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固體小球對流傳熱系數測定實驗裝置使用說明書

一、實驗目的
工程上經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（或對流給熱)。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具有重要的實際意義。
通過本實驗可達到下列目的：
測定不同環(huán)境與小鋼球之間的對流傳熱系數，并對所得結果進行比較。
了解非定常態(tài)導熱的特點以及畢奧準數（Bi）的物理意義。
熟悉流化床和固定床的操作特點。
二、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，熱量將由高溫處向低溫處傳遞，物質的導熱性主要是分子傳遞現象的表現。
通過對導熱的研究，傅立葉提出：

(1)
式中：

- y方向上的溫度梯度

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。
金屬的導熱系數比非金屬大得多，大致在50～415

范圍。純金屬的導熱系數隨溫度升高而減小，合金卻相反，但純金屬的導熱系數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。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：

(2)

并非物性常數，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。
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要大。
熱輻射是當溫度不同的物體，以電磁波形式，各輻射出具有一定波長的光子，當被相互吸收后所發(fā)生的換熱過程。熱輻射和熱傳導，熱對流的換熱規(guī)律有著顯著的差別，傳導與對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。熱輻射則不然，即使溫差相同，還與兩物體絕對溫度的高低有關。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。此時導熱物體內的溫度，既是空間位置又是時間的函數，

。物體在導熱介質的加熱或冷卻過程中，導熱速率同時取決于物體內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。通常定義無因次準數畢奧數（Bi），即物體內部導熱熱阻與物體外部對流熱阻之比進行判斷。

(3)
式中：

- 為特征尺寸，對于球體為R/3
若Bi數很小，

，表明內部導熱熱阻<<外部對流熱阻，此時，可忽略內部導熱熱阻，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，即

。這種將系統(tǒng)簡化為具有均一性質進行處理的方法，稱為集總參數法。實驗表明，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。
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

，小球的瞬時溫度Ｔ，隨著時間ｔ的增加而減小。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(huán)境的散熱速率。

(4)

(5)
初始條件：

積分(5)式得：

(6)

(7)
定義時間常數

，分析(6)式可知，當物體與環(huán)境間的熱交換經歷了四倍于時間常數的時間后，即：

，可得：

表明過余溫度

的變化已達98.2%，以后的變化僅剩1.8%，對工程計算來說，往后可近似作定常數處理。
對小球

代入式(6)整理得：

(8)
或

(9)
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T～t的關系，就可由式(8)和式(9)求出相應的

和

的值。
對于氣體在

范圍，即高

數下，繞球換熱的經驗式為：

(10)
若在靜止流體中換熱：

。
三、預習與思考
明確實驗目的。
影響熱量傳遞的因素有哪些？

數的物理含義是什么？
本實驗對小球體的選擇有哪些要求，為什么?
本實驗加熱爐的溫度為何要控制在400～500℃，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？
實驗需查找哪些數據，需測定哪些數據？
設計原始實驗數據記錄表。
實驗數據如何處理？
四、實驗裝置與流程

固體小球對流傳熱系數的測定實驗裝置流程圖
五實驗步驟及方法
測定小鋼球的直徑d_s為15mm。
打開管式加熱爐的加熱電源，調節(jié)加熱溫度至400～500℃。
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，從溫度計錄儀上觀察鋼球溫度的變化。當溫度升至400℃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記錄儀記錄。
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1、2、3閥，關閉4、5、6閥，開啟風機，調節(jié)閥6和2閥，調節(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。
固定床實驗：將加熱好的鋼球置于反應器中的砂粒層中，其它操作同(6)，記錄下空氣的流量，反應器的壓降和冷卻曲線。
流化床實驗：打開1、2、6閥，關閉4、3、5閥，開啟風機，調節(jié)閥4和閥2，調節(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，記錄下空氣的流量，反應器的壓降和冷卻曲線。
六、實驗數據處理
計算不同環(huán)境和流動狀態(tài)下的對流傳熱系數

。
計算實驗用小球的

準數，確定其值是否小于0.1。
將實驗值與理論值進行比較。
七、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。
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。
八、主要符號說明