1、固體小球對流傳熱系數的測定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。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

2、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：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50415W/m K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式中:dTdyqyQyA

3、-y 方向上的溫度梯度dTdyK/m(1)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:Q qA ATWTf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

4、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 f x, y, z, 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。內部導熱熱阻=_=V外部對流熱阻1A式中：VA-為特征尺寸，對于球體為R/3

5、-，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 Bi0.1，忽略內部熱阻進行計算，其誤差不大于 5%,通常為工程計算所允許。將一直徑為 ds溫度為T0的小鋼球，置于溫度為恒定Tf的周圍環境中，若T0Tf,小 球的瞬時溫度T,隨著時間t的增加而減小。根據熱平衡原理，球體熱量隨時間的變化應等于通過對流換熱向周圍環境的散熱速率。-JT若 Bi 數很小，一CV AT Tfdtd TTfACVdtTTf初始條件：t0, TTfT。Tf積分式得：T

6、Tfd TTfAtdtTTfTTfCV0TTfAexptexp Bi FoT0IfCVFo后可近似作定常數處理。6 t T Tf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，at定義時間常數常數的時間后，即:CVA,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表明過余溫度T4，可得:T TfToTf4e 0.018Tf的變化已達 98.2%，以后的變化僅剩1.8%，對工程計算來說，往ds6代入式(6)整理得:(8)Nuds旦 1ln 匕6 t T Tf(9)就可由式(8)和式(9)求出相應的 和Nu的值。對于氣體在20 Re 180000范圍，

7、即高Re數下，繞球換熱的經驗式為:若在靜止流體中換熱：Nu 2。C 預習與思考(1)明確實驗目的。(2)影響熱量傳遞的因素有哪些？(3)Bi數的物理含義是什么？(4)本實驗對小球體的選擇有哪些要求，為什么？ 本實驗加熱爐的溫度為何要控制在400500C,太高太低有何影響?(6)自然對流條件下實驗要注意哪些問題？(7)每次實驗的時間需要多長，應如何判斷實驗結束？(8)實驗需查找哪些數據，需測定哪些數據？(9)設計原始實驗數據記錄表。(10) 實驗數據如何處理？D 實驗裝置與流程如圖 2-13 所示。I一捷新*Uii-.no,* 2-KTjfiWt! ,【剽札ww 6-脫HJ , 7-rkW（內栓

8、*451 H E野式電加熱爐門Bwg，PTI AllI艸斜（理口宇尤）.Ji-11怕腫習能我減1匸先）一加迪爐梓詁W僮衣Q丁一扣|.晦f憶沈閉中色八討一坡吩閥拓一閥門圖 2-3 測定固體小球對流傳熱系數的實驗裝置E 實驗步驟及方法1.測定小鋼球的直徑 ds。2.打開管式加熱爐的加熱電源，調節加熱溫度至400500C。a）檢查電源線火線、零線、 地線連接是否正確，電線是否有破損，確認無誤后才能給裝置通電；b） 接通裝置電源（220V/50HZ ），此時電源開關紅色指示燈亮；c）按下各測溫溫控開關，此時管式電加熱爐控溫表和管式電加熱爐溫控表及小球測溫 表同時通電。d） 將管式電加熱爐控溫表（4）設

9、定溫度為實驗所需的溫度值450C。3.打開計算機處于工作狀態。啟動計算機控制軟件。4.將嵌有熱電偶的小鋼球置于電加熱爐的支架上，從溫度計錄儀上觀察鋼球溫度的變化。當小球溫度升至 450C時，迅速取出鋼球，放在不同的環境條件下進行實驗，鋼球的溫度隨 時間變化的關系由計算機記錄，稱冷卻曲線。5.裝置運行的環境條件有：自然對流，強制對流，固定床和流化床。流動狀態有：層流和 湍流。6.自然對流實驗：將加熱好的鋼球迅速取出，置于大氣當中，盡量減少鋼球附近的大氣擾 動，用計算機進行數據采集小球溫度隨時間變化的曲線數據，并進行處理計算出給熱系數。7.強制對流實驗： 置于擴大管中進行強制對流實驗。 方法： 打

10、開實驗裝置上的放空閥 （14） 和閥（ 16），關閉閥（ 15）和閥（ 13），啟動漩渦氣泵，緩慢調節閥（ 15）和閥（ 14），使流 量達到實驗所需值。迅速取出加熱好的鋼球，置于反應器中的擴大管中，其余步驟同6，記錄下空氣的流量和采集冷卻曲線。8.固定床實驗：調節調節閥（ 3）并配合調節閥（ 16）使流化床內固體顆粒處于固定床狀 態，將加熱好的小球置于固定床的砂粒中，進行固定床實驗，其余步驟同6，記錄反應器的壓降和采集冷卻曲線。9.流化床實驗：調節調節閥（ 3）并配合調節閥（ 16）使流化床處于所需的流化狀態，將 加熱好的鋼球迅速置于反應器中的流化層中，進行流化床實驗，其余步驟同6，記錄反應

11、器的壓降和采集冷卻曲線。10. 裝置停車a）將管式加熱爐控溫溫度設定為零度，降溫；b）全開閥門（ 14），關閉風機電源；c）關閉各分電源開關和總開關注意事項：1. 開啟風機前一定將閥門（14）全開，否則玻璃轉子會因風速過大沖到頂部 損壞玻璃轉子流量計；同樣，關閉風機前一定將閥門（ 14）全開，否則璃轉子會 因風速迅速降低砸到底部損壞轉子。2. 調節流化床時一定要緩慢打開調節閥（ 3），并配合調節閥門（ 16），否則 會把流化床內固體顆粒吹出，影響使用。3. 在實驗過程中，不要將小球碰到身體，避免灼傷。F.實驗數據和處理實驗基礎數據：小球：紫銅，直徑：14mm 密度：8900kg/m3，比熱：3

12、85J/kg K,導熱系數：401W/m KRe-雷諾準數，無因次；計算：點軟件工藝流程畫面的計算按鈕，按冷卻曲線對應的時間和溫度點輸入左側表格，其它基礎數據和實驗信息輸入，按計算結果計算，右側表格顯示結果。按對流傳熱系數和努塞爾準數，察看圖形。按保存按鈕以Word 形式保存文件。(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2A-面積，m ;Bi-畢奧準數，無因次；C-比熱，J kgK；ds-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；qy-y方向上單位時間單位面積的導熱量，Jm2s；Qy-y方向上的導熱速率，J.S；R-半徑，m；溫度，K或C；To-初始溫度，K或C;Tf- 流體溫度，K