實(shí)驗(yàn)1 固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)1固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定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(guò)程， 此過(guò)程通稱(chēng)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?chē)沫h(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(guò)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。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)

2、，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(guò)對(duì)導(dǎo)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(chēng)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50415 W/m - K范圍。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù) 隨溫度升高而減小，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(guò)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

3、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(guò)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：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(dòng)因素，通常由實(shí)驗(yàn)來(lái)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。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(lái)誤差。物體的突然加熱和冷卻過(guò)程屬非定常導(dǎo)熱過(guò)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 = f G, y,z,t)。物體在

4、導(dǎo)熱介質(zhì)的加熱或冷卻過(guò)程中，導(dǎo)熱速率同時(shí)取決于物體內(nèi)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(wèn)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(wú)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=內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻 =在=0K(3)外部對(duì)流熱阻1a人A式中：5 =匕% -為特征尺寸，對(duì)于球體為R/3若Bi數(shù)很小，5 -，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)熱人 a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(chēng)為集總參數(shù)法。實(shí)驗(yàn)表明，只要Bi

5、Tf，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(guò)對(duì)流換熱向周?chē)h(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(shí)間常數(shù)”壬at=*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：t = 4t，可得:表明過(guò)余溫度T - Tf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(lái)說(shuō)，

6、往 后可近似作定常數(shù)處理。V R d ,對(duì)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(guò)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，就可由式和式求出相應(yīng)的a和Nu的值。對(duì)于氣體在20 Re 180000范圍，即高Re數(shù)下，繞球換熱的經(jīng)驗(yàn)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(yù)習(xí)與思考明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。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(shí)驗(yàn)對(duì)小球體的選擇有哪些要求，為什么？

7、本實(shí)驗(yàn)加熱爐的溫度為何要控制在400500C，太高太低有何影響?自然對(duì)流條件下實(shí)驗(yàn)要注意哪些問(wèn)題?每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間需要多長(zhǎng)，應(yīng)如何判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)束?實(shí)驗(yàn)需查找哪些數(shù)據(jù)，需測(cè)定哪些數(shù)據(jù)?設(shè)計(jì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理？D實(shí)驗(yàn)裝置與流程如圖所示。E實(shí)驗(yàn)步驟及方法測(cè)定小鋼球的直徑ds。打開(kāi)管式加熱爐的加熱電源，調(diào)節(jié)加測(cè)定固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)裝置1-風(fēng)機(jī)；2-放空閥；3-文丘里流量計(jì)；4、5、6、7 -管路調(diào)節(jié)閥；8-沙粒床層反應(yīng)器；9-帶嵌裝熱電偶的鋼球；10 -溫度記錄儀；11-反應(yīng)器壓差計(jì)；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(kāi)溫度紀(jì)錄儀，

8、從溫度計(jì)錄儀上 觀察鋼球溫度的變化。當(dāng)溫度升至400 C時(shí)， 迅速取出鋼球，放在不同的環(huán)境條件下進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)，鋼球的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系由溫度熱溫度至400500C。記錄儀記錄，稱(chēng)冷卻曲線。(4)裝置運(yùn)行的環(huán)境條件有:自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流，固定床和流化床。流動(dòng)狀態(tài)有：層流和湍流。自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)：將加熱好的鋼球迅速取出，置于大氣當(dāng)中，盡量減少鋼球附近的大 氣擾動(dòng)，記錄下冷卻曲線強(qiáng)制對(duì)流實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置上的、閥，關(guān)閉、閥，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié) 閥和閥，調(diào)節(jié)空氣流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需值。迅速取出加熱好的鋼球，置于反應(yīng)器中的空塔 身中，記錄下空氣的流量和冷卻曲線流化床實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)、閥，關(guān)閉、閥，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥和閥，調(diào)

9、節(jié)空氣流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需值。將加熱好的鋼球迅速置于反應(yīng)器中的流化層中，記錄下反應(yīng)器的壓降和冷卻曲線F實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算不同環(huán)境和流動(dòng)狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù)。計(jì)算實(shí)驗(yàn)用小球的可準(zhǔn)數(shù)，確定其值是否小于0.1。將實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較。G結(jié)果與討論基本原理的應(yīng)用是否正確？對(duì)比不同環(huán)境條件下的對(duì)流傳熱系數(shù)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論值偏差的原因。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(shuō)明A -面積，m2；Bi -畢奧準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次;C -比熱，J.kgK；ds -小球直徑，m；Fo -傅立葉準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次;Nu -努塞爾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次;Pr -普朗特準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次;qy - y方向上單位時(shí)間單位面積的導(dǎo)熱量， J m2s；2y - y方向上的導(dǎo)熱速率，Js；R -半徑，m；Re -雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)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(shí)間，s；V -體積，m3；a -對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2K；人-導(dǎo)熱系數(shù)