实验九固体小球对流传热系数的测定

1、固体小球对流传热系数的测定一、 实验目的（1） 学会固体物在不同换热环境条件下的对流传热系数的测定与计算；（2） 理解非定态换热的特点及毕奥准数（Bi）的物理意义；（3） 了解自然对流传热、强制对流传热、固定床传热及流化床传热的操作要领及传热特征。二、 实验原理工业上大量存在的传热过程（如间壁式传热过程）都是由固体内部的导热及各种流体与固体表面间的给热组合而成。热量在固体内部的导热属于热传导过程，而流体与固体表面间的给热过程属于对流给热过程。下面首先对两种传热过程作简要描述。热传导过程遵循傅里叶（Fourier）定律：式中 热流密度，W/m2；x方向上的温度梯度，K/m；导热系数，W/(mK)

2、。从傅里叶定律可见，热流密度与温度梯度成正比，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反。式中的导热系数是表征材料导热性能的一个参数，越大，表明材料导热性能越好。材料的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因素有关。通常，金属材料的导热系数远高于非金属材料导热系数，通常在10102 W/( mK)。对流给热是流体流过固体表面时与该表面间发生的热量交换，由于流体流动的复杂性，使得材料表面与流体间的热交换变得非常复杂，很难进行严格数学推导。工程上通常采用牛顿冷却定律处理对流给热过程。即，式中 热流密度，W/m2；流体特征温度，K；材料表面温度，K；对流给热系数，W/(mK)。由

3、于本实验固体小球对流传热过程属于非定态传热过程，需要引入一个新的无因次准数毕奥准数（Bi）。毕奥准数（Bi）以法国科学家“毕奥”命名的准数，是指在非稳态导热中描述固体内部热阻与外部热阻分配比例的一个准数，其表达式为：式中 毕奥准数；特征尺寸，m；导热系数，W/(mK)。对流给热系数，W/(mK)。当传热过程中固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，近似认为固体内部的温度T仅是时间t的一元函数而与空间坐标无关，这种忽略物体内部导热热阻的简化方法称为集总参数法。通常，当毕奥数Bi0.1时，采用集总参数法获得的温度误差不大，工程上可以接受。本实验拟将一固体小球在加热炉中加

4、热至一定温度后，将其置于一定环境中散热，测定其在不同环境条件下的对流传热系数。试验中首先假定其Bi准数小于0.1，则小球在散热过程中温度均一。若小球瞬时温度为T，环境温度为Te，小球的密度为，直径为dc，则根据热平衡原理，球体热量随时间的变化量应等于小球表面与外部环境通过对流传热向环境的散热量。即：初始条件：t=0，T=T0，则对上式进行积分可得：对于小球，则：通过实验测定小球在不同环境下的冷却曲线，由温度记录仪记下Tt关系，即可根据（6）式求出相应的对流传热系数。根据（6）式计算所得对流传热系数值，带入（3）式计算Bi，验证是否小于0.1，确认假设是否合理。三、 实验装置流程及实验准备工作1

5、. 实验装置流程实验装置及流程示意如图1所示。整个实验系统由加热系统与冷却系统组成。加热系统由一加热炉及其控制系统组成；冷却系统可以为小球冷却过程提供不同的冷却环境，包括自然对流、强制对流、固定床和流化床四种环境。强制对流、固定床和流化床三种冷却过程中流体（空气）流速可以通过调节阀控制。小球冷却曲线由控制平台在线记录，小球温度由嵌于其中的热电偶测定。图1 测定固体小球对流传热系数的实验装置1 风机；2放空阀；3文丘里流量计；4、5、6、7管路调节阀；8沙粒床层反应器；9带嵌装热电偶的钢球；10温度记录仪；11反应器压差计；12管式加热炉；13电加热炉控制器2. 实验准备工作（1） 测定小球直径

6、dc；（2） 查阅小球金属材料的热容、密度等参数；（3） 检查实验装置是否完好，包括加热炉、风机及电脑控制平台是否正常。四、 实验操作步骤及注意事项1. 实验操作步骤（1） 打开加热炉电源，设定加热炉温度为450，将加热炉预热至设定温度；（2） 将金属小球置于加热炉中，待其温度升至410以上时，迅速取出小球，置于不同环境（自然对流、强制对流、固定床和流化床）中进行冷却实验，小球冷却曲线Tt关系由温度记录仪记录；（3） 重复实验步骤（2），分别完成四种不同环境下的冷却实验；（4） 各个冷却环境操作如下：自然对流：将加热好的小球迅速取出，置于大气中，记录冷却曲线；强制对流：打开实验装置上阀门和，关

7、闭阀门、，开启风机，调节阀和，将空气流量设定到实验所需值。迅速取出加热好的小球，置于空塔中，记录下空气流量和冷却曲线；固定床：将加热好的小球置于塔中沙粒床层中，其他操作同“强制对流”；流化床：打开阀门和，关闭阀门、和，开启风机，调节阀门和，调节空气流量达到所需值。将加热好的小球置于反应器床层中，记录下空气流量、床层压降和冷却曲线。2. 实验注意事项（1） 实验过程中小球温度高，需谨慎操作；（2） 尽量减少实验过程中空气扰动（尤其是自然对流环境下）对实验的影响。五、 实验原始数据的记录六、 实验数据处理（1） 计算各个不同环境条件小球冷却过程中的对流传热系数值；（2） 利用所得不同环境下的对流传热系数值计算相应的Bi准数，验证是否小于0.1，确定实验过程假定条件是否成立。七、 实验结果与讨论（1） 对比不同环境下的对流传热系数，分析哪些因素影响小球的对流传热系数；（2） 此实验对小球材料、尺寸有何要求，如何才