實驗九固體小球對流傳熱系數(shù)的測定

1、固體小球對流傳熱系數(shù)的測定一、 實驗目的（1） 學會固體物在不同換熱環(huán)境條件下的對流傳熱系數(shù)的測定與計算；（2） 理解非定態(tài)換熱的特點及畢奧準數(shù)（Bi）的物理意義；（3） 了解自然對流傳熱、強制對流傳熱、固定床傳熱及流化床傳熱的操作要領及傳熱特征。二、 實驗原理工業(yè)上大量存在的傳熱過程（如間壁式傳熱過程）都是由固體內部的導熱及各種流體與固體表面間的給熱組合而成。熱量在固體內部的導熱屬于熱傳導過程，而流體與固體表面間的給熱過程屬于對流給熱過程。下面首先對兩種傳熱過程作簡要描述。熱傳導過程遵循傅里葉（Fourier）定律：式中 熱流密度，W/m2；x方向上的溫度梯度，K/m；導熱系數(shù)，W/(mK)

2、。從傅里葉定律可見，熱流密度與溫度梯度成正比，式中負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。式中的導熱系數(shù)是表征材料導熱性能的一個參數(shù)，越大，表明材料導熱性能越好。材料的導熱系數(shù)與材料的組成、結構、溫度、濕度、壓強以及聚集狀態(tài)等許多因素有關。通常，金屬材料的導熱系數(shù)遠高于非金屬材料導熱系數(shù)，通常在10102 W/( mK)。對流給熱是流體流過固體表面時與該表面間發(fā)生的熱量交換，由于流體流動的復雜性，使得材料表面與流體間的熱交換變得非常復雜，很難進行嚴格數(shù)學推導。工程上通常采用牛頓冷卻定律處理對流給熱過程。即，式中 熱流密度，W/m2；流體特征溫度，K；材料表面溫度，K；對流給熱系數(shù)，W/(mK)。由

3、于本實驗固體小球對流傳熱過程屬于非定態(tài)傳熱過程，需要引入一個新的無因次準數(shù)畢奧準數(shù)（Bi）。畢奧準數(shù)（Bi）以法國科學家“畢奧”命名的準數(shù)，是指在非穩(wěn)態(tài)導熱中描述固體內部熱阻與外部熱阻分配比例的一個準數(shù)，其表達式為：式中 畢奧準數(shù)；特征尺寸，m；導熱系數(shù)，W/(mK)。對流給熱系數(shù)，W/(mK)。當傳熱過程中固體內部的導熱熱阻遠小于其表面的換熱熱阻時，固體內部的溫度趨于一致，近似認為固體內部的溫度T僅是時間t的一元函數(shù)而與空間坐標無關，這種忽略物體內部導熱熱阻的簡化方法稱為集總參數(shù)法。通常，當畢奧數(shù)Bi0.1時，采用集總參數(shù)法獲得的溫度誤差不大，工程上可以接受。本實驗擬將一固體小球在加熱爐中加

4、熱至一定溫度后，將其置于一定環(huán)境中散熱，測定其在不同環(huán)境條件下的對流傳熱系數(shù)。試驗中首先假定其Bi準數(shù)小于0.1，則小球在散熱過程中溫度均一。若小球瞬時溫度為T，環(huán)境溫度為Te，小球的密度為，直徑為dc，則根據(jù)熱平衡原理，球體熱量隨時間的變化量應等于小球表面與外部環(huán)境通過對流傳熱向環(huán)境的散熱量。即：初始條件：t=0，T=T0，則對上式進行積分可得：對于小球，則：通過實驗測定小球在不同環(huán)境下的冷卻曲線，由溫度記錄儀記下Tt關系，即可根據(jù)（6）式求出相應的對流傳熱系數(shù)。根據(jù)（6）式計算所得對流傳熱系數(shù)值，帶入（3）式計算Bi，驗證是否小于0.1，確認假設是否合理。三、 實驗裝置流程及實驗準備工作1

5、. 實驗裝置流程實驗裝置及流程示意如圖1所示。整個實驗系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)由一加熱爐及其控制系統(tǒng)組成；冷卻系統(tǒng)可以為小球冷卻過程提供不同的冷卻環(huán)境，包括自然對流、強制對流、固定床和流化床四種環(huán)境。強制對流、固定床和流化床三種冷卻過程中流體（空氣）流速可以通過調節(jié)閥控制。小球冷卻曲線由控制平臺在線記錄，小球溫度由嵌于其中的熱電偶測定。圖1 測定固體小球對流傳熱系數(shù)的實驗裝置1 風機；2放空閥；3文丘里流量計；4、5、6、7管路調節(jié)閥；8沙粒床層反應器；9帶嵌裝熱電偶的鋼球；10溫度記錄儀；11反應器壓差計；12管式加熱爐；13電加熱爐控制器2. 實驗準備工作（1） 測定小球直徑

6、dc；（2） 查閱小球金屬材料的熱容、密度等參數(shù)；（3） 檢查實驗裝置是否完好，包括加熱爐、風機及電腦控制平臺是否正常。四、 實驗操作步驟及注意事項1. 實驗操作步驟（1） 打開加熱爐電源，設定加熱爐溫度為450，將加熱爐預熱至設定溫度；（2） 將金屬小球置于加熱爐中，待其溫度升至410以上時，迅速取出小球，置于不同環(huán)境（自然對流、強制對流、固定床和流化床）中進行冷卻實驗，小球冷卻曲線Tt關系由溫度記錄儀記錄；（3） 重復實驗步驟（2），分別完成四種不同環(huán)境下的冷卻實驗；（4） 各個冷卻環(huán)境操作如下：自然對流：將加熱好的小球迅速取出，置于大氣中，記錄冷卻曲線；強制對流：打開實驗裝置上閥門和，關

7、閉閥門、，開啟風機，調節(jié)閥和，將空氣流量設定到實驗所需值。迅速取出加熱好的小球，置于空塔中，記錄下空氣流量和冷卻曲線；固定床：將加熱好的小球置于塔中沙粒床層中，其他操作同“強制對流”；流化床：打開閥門和，關閉閥門、和，開啟風機，調節(jié)閥門和，調節(jié)空氣流量達到所需值。將加熱好的小球置于反應器床層中，記錄下空氣流量、床層壓降和冷卻曲線。2. 實驗注意事項（1） 實驗過程中小球溫度高，需謹慎操作；（2） 盡量減少實驗過程中空氣擾動（尤其是自然對流環(huán)境下）對實驗的影響。五、 實驗原始數(shù)據(jù)的記錄六、 實驗數(shù)據(jù)處理（1） 計算各個不同環(huán)境條件小球冷卻過程中的對流傳熱系數(shù)值；（2） 利用所得不同環(huán)境下的對流傳熱系數(shù)值計算相應的Bi準數(shù)，驗證是否小于0.1，確定實驗過程假定條件是否成立。七、 實驗結果與討論（1） 對比不同環(huán)境下的對流傳熱系數(shù)，分析哪些因素影響小球的對流傳熱系數(shù)；（2） 此實驗對小球材料、尺寸有何要求，如何才