專題講座資料（2021-2022年）固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)講義圖文精

1、固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)控制界面網(wǎng)址:35 實(shí)驗(yàn)視頻網(wǎng)址:35:86 A 實(shí)驗(yàn)?zāi)康墓こ躺辖?jīng)常遇到憑藉流體宏觀運(yùn)動(dòng)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(duì)流傳熱(或?qū)α鹘o熱。顯然流體的物性以及流體的流動(dòng)狀態(tài)還有周圍的環(huán)境 都會(huì)影響對(duì)流傳熱。了解與測(cè)定各種環(huán)境下的對(duì)流傳熱系數(shù)具有重要的實(shí)際意義。通過本實(shí)驗(yàn)可達(dá)到下列目的:(1 測(cè)定不同環(huán)境與小鋼球之間的對(duì)流傳熱系數(shù),并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較。 (2 了解非定常態(tài)導(dǎo)熱的特點(diǎn)以及畢奧準(zhǔn)數(shù)(Bi的物理意義。 (3 熟悉流化床和固定床的操作特點(diǎn)。

2、(4 熟悉并掌握計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的操作特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)方法。B 實(shí)驗(yàn)原理自然界和工程上,熱量傳遞的機(jī)理有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳熱時(shí)可能有幾種機(jī)理同時(shí)存 在,也可能以某種機(jī)理為主,不同的機(jī)理對(duì)應(yīng)不同的傳熱方式或規(guī)律。當(dāng)物體中有溫差存在時(shí),熱量將由高溫處向低溫處傳遞,物質(zhì)的導(dǎo)熱性主要是分子傳遞 現(xiàn)象的表現(xiàn)。通過對(duì)導(dǎo)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(dǎo)熱通量與溫度梯度成正比。負(fù)號(hào)表明,導(dǎo)熱方向與溫度梯 度的方向相反。金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬大得多,大致在 50415K m W /范圍。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨 溫度升

3、高而減小,合金卻相反,但純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)通常高于由其所組成的合金。本實(shí)驗(yàn)中, 小球材料的選取對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要影響。熱對(duì)流是流體相對(duì)于固體表面作宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí),引起的微團(tuán)尺度上的熱量傳遞過程。事實(shí) 上, 它必然伴隨有流體微團(tuán)間以及與固體壁面間的接觸導(dǎo)熱, 因而是微觀分子熱傳導(dǎo)和宏觀微 團(tuán)熱對(duì)流兩者的綜合過程。具有宏觀尺度上的運(yùn)動(dòng)是熱對(duì)流的實(shí)質(zhì)。流動(dòng)狀態(tài)(層流和湍流 的不同,傳熱機(jī)理也就不同。牛頓提出對(duì)流傳熱規(guī)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(shù),其取決于系統(tǒng)的物性因素,幾何因素和流動(dòng)因素,通常由實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的是小球在不同環(huán)境和流動(dòng)狀態(tài)下的對(duì)流傳

4、熱系數(shù)。強(qiáng)制對(duì)流較自然對(duì)流傳熱效果好,湍流較層流的對(duì)流傳熱系數(shù)要大。熱輻射是當(dāng)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(dāng)被相互 吸收后所發(fā)生的換熱過程。 熱輻射和熱傳導(dǎo), 熱對(duì)流的換熱規(guī)律有著顯著的差別, 傳導(dǎo)與對(duì)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(guān)。 熱輻射則不然, 即使溫差相同, 還與兩物體絕對(duì)溫度的高低有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)盡量避免熱輻射傳熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。物體的突然加熱和冷卻過程屬非定常導(dǎo)熱過程。此時(shí)導(dǎo)熱物體內(nèi)的溫度,既是空間位置 又是時(shí)間的函數(shù), (t z y x f T , , , =。物體在導(dǎo)熱介質(zhì)的加熱或冷卻過程中,導(dǎo)熱速率同時(shí)取 決于物體內(nèi)

5、部的導(dǎo)熱熱阻以及與環(huán)境間的外部對(duì)流熱阻。 為了簡(jiǎn)化, 不少問題可以忽略兩者之 一進(jìn)行處理。然而能否簡(jiǎn)化,需要確定一個(gè)判據(jù)。通常定義無因次準(zhǔn)數(shù)畢奧數(shù)(Bi ,即物體 內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與物體外部對(duì)流熱阻之比進(jìn)行判斷。=Bi 外部對(duì)流熱阻內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻 A V=(3式中:AV= - 為特征尺寸,對(duì)于球體為 R/3若 Bi 數(shù)很小,1<<,表明內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻<<外部對(duì)流熱阻,此時(shí),可忽略內(nèi)部導(dǎo)熱熱 阻,可簡(jiǎn)化為整個(gè)物體的溫度均勻一致,使溫度僅為時(shí)間的函數(shù),即 (t f T =。這種將系統(tǒng) 簡(jiǎn)化為具有均一性質(zhì)進(jìn)行處理的方法,稱為集總參數(shù)法。實(shí)驗(yàn)表明,只要 Bi<0.1,忽略內(nèi)部 熱

6、阻進(jìn)行計(jì)算,其誤差不大于 5%,通常為工程計(jì)算所允許。將一直徑為d s 溫度為 的小鋼球,置于溫度為恒定 的周圍環(huán)境中,若 ,小球 的瞬時(shí)溫度T, 隨著時(shí)間t的增加而減小。 根據(jù)熱平衡原理, 球體熱量隨時(shí)間的變化應(yīng)等于通 過對(duì)流換熱向周圍環(huán)境的散熱速率。0T f T f T T >0(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

7、 Fo =(7定義時(shí)間常數(shù) ACV=,分析(6式可知,當(dāng)物體與環(huán)境間的熱交換經(jīng)歷了四倍于時(shí)間 常數(shù)的時(shí)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(dá) 98.2%,以后的變化僅剩 1.8%,對(duì)工程計(jì)算來說,往后 可近似作定常數(shù)處理。對(duì)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(shí)驗(yàn)可測(cè)得鋼球在不同環(huán)境和流動(dòng)狀態(tài)下的冷卻曲線,由溫度記錄儀記下 Tt的關(guān)系,就可由式(8和式(9求出相應(yīng)的 和 的值。Nu 對(duì)于

8、氣體在 180000Re 20<<范圍,即高 數(shù)下,繞球換熱的經(jīng)驗(yàn)式為:Re 6. 0Pr Re 37. 0=Sd Nu (10若在靜止流體中換熱:。2=Nu C 預(yù)習(xí)與思考(1 影響熱量傳遞的因素有哪些? (2 數(shù)的物理含義是什么?Bi (3 本實(shí)驗(yàn)對(duì)小球體的選擇有哪些要求,為什么?(4 本實(shí)驗(yàn)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(duì)流條件下實(shí)驗(yàn)要注意哪些問題?(6 每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間需要多長,應(yīng)如何判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)束? (7 實(shí)驗(yàn)需查找哪些數(shù)據(jù),需測(cè)定哪些數(shù)據(jù)? (8 設(shè)計(jì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。 (9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理?D 實(shí)驗(yàn)裝置與流程實(shí)驗(yàn)裝置可參考控制網(wǎng)

9、頁界面。實(shí)驗(yàn)裝置由風(fēng)機(jī)、砂粒床層、管式加熱爐、玻璃轉(zhuǎn)子流 量計(jì)、帶嵌裝熱電偶的不銹鋼球、溫控儀表、溫度顯示儀表、管路調(diào)節(jié)閥門、小球運(yùn)行軌道以 及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制服務(wù)器等單元組成。E 實(shí)驗(yàn)步驟及方法(1 從 IE 瀏覽器登錄進(jìn)入固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定遠(yuǎn)程控制界面,同時(shí)新建 IE 窗口打開實(shí)驗(yàn)視頻網(wǎng)頁。如圖所示: (2 點(diǎn)擊“總電源開關(guān)”系統(tǒng)通電,點(diǎn)擊“加熱爐溫設(shè)定”框,調(diào)節(jié)加熱溫度至 400500。(3 待溫度上升至設(shè)定爐溫后,點(diǎn)擊“加熱小球” ,觀察視頻畫面,可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌將小球放 入加熱爐中,當(dāng)小球溫度升至 400時(shí),可取出鋼球,準(zhǔn)備放在不同的環(huán)境條件下進(jìn)行傳熱實(shí) 驗(yàn), 鋼球的溫度隨時(shí)間變化的

10、關(guān)系由溫度記錄軟件記錄, 稱為冷卻曲線。 每次實(shí)驗(yàn)前必須在控 制界面右上方設(shè)定“實(shí)驗(yàn)存盤編號(hào)”,防止數(shù)據(jù)覆蓋的誤操作。 (4 自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)：點(diǎn)擊“自然對(duì)流散熱”通過導(dǎo)軌將加熱好的鋼球迅速取出，置于大氣 當(dāng)中，同時(shí)開始記錄冷卻曲線，此時(shí)可通過點(diǎn)擊“結(jié)果查詢”按鈕查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況。實(shí)驗(yàn)完 成后，點(diǎn)擊“停止曲線記錄”和“停車重新實(shí)驗(yàn)” ，準(zhǔn)備進(jìn)入下一狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)操作。 (5 強(qiáng)制對(duì)流實(shí)驗(yàn)：設(shè)定風(fēng)機(jī)流量（范圍 4070）后，點(diǎn)擊“強(qiáng)制對(duì)流散熱”通過導(dǎo)軌將 加熱好的鋼球迅速取出，置于床層上方，此時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，并開始記錄冷卻曲線，此時(shí)可通過點(diǎn) 擊“結(jié)果查詢”按鈕查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況。實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊“停止曲線記錄

11、”和“停車重新實(shí) 驗(yàn)” ，準(zhǔn)備進(jìn)入下一狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)操作。 (6 固定床實(shí)驗(yàn)：點(diǎn)擊“固定床散熱”通過導(dǎo)軌將加熱好的鋼球迅速取出，此時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)， 小球被移動(dòng)至床層底部，風(fēng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，完成固定床安置狀態(tài)，并開始記錄冷卻曲線，此時(shí)可 通過點(diǎn)擊“結(jié)果查詢”按鈕查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況。實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊“停止曲線記錄”和“停車 重新實(shí)驗(yàn)” ，準(zhǔn)備進(jìn)入下一狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)操作。 (7 流化床實(shí)驗(yàn)：點(diǎn)擊“流化床散熱”通過導(dǎo)軌將加熱好的鋼球迅速取出，此時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)， 小球被移動(dòng)至床層底部，開始進(jìn)行流化床傳熱實(shí)驗(yàn)，同時(shí)冷卻曲線記錄啟動(dòng)，此時(shí)可通過點(diǎn)擊 “結(jié)果查詢” 按鈕查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況。 實(shí)驗(yàn)完成后， “停止曲線記錄” “停車重新

12、實(shí)驗(yàn)” 點(diǎn)擊 和 ， 實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 F 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理 1.原始數(shù)據(jù)表 （此處粘貼打印出的曲線及表格） 2.數(shù)據(jù)處理要求 (1 計(jì)算不同環(huán)境和流動(dòng)狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù) 。 (2 計(jì)算實(shí)驗(yàn)用小球的 Bi 準(zhǔn)數(shù)，確定其值是否小于 0.1。 (3 將實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較。 G 結(jié)果與討論 (1 基本原理的應(yīng)用是否正確？ (2 對(duì)比不同環(huán)境條件下的對(duì)流傳熱系數(shù)。 (3 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論值偏差的原因。 (4 對(duì)實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論。 H 主要符號(hào)說明 A - 面積， m 2 ； Bi - 畢奧準(zhǔn)數(shù)， 無因次； C - 比熱， J kgK ； d S - 小球直徑， m ； Fo - 傅立葉準(zhǔn)數(shù)， 無因次； Nu - 努塞爾準(zhǔn)數(shù)， 無因次； Pr - 普朗特準(zhǔn)數(shù)， 無因次； q y - 方向上單位時(shí)間單位面積的導(dǎo)熱量， J m 2 s ； Q y - 方向上的導(dǎo)熱速率， R - 半徑， m ；