實驗1 固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測定

1、實驗1固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測定A實驗目的工程上經(jīng)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?qū)α鹘o熱）。顯然流體的物性以及流體的流動狀態(tài)還有周圍的環(huán) 境都會影響對流傳熱。了解與測定各種環(huán)境下的對流傳熱系數(shù)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(huán)境與小鋼球之間的對流傳熱系數(shù)，并對所得結果進行比較。（2）了解非定常態(tài)導熱的特點以及畢奧準數(shù)（Bi）的物理意義。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(guī)律。當物體中有溫差存在時

2、，熱量將由高溫處向低溫處傳遞，物質(zhì)的導熱性主要是分子傳遞 現(xiàn)象的表現(xiàn)。通過對導熱的研究，傅立葉提出：_Q _ T q y ay A dy式中：g - y方向上的溫度梯度K/扁dy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(shù)比非金屬大得多，大致在50415 W/m - K范圍。純金屬的導熱系數(shù) 隨溫度升高而減小，合金卻相反，但純金屬的導熱系數(shù)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

3、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(zhì)。流動狀態(tài)（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(guī)律的基本定律-牛頓冷卻定律：Q = qA = a AT - fa并非物性常數(shù)，其取決于系統(tǒng)的物性因素，幾何因素和流動因素，通常由實驗來測定。本實驗測定的是小球在不同環(huán)境和流動狀態(tài)下的對流傳熱系數(shù)。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(shù)要大。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(nèi)的溫度，既是空間位置 又是時間的函數(shù)，T = f G, y,z,t)。物體在

4、導熱介質(zhì)的加熱或冷卻過程中，導熱速率同時取決于物體內(nèi)部的導熱熱阻以及與環(huán)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(jù)。通常定義無因次準數(shù)畢奧數(shù)(Bi)， 即物體內(nèi)部導熱熱阻與物體外部對流熱阻之比進行判斷。Bi=內(nèi)部導熱熱阻 =在=0K(3)外部對流熱阻1a人A式中：5 =匕% -為特征尺寸，對于球體為R/3若Bi數(shù)很小，5 -，表明內(nèi)部導熱熱阻外部對流熱阻，此時，可忽略內(nèi)部導熱人 a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(shù)，即T = f (t)。這種將系統(tǒng)簡化為具有均一性質(zhì)進行處理的方法，稱為集總參數(shù)法。實驗表明，只要Bi

5、Tf，小球的瞬時溫度T，隨著時間t的增加而減小。根據(jù)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(huán)境的散熱速率。(5)-pCVdL =aA(T - Tf )f =-(T - T )pCVf初始條件：t =。，T - T了 = T0 - T了積分(5)式得：fT-Tfl以輔T -T T - T pCV 00 f faA)=eXP-pCV t /=exp(- Bi - Fo)p CV定義時間常數(shù)”壬at=*分析(6)式可知，當物體與環(huán)境間的熱交換經(jīng)歷了四倍于時間常數(shù)的時間后，即：t = 4t，可得:表明過余溫度T - Tf的變化已達98.2%，以后的變化僅剩1.8%，對工程計算來說，

6、往 后可近似作定常數(shù)處理。V R d ,對小球偵= = S代入式(6)整理得:A 36(8)(9)v ad p Cd 2 1 T - TNu = s = _一 ln f人 6人 t T - Tf通過實驗可測得鋼球在不同環(huán)境和流動狀態(tài)下的冷卻曲線，由溫度記錄儀記下Tt的 關系，就可由式和式求出相應的a和Nu的值。對于氣體在20 Re 180000范圍，即高Re數(shù)下，繞球換熱的經(jīng)驗式為:ad八 j(10)Nus = 0.37 Re0.6 Pr 13入若在靜止流體中換熱：Nu = 2。C預習與思考明確實驗目的。影響熱量傳遞的因素有哪些?Bi數(shù)的物理含義是什么？本實驗對小球體的選擇有哪些要求，為什么？

7、本實驗加熱爐的溫度為何要控制在400500C，太高太低有何影響?自然對流條件下實驗要注意哪些問題?每次實驗的時間需要多長，應如何判斷實驗結束?實驗需查找哪些數(shù)據(jù)，需測定哪些數(shù)據(jù)?設計原始實驗數(shù)據(jù)記錄表。實驗數(shù)據(jù)如何處理？D實驗裝置與流程如圖所示。E實驗步驟及方法測定小鋼球的直徑ds。打開管式加熱爐的加熱電源，調(diào)節(jié)加測定固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?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(diào)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-電加熱爐控制器將嵌有熱電偶的小鋼球懸掛在加熱 爐中，并打開溫度紀錄儀，

8、從溫度計錄儀上 觀察鋼球溫度的變化。當溫度升至400 C時， 迅速取出鋼球，放在不同的環(huán)境條件下進行 實驗，鋼球的溫度隨時間變化的關系由溫度熱溫度至400500C。記錄儀記錄，稱冷卻曲線。(4)裝置運行的環(huán)境條件有:自然對流，強制對流，固定床和流化床。流動狀態(tài)有：層流和湍流。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，記錄下冷卻曲線強制對流實驗：打開實驗裝置上的、閥，關閉、閥，開啟風機，調(diào)節(jié) 閥和閥，調(diào)節(jié)空氣流量達到實驗所需值。迅速取出加熱好的鋼球，置于反應器中的空塔 身中，記錄下空氣的流量和冷卻曲線流化床實驗：打開、閥，關閉、閥，開啟風機，調(diào)節(jié)閥和閥，調(diào)

9、節(jié)空氣流量達到實驗所需值。將加熱好的鋼球迅速置于反應器中的流化層中，記錄下反應器的壓降和冷卻曲線F實驗數(shù)據(jù)處理計算不同環(huán)境和流動狀態(tài)下的對流傳熱系數(shù)。計算實驗用小球的可準數(shù)，確定其值是否小于0.1。將實驗值與理論值進行比較。G結果與討論基本原理的應用是否正確？對比不同環(huán)境條件下的對流傳熱系數(shù)。分析實驗結果同理論值偏差的原因。對實驗方法與實驗結果討論。H主要符號說明A -面積，m2；Bi -畢奧準數(shù)，無因次;C -比熱，J.kgK；ds -小球直徑，m；Fo -傅立葉準數(shù)，無因次;Nu -努塞爾準數(shù)，無因次;Pr -普朗特準數(shù)，無因次;qy - y方向上單位時間單位面積的導熱量， J m2s；2y - y方向上的導熱速率，Js；R -半徑，m；Re -雷諾準數(shù)，無因次;T - 溫度，K或C；T0 -初始溫度，K或C；Tf - 流體溫度，K或C；Tw - 壁溫，K或C；t -時間，s；V -體積，m3；a -對流傳熱系數(shù)，Wm2K；人-導熱系數(shù)