主頁(yè) > 技術(shù)文章 > 固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書 2024-09-02

固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書

一、固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書-實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
工程上經(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程，此過程通稱為對(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)。
二、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)。
通過對(duì)導(dǎo)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(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50～415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：
(2)
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)果帶來誤差。
物體的突然加熱和冷卻過程屬非定常導(dǎo)熱過程。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)，。物體在導(dǎo)熱介質(zhì)的加熱或冷卻過程中，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。
(3)
式中： - 為特征尺寸，對(duì)于球體為R/3
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。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Bi<0.1，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(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)等于通過對(duì)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(shí)間常數(shù)，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：，可得：

表明過余溫度的變化已達(dá)98.2%，以后的變化僅剩1.8%，對(duì)工程計(jì)算來說，往后可近似作定常數(shù)處理。
對(duì)小球代入式(6)整理得：
(8)
或(9)
通過實(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)的和的值。
對(duì)于氣體在范圍，即高數(shù)下，繞球換熱的經(jīng)驗(yàn)式為：
(10)
若在靜止流體中換熱：。
三、預(yù)習(xí)與思考
明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br /> 影響熱量傳遞的因素有哪些？
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?
本實(shí)驗(yàn)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(duì)流條件下實(shí)驗(yàn)要注意哪些問題？
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？
四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程

固體小球?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖
五、實(shí)驗(yàn)步驟及方法
測(cè)定小鋼球的直徑d_s為15mm。
打開管式加熱爐的加熱電源，調(diào)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(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400℃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。
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)：打開實(shí)驗(yàn)裝置上的1、2、3閥，關(guān)閉4、5、6閥，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥6和2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。
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1、2、6閥，關(guān)閉4、3、5閥，開啟風(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。
六、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。
七、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。
八、主要符號(hào)說明

其他產(chǎn)品鏈接：
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