾種機理同時存 在,也可能以某種機理為主,不同的機理對應不同的傳熱方式或規律。當物體中有溫差存在時,熱量將由高溫處向低溫處傳遞,物質的導熱性主要是分子傳遞 現象的表現。通過對導熱的研究,傅立葉提出: dydTAQ q y y = (1式中:dydT- y方向上的溫度梯度 m K / 上式稱為傅立葉定律,表明導熱通量與溫度梯度成正比。負號表明,導熱方向與溫度梯 度的方向相反。金屬的導熱系數比非金屬大得多,大致在 50415K m W /范圍。純金屬的導熱系數隨 溫度升高而減小,合金卻相反,但純金屬的導熱系數通常高于由其所組成的合金。本實驗中, 小球材料的選取對實驗結果有重要影響。熱對流是流體相對于固體表面作宏觀運動時,引起的微團尺度上的熱量傳遞過程。事實 上, 它必然伴隨有流體微團間以及與固體壁面間的接觸導熱, 因而是微觀分子熱傳導和宏觀微 團熱對流兩者的綜合過程。具有宏觀尺度上的運動是熱對流的實質。流動狀態(層流和湍流 的不同,傳熱機理也就不同。牛頓提出對流傳熱規律的基本定律 - 牛頓冷卻定律:(f W T T A qA Q =(2并非物性常數,其取決于系統的物性因素,幾何因素和流動因素,通常由實驗來測定。本實驗測定的是小球在不同環境和流動狀態下的對流傳熱系數。強制對流較自然對流傳熱效果好,湍流較層流的對流傳熱系數要大。熱輻射是當溫度不同的物體,以電磁波形式,各輻射出具有一定波長的光子,當被相互 吸收后所發生的換熱過程。 熱輻射和熱傳導, 熱對流的換熱規律有著顯著的差別, 傳導與對流 傳熱速率都正比于溫度差, 而與冷熱物體本身的溫度高低無關。 熱輻射則不然, 即使溫差相同, 還與兩物體絕對溫度的高低有關。本實驗盡量避免熱輻射傳熱對實驗結果帶來誤差。物體的突然加熱和冷卻過程屬非定常導熱過程。此時導熱物體內的溫度,既是空間位置 又是時間的函數, (t z y x f T , , , =。物體在導熱介質的加熱或冷卻過程中,導熱速率同時取 決于物體內部的導熱熱阻以及與環境間的外部對流熱阻。 為了簡化, 不少問題可以忽略兩者之 一進行處理。然而能否簡化,需要確定一個判據。通常定義無因次準數畢奧數(Bi ,即物體 內部導熱熱阻與物體外部對流熱阻之比進行判斷。=Bi 外部對流熱阻內部導熱熱阻 A V=(3式中:AV= - 為特征尺寸,對于球體為 R/3若 Bi 數很小,1,表明內部導熱熱阻外部對流熱阻,此時,可忽略內部導熱熱 阻,可簡化為整個物體的溫度均勻一致,使溫度僅為時間的函數,即 (t f T =。這種將系統 簡化為具有均一性質進行處理的方法,稱為集總參數法。實驗表明,只要 Bi0(f T T A dtdTCV=- (4(dt CVA TT T T d ff= (5初始條件:f f T T T T t =00, 積分(5式得:(=ffT T T T tff dt CV A T T T T d 00(Fo Bi t CV A T T T T f f=exp exp 0 (62A V at Fo =(7定義時間常數 ACV=,分析(6式可知,當物體與環境間的熱交換經歷了四倍于時間 常數的時間后,即:4=t ,可得:018. 040=e T T T T ff表明過余溫度 f T T 的變化已達 98.2%,以后的變化僅剩 1.8%,對工程計算來說,往后 可近似作定常數處理。對小球63Sd R A V = 代入式(6整理得: ffS T T T T t Cd =0ln16 (8或 f fS S T T T T t Cd d Nu =02ln16 (9通過實驗可測得鋼球在不同環境和流動狀態下的冷卻曲線,由溫度記錄儀記下 Tt的關系,就可由式(8和式(9求出相應的 和 的值。Nu 對于氣體在 180000Re 20范圍,即高 數下,繞球換熱的經驗式為:Re 6. 0Pr Re 37. 0=Sd Nu (10若在靜止流體中換熱:。2=Nu C 預習與思考(1 影響熱量傳遞的因素有哪些? (2 數的物理含義是什么?Bi (3 本實驗對小球體的選擇有哪些要求,為什么?(4 本實驗加熱爐的溫度為何要控制在 400500,太高太低有何影響? (5 自然對流條件下實驗要注意哪些問題?(6 每次實驗的時間需要多長,應如何判斷實驗結束? (7 實驗需查找哪些數據,需測定哪些數據? (8 設計原始實驗數據記錄表。 (9 實驗數據如何處理?D 實驗裝置與流程實驗裝置可參考控制網頁界面。實驗裝置由風機、砂粒床層、管式加熱爐、玻璃轉子流 量計、帶嵌裝熱電偶的不銹鋼球、溫控儀表、溫度顯示儀表、管路調節閥門、小球運行軌道以 及計算機遠程控制服務器等單元組成。E 實驗步驟及方法(1 從 IE 瀏覽器登錄進入固體小球對流傳熱系數的測定遠程控制界面,同時新建 IE 窗口打開實驗視頻網頁。如圖所示: (2 點擊“總電源開關”系統通電,點擊“加熱爐溫設定”框,調節加熱溫度至 400500。(3 待溫度上升至設定爐溫后,點擊“加熱小球” ,觀察視頻畫面,可發現導軌將小球放 入加熱爐中,當小球溫度升至 400時,可取出鋼球,準備放在不同的環境條件下進行傳熱實 驗, 鋼球的溫度隨時間變化的關系由溫度記錄軟件記錄, 稱為冷卻曲線。 每次實驗前必須在控 制界面右上方設定“實驗存盤編號”,防止數據覆蓋的誤操作。 (4 自然對流實驗：點擊“自然對流散熱”通過導軌將加熱好的鋼球迅速取出，置于大氣 當中，同時開始記錄冷卻曲線，此時可通過點擊“結果查詢”按鈕查看實驗數據情況。實驗完 成后，點擊“停止曲線記錄”和“停車重新實驗” ，準備進入下一狀態的實驗操作。 (5 強制對流實驗：設定風機流量（范圍 4070）后，點擊“強制對流散熱”通過導軌將 加熱好的鋼球迅速取出，置于床層上方，此時風機啟動，并開始記錄冷卻曲線，此時可通過點 擊“結果查詢”按鈕查看實驗數據情況。實驗完成后，點擊“停止曲線記錄”和“停車重新實 驗” ，準備進入下一狀態的實驗操作。 (6 固定床實驗：點擊“固定床散熱”通過導軌將加熱好的鋼球迅速取出，此時風機啟動， 小球被移動至床層底部，風機自動關閉，完成固定床安置狀態，并開始記錄冷卻曲線，此時可 通過點擊“結果查詢”按鈕查看實驗數據情況。實驗完成后，點擊“停止曲線記錄”和“停車 重新實驗” ，準備進入下一狀態的實驗操作。 (7 流化床實驗：點擊“流化床散熱”通過導軌將加熱好的鋼球迅速取出，此時風機啟動， 小球被移動至床層底部，開始進行流化床傳熱實驗，同時冷卻曲線記錄啟動，此時可通過點擊 “結果查詢” 按鈕查看實驗數據情況。 實驗完成后， “停止曲線記錄” “停車重新實驗” 點擊 和 ， 實驗結束。 F 實驗數據及處理 1.原始數據表 （此處粘貼打印出的曲線及表格） 2.數據處理要求 (1 計算不同環境和流動狀態下的對流傳熱系數 。 (2 計算實驗用小球的 Bi 準數，確定其值是否小于 0.1。 (3 將實驗值與理論值進行比較。 G 結果與討論 (1 基本原理的應用是否正確？ (2 對比不同環境條件下的對流傳熱系數。 (3 分析實驗結果同理論值偏差的原因。 (4 對實驗方法與實驗結果討論。 H 主要符號說明 A - 面積， m 2 ； Bi - 畢奧準數， 無因次； C - 比熱， J kgK ； d S - 小球直徑， m ； Fo - 傅立葉準數， 無因次； Nu - 努塞爾準數， 無因次； Pr - 普朗特準數， 無因次； q y - 方向上單位時間單位面積的導熱量， J m 2 s ； Q y - 方向上的導熱速率， R - 半徑， m ； J s ； Re