固体小球对流传热系数的测定远程控制实验讲义-图文(精)

固体小球对流传热系数的测定远程限制试验讲义 试验限制界面网址 //202.120.96.135 试验视频网址 //202.120.96.13586 A 试验目的 工程上常常遇到凭藉流体宏观运动将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程, 此过程通称为对流传热或对流给热。明显流体的物性以及流体的流淌状态还有四周的环境 都会影响对流传热。了解与测定各种环境下的对流传热系数具有重要的实际意义。 通过本试验可达到下列目的 1 测定不同环境与小钢球之间的对流传热系数,并对所得结果进行比较。 2 了解非定常态导热的特点以及毕奥准数Bi的物理意义。 3 熟识流化床和固定床的操作特点。 4 熟识并驾驭计算机远程限制试验的操作特点及试验方法。 B 试验原理 自然界和工程上,热量传递的机理有传导、对流和辐射。传热时可能有几种机理同时存 在,也可能以某种机理为主,不同的机理对应不同的传热方式或规律。 当物体中有温差存在时,热量将由高温处向低温处传递,物质的导热性主要是分子传递 现象的表现。 通过对导热的探讨,傅立叶提出 dy dT A Q q y y λ − 1 式中 dy dT - y方向上的温度梯度 []m K / 上式称为傅立叶定律,表明导热通量与温度梯度成正比。负号表明,导热方向与温度梯 度的方向相反。 金属的导热系数比非金属大得多,大致在 50415[]K m W ⋅/范围。纯金属的导热系数随 温度上升而减小,合金却相反,但纯金属的导热系数通常高于由其所组成的合金。本试验中, 小球材料的选取对试验结果有重要影响。 热对流是流体相对于固体表面作宏观运动时,引起的微团尺度上的热量传递过程。事实 上, 它必定伴随有流体微团间以及与固体壁面间的接触导热, 因而是微观分子热传导和宏观微 团热对流两者的综合过程。具有宏观尺度上的运动是热对流的实质。流淌状态层流和湍流 的不同,传热机理也就不同。 牛顿提出对流传热规律的基本定律 - 牛顿冷却定律 f W T T A qA Q −α 2 α并非物性常数,其取决于系统的物性因素,几何因素和流淌因素,通常由试验来测定。 本试验测定的是小球在不同环境和流淌状态下的对流传热系数。 强制对流较自然对流传热效果好,湍流较层流的对流传热系数要大。 热辐射是当温度不同的物体,以电磁波形式,各辐射出具有肯定波长的光子,当被相互 汲取后所发生的换热过程。 热辐射和热传导, 热对流的换热规律有着显著的差别, 传导与对流 传热速率都正比于温度差, 而与冷热物体本身的温度凹凸无关。 热辐射则不然, 即使温差相同, 还与两物体肯定温度的凹凸有关。本试验尽量避开热辐射传热对试验结果带来误差。 物体的突然加热和冷却过程属非定常导热过程。此时导热物体内的温度,既是空间位置 又是时间的函数, t z y x f T , , , 。物体在导热介质的加热或冷却过程中,导热速率同时取 决于物体内部的导热热阻以及与环境间的外部对流热阻。 为了简化, 不少问题可以忽视两者之 一进行处理。然而能否简化,须要确定一个判据。通常定义无因次准数毕奥数Bi ,即物体 内部导热热阻与物体外部对流热阻之比进行推断。 Bi 外部对流热阻 内部导热热阻 A V λαλδ 3 式中A V δ - 为特征尺寸,对于球体为 R/3 若 Bi 数很小, α λδ1 ,表明内部导热热阻外部对流热阻,此时,可忽视内部导热热 阻,可简化为整个物体的温度匀称一样,使温度仅为时间的函数,即 t f T 。这种将系统 简化为具有均一性质进行处理的方法,称为集总参数法。试验表明,只要 Bi0.1,忽视内部 热阻进行计算,其误差不大于 5,通常为工程计算所允许。 将始终径为d s 温度为 的小钢球,置于温度为恒定 的四周环境中,若 ,小球 的瞬时温度T, 随着时间t的增加而减小。 依据热平衡原理, 球体热量随时间的改变应等于通 过对流换热向四周环境的散热速率。 0T f T f T T 0 f T T A dt dT CV −αρ- 4 dt CV A T T T T d f f ρα−−− 5 初始条件f f T T T T t −−00, 积分5式得 ∫ ∫−−−−−f f T T T T t f f dt CV A T T T T d 00 ρα Fo Bi t CV A T T T T f f ⋅−⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝⎛⋅−−−exp exp 0ρα 6 2 A V at Fo 7 定义时间常数 A CV αρτ ,分析6式可知,当物体与环境间的热交换经验了四倍于时间 常数的时间后,即τ4t ,可得 018. 040−−−e T T T T f f 表明过余温度 f T T −的改变已达 98.2,以后的改变仅剩 1.8,对工程计算来说,往后 可近似作定常数处理。 对小球 6 3S d R A V 代入式6整理得 f f S T T T T t Cd −−⋅ 0ln 1 6 ρα 8 或 f f S S T T T T t Cd d Nu −−⋅02ln 16λ ρλα 9 通过试验可测得钢球在不同环境和流淌状态下的冷却曲线,由温度记录仪登记 Tt的关 系,就可由式8和式9求出相应的 α和 的值。 Nu 对于气体在 180000Re 20范围,即高 数下,绕球换热的阅历式为 Re 6. 0Pr Re 37. 0 λ αS d Nu 10 若在静止流体中换热。 2Nu C 预习与思索 1 影响热量传递的因素有哪些 2 数的物理含义是什么 Bi 3 本试验对小球体的选择有哪些要求,为什么 4 本试验加热炉的温度为何要限制在 400500℃,太高太低有何影响 5 自然对流条件下试验要留意哪些问题 6 每次试验的时间须要多长,应如何推断试验结束 7 试验需查找哪些数据,需测定哪些数据 8 设计原始试验数据记录表。 9 试验数据如何处理 D 试验装置与流程 试验装置可参考限制网页界面。试验装置由风机、砂粒床层、管式加热炉、玻璃转子流 量计、带嵌装热电偶的不锈钢球、温控仪表、温度显示仪表、管路调整阀门、小球运行轨道以 及计算机远程限制服务器等单元组成。 E 试验步骤及方法 1 从 IE 阅读器登录进入固体小球对流传热系数的测定远程限制界面,同时新建 IE 窗口 打开试验视频网页。如图所示 2 点击“总电源开关”系统通电,点击“加热炉温设定”框,调整加热温度至 400500℃。 3 待温度上升至设定炉温后,点击“加热小球” ,视察视频画面,可发觉导轨将小球放 入加热炉中,当小球温度升至 400℃时,可取出钢球,打算放在不同的环境条件下进行传热实 验, 钢球的温度随时间改变的关系由温