化學工程與工藝專業實驗

—固體小球對流傳熱系數測定實驗固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景

小球傳熱屬于《傳遞過程》中的非定常導熱過程部分內容。在工程上經常遇到憑借流體宏觀運動將熱量傳給壁面或由壁面將熱量傳給流體的過程，此過程通稱為對流傳熱（或給熱）。來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景熱量傳遞的方式：導熱，對流和輻射。對流傳熱系數——表征傳熱過程強烈程度的指標。理論上：h流化床>h固定床>h強制對流>h自然對流來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景非定常導熱過程簡化處理——集總參數法條件：小球體積盡量小，忽略其內部熱阻，將小球看作均一的來處理。

來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景

實驗設備技術關鍵：加熱小球與嵌裝熱電偶間的焊接引入的金屬間的導熱，從而產生熱量的散失，并帶來實驗誤差。

來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景實驗設備技術關鍵：加熱小球溫度太高，引入熱輻射造成實驗誤差。解決方法：

小球與熱電偶間采用隔熱的陶瓷粘結劑。

小球加熱溫度控制在400至500度來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景應用價值：化工生產中的換熱器，冷凝器，暖氣片，電子元器件散熱，宇航材料隔熱以及建筑材料保溫等。來源與背景

固體小球傳熱實驗一、實驗項目的來源與技術背景來源與背景

固體小球傳熱實驗二、實驗原理根據熱平衡原理，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。

實驗原理

固體小球傳熱實驗二、實驗原理積分得到：實驗原理

固體小球傳熱實驗二、實驗原理表明過余溫度的變化已達98.2%，以后的變化剩1.8%，對工程計算來說，往后可近似作定常數理

實驗原理

固體小球傳熱實驗二、實驗原理只要Bi<0.1，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。實驗原理

固體小球傳熱實驗二、實驗原理實驗原理

圖1小球傳熱實驗裝置流程圖1-風機；2–放空閥；3–轉子流量計；4、5、6、9–管路調節閥7–沙粒床層反應器；8–帶嵌裝熱電偶的鋼球；10–溫度記錄儀；11–鋼球移動軌跡；12–電加熱爐控制器；13–管式加熱爐固體小球傳熱實驗二、實驗原理

圖2實驗計算機控制界面流程圖

實驗原理

固體小球傳熱實驗二、實驗原理

圖2固體小球對流傳熱實驗裝置圖

實驗原理

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點實驗步驟如下：1）開啟設備總電源，打開計算機操作界面，開啟管式加熱爐電源并輸入加溫預熱的預設值。溫度應控制400-500度之間。溫度太高會引入熱輻射，造成測量誤差。另外也容易損壞銅球及熱電偶；而溫度太低，溫差較小，易產生系統誤差。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點2）應快速將加熱小球置于不同的環境中進行實驗，以免造成計算機溫度采集的讀數誤差。3）進行流化床、強制對流和固定床操作之前，應事先注意小球與管路的密閉。4）由計算機自動開啟風機及相應的閥門并自動記錄下相應實驗的溫度冷卻曲線。注意在每次實驗前及時輸入實驗編號和風機流量值。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點5）采集控制結束的判據應該是過余溫度的98.2%或四倍的時間常數。6）應注意固定床傳熱實驗的正確操作，點擊固定床操作時，計算機會自動先將砂粒床層流化，此時迅速將加熱小銅球插入床層中，同時點擊開始實驗按鈕，計算機自動開啟風機、閥門和記錄下溫度冷卻曲線并存盤。7）退出小球實驗計算機控制操作系統并關閉設備總電源。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點實驗注意事項：1）進行固定床操作時，應將設備先流化，然后快速將小球插入沙粒床層的底部，然后改變風機流向將小球埋入床層中。此放置過程先處于流化狀態，溫度散熱很快，為了與其它散熱過程從相同的起始溫度來進行比較，那么小球的加熱溫度應比其它狀態加溫高些。2）停止散熱曲線采集的判據是過余溫度的98.2%。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點3）由于加熱爐溫設定在550度左右，爐心的溫度較高學生實驗時應避免觸碰，以免造成燙傷！4）小球加熱溫度應控制在400至500度之間，太高會引入熱輻射，太低溫差小會引入相對誤差。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點5）當小球溫度加熱到400度左右時應應迅速放入床層反應器中，以免造成計算機采樣滯后，引起誤差。6）當小球放置完畢，操作電腦的同學應觀察控制界面上顯示的小球溫度大小，如達到所測范圍，應快速點擊采樣按鈕，同時調節流量的同學也要快速將風機流量調整到所需值。。技巧與難點

固體小球傳熱實驗三、實驗操作技巧與難點7）在進行自然對流散熱操作時，應盡量減少周圍的空氣擾動所造成的實驗誤差。8）將流化床反應器封口的橡皮塞蓋緊，以免漏氣，造成空氣流量偏差。技巧與難點

固體小球傳熱實驗1、用游標卡尺測量小球直徑d，查表得到不銹鋼球的密度、比熱和導熱系數，并查23.6度下空氣的密度、比熱導熱系數、粘度及普朗特數待以后數據處理之用。2、從計算機采樣的原始數據表中取25到30組數據待作圖進行。3、所以數據處理

四、數據處理的思路與技巧固體小球傳熱實驗4、由對t（秒）作圖后線形化處理得到直線的斜率K（如圖4所示）。斜率K與對流傳熱系數h有如下關系，即：數據處理

四、數據處理的思路與技巧固體小球傳熱實驗數據處理

四、數據處理的思路與技巧圖3、強制對流冷卻曲線圖圖4、強制對流與t（秒)關系圖固體小球傳熱實驗5、對于氣體在20<Re<180000范圍，即高數下，繞球換熱的經驗式為：通過實驗計算值與經驗公式計算值的比較來分析實際值與理論值的誤差。數據處理

四、數據處理的思路與技巧固體小球傳熱實驗6、計算數據處理

四、數據處理的思路與技巧固體小球傳熱實驗1、原始數據表（四張）實驗報告五、實驗報告的書寫規范

時間編號tTTf流量固體小球傳熱實驗2、作小球冷卻曲線，對曲線進行線性化處理。要求曲線規范，自變量和應變量標識和單位清楚。3、實驗結果列表實驗報告五、實驗報告的書寫規范

自然對流強制對流固定床流化床

h(W/M2.0C)

Bi

固體小球傳熱實驗4、實驗結果討論（1）討論Bi（畢奧準數的物理意義）與實驗數據處理的關系。（2）Nu（努塞爾數）的物理意義。（3）誤差分析。實驗報告五、實驗報告的書寫規范

固體小球傳熱實驗六、實驗項目思考與討論

1、影響熱量傳遞的因素有那些？2、本實驗中小球的選擇有那些要求？3、本實驗加熱爐的溫度為何要控制在40