實(shí)驗(yàn)九固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定

1、固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 學(xué)會(huì)固體物在不同換熱環(huán)境條件下的對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定與計(jì)算；（2） 理解非定態(tài)換熱的特點(diǎn)及畢奧準(zhǔn)數(shù)（Bi）的物理意義；（3） 了解自然對(duì)流傳熱、強(qiáng)制對(duì)流傳熱、固定床傳熱及流化床傳熱的操作要領(lǐng)及傳熱特征。二、 實(shí)驗(yàn)原理工業(yè)上大量存在的傳熱過(guò)程（如間壁式傳熱過(guò)程）都是由固體內(nèi)部的導(dǎo)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(nèi)部的導(dǎo)熱屬于熱傳導(dǎo)過(guò)程，而流體與固體表面間的給熱過(guò)程屬于對(duì)流給熱過(guò)程。下面首先對(duì)兩種傳熱過(guò)程作簡(jiǎn)要描述。熱傳導(dǎo)過(guò)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)

2、。從傅里葉定律可見(jiàn)，熱流密度與溫度梯度成正比，式中負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反。式中的導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)參數(shù)，越大，表明材料導(dǎo)熱性能越好。材料的導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、壓強(qiáng)以及聚集狀態(tài)等許多因素有關(guān)。通常，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)，通常在10102 W/( mK)。對(duì)流給熱是流體流過(guò)固體表面時(shí)與該表面間發(fā)生的熱量交換，由于流體流動(dòng)的復(fù)雜性，使得材料表面與流體間的熱交換變得非常復(fù)雜，很難進(jìn)行嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)。工程上通常采用牛頓冷卻定律處理對(duì)流給熱過(guò)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(duì)流給熱系數(shù)，W/(mK)。由

3、于本實(shí)驗(yàn)固體小球?qū)α鱾鳠徇^(guò)程屬于非定態(tài)傳熱過(guò)程，需要引入一個(gè)新的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)畢奧準(zhǔn)數(shù)（Bi）。畢奧準(zhǔn)數(shù)（Bi）以法國(guó)科學(xué)家“畢奧”命名的準(zhǔn)數(shù)，是指在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中描述固體內(nèi)部熱阻與外部熱阻分配比例的一個(gè)準(zhǔn)數(shù)，其表達(dá)式為：式中 畢奧準(zhǔn)數(shù)；特征尺寸，m；導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。對(duì)流給熱系數(shù)，W/(mK)。當(dāng)傳熱過(guò)程中固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于其表面的換熱熱阻時(shí)，固體內(nèi)部的溫度趨于一致，近似認(rèn)為固體內(nèi)部的溫度T僅是時(shí)間t的一元函數(shù)而與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)，這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡(jiǎn)化方法稱為集總參數(shù)法。通常，當(dāng)畢奧數(shù)Bi0.1時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(cè)定其在不同環(huán)境條件下的對(duì)流傳熱系數(shù)。試驗(yàn)中首先假定其Bi準(zhǔn)數(shù)小于0.1，則小球在散熱過(guò)程中溫度均一。若小球瞬時(shí)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(shí)間的變化量應(yīng)等于小球表面與外部環(huán)境通過(guò)對(duì)流傳熱向環(huán)境的散熱量。即：初始條件：t=0，T=T0，則對(duì)上式進(jìn)行積分可得：對(duì)于小球，則：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guān)系，即可根據(jù)（6）式求出相應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)。根據(jù)（6）式計(jì)算所得對(duì)流傳熱系數(shù)值，帶入（3）式計(jì)算Bi，驗(yàn)證是否小于0.1，確認(rèn)假設(shè)是否合理。三、 實(shí)驗(yàn)裝置流程及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作1

5、. 實(shí)驗(yàn)裝置流程實(shí)驗(yàn)裝置及流程示意如圖1所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(guò)程提供不同的冷卻環(huán)境，包括自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、固定床和流化床四種環(huán)境。強(qiáng)制對(duì)流、固定床和流化床三種冷卻過(guò)程中流體（空氣）流速可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制。小球冷卻曲線由控制平臺(tái)在線記錄，小球溫度由嵌于其中的熱電偶測(cè)定。圖1 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2. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作（1） 測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置是否完好，包括加熱爐、風(fēng)機(jī)及電腦控制平臺(tái)是否正常。四、 實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)操作步驟（1） 打開加熱爐電源，設(shè)定加熱爐溫度為450，將加熱爐預(yù)熱至設(shè)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(shí)，迅速取出小球，置于不同環(huán)境（自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、固定床和流化床）中進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)，小球冷卻曲線Tt關(guān)系由溫度記錄儀記錄；（3） 重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（2），分別完成四種不同環(huán)境下的冷卻實(shí)驗(yàn)；（4） 各個(gè)冷卻環(huán)境操作如下：自然對(duì)流：將加熱好的小球迅速取出，置于大氣中，記錄冷卻曲線；強(qiáng)制對(duì)流：打開實(shí)驗(yàn)裝置上閥門和，關(guān)

7、閉閥門、，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥和，將空氣流量設(shè)定到實(shí)驗(yàn)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(qiáng)制對(duì)流”；流化床：打開閥門和，關(guān)閉閥門、和，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥門和，調(diào)節(jié)空氣流量達(dá)到所需值。將加熱好的小球置于反應(yīng)器床層中，記錄下空氣流量、床層壓降和冷卻曲線。2. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小球溫度高，需謹(jǐn)慎操作；（2） 盡量減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣擾動(dòng)（尤其是自然對(duì)流環(huán)境下）對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。五、 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的記錄六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（1） 計(jì)算各個(gè)不同環(huán)境條件小球冷卻過(guò)程中的對(duì)流傳熱系數(shù)值；（2） 利用所得不同環(huán)境下的對(duì)流傳熱系數(shù)值計(jì)算相應(yīng)的Bi準(zhǔn)數(shù)，驗(yàn)證是否小于0.1，確定實(shí)驗(yàn)過(guò)程假定條件是否成立。七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論（1） 對(duì)比不同環(huán)境下的對(duì)流傳熱系數(shù)，分析哪些因素影響小球的對(duì)流傳熱系數(shù)；（2） 此實(shí)驗(yàn)對(duì)小球材料、尺寸有何要求，如何才