實(shí)驗(yàn)九 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(guò)本實(shí)驗(yàn)可達(dá)到下列目的：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。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。熟悉流化床和固定床的操作特點(diǎn)。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(guò)對(duì)導(dǎo)熱的研究，傅立葉提出：(1)q二Qy_dT(1)yAdy式中：dy-式中：dy-y方向上的溫度梯度Ik/m]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50?415W/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：?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。

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(zhǎng)的光子，當(dāng)被相互吸收后所發(fā)生的換熱過(guò)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(wú)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(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(x,y,z,t)。物體在導(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二內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻==巴 ⑶外部對(duì)流熱阻 1a AA式中：5二VA-為特征尺寸，對(duì)于球體為R/35 1若Bi數(shù)很小，〒＜＜，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)熱入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=fC)。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BivO.1,忽略內(nèi)部熱阻進(jìn)行計(jì)算，其誤差不大于5%，通常為工程計(jì)算所允許。將-直徑為皿度為［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(guò)對(duì)流換熱向周圍環(huán)境的散熱速率。初始條件：—pc噲T丹=一a初始條件：—pc噲T丹=一aApCVdt(4)(5)t=0,T-T積分(5)式得：JT-TfaApCVJJT-TfaApCVJtdt=exp一aApCV=expCBi-Fo)(6)atF~(VA)2pCV定義時(shí)間常數(shù)T= ,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oA常數(shù)的時(shí)間后，即：t=4t，可得：f=e-4=0.018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)，往后可近似作定常數(shù)處理。對(duì)小球：=彳=ds代入式(6)整理得:A36ln0Nu二odpCd?ln0Nu二odpCd?1lnT(8)(9)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T?t的關(guān)系，就可由式(8)和式(9)求出相應(yīng)的°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:NuodSNuodS九=0.37Re0.6Pr13(10)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)康摹Ｓ绊憻崃總鬟f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?⑸本實(shí)驗(yàn)加熱爐的溫度為何要控制在400?500°C，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。圖2-13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)；圖2-13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(5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理？D實(shí)驗(yàn)裝置與流程

如圖2-13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)加熱溫度至400?500°C。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，從溫度計(jì)錄儀上觀察鋼球溫度的變化。當(dāng)溫度升至400C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)系由溫度記錄儀記錄，稱冷卻曲線。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強(qiáng)制對(duì)流實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置上的②、⑤閥，關(guān)閉④、⑥、⑦閥，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)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)器中的空塔氣擾動(dòng)，記錄下冷卻曲線(6)閥⑥和閥②身中，記錄下空氣的流量和冷卻曲線固定床實(shí)驗(yàn)：將加熱好的鋼球置于反應(yīng)器中的砂粒層中，其它操作同(6)，記錄下空氣的流量，反應(yīng)器的壓降和冷卻曲線。流化床實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)②、⑦閥，關(guān)閉④、⑤、⑥閥，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥④和閥②，調(diào)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，記錄下空氣的流量，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Bi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，［JkgK；d-小球直徑，［m］；SFo-傅立葉準(zhǔn)數(shù)，［無(wú)因次］；Nu-努塞爾準(zhǔn)數(shù)，［無(wú)因次］；Jm2s］；Pr-普朗特準(zhǔn)數(shù)， ［Jm2s］；q-y方向上單位時(shí)間單位面積的導(dǎo)熱量,yQ-y方向上的導(dǎo)熱速率， ［Js］；yR-半徑，［m］；Re-雷諾準(zhǔn)數(shù)，［無(wú)因次］；T-溫度，［K］或［°C］；T-初始溫度，［K］或［C］；0Tf-流體溫度，［K］或［C］；T-壁溫，［K］或［C］；Wt-時(shí)間，［s］；V-體積， ［m3］；a-對(duì)流傳熱系數(shù)，［Wfm2K］；九-導(dǎo)熱系數(shù)，［WfmK］；§-特