固体小球传热实验

1、化学工程与工艺专业实验 固体小球对流传热系数测定实验,一、实验项目的来源与技术背景,小球传热属于传递过程中的非定常导热过程部分内容。在工程上经常遇到凭借流体宏观运动将热量传给壁面或由壁面将热量传给流体的过程，此过程通称为对流传热（或给热）。,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景,热量传递的方式：导热，对流和辐射。 对流传热系数表征传热过程强烈程度的指标。 理论上： h流化床 h固定床 h强制对流 h自然对流,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景,非定常导热过程简化处理集总参数法 条件： 小球体积尽量小，忽略其内部热阻，将小球看作 均一的来处理。,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景

2、,实验设备技术关键： 加热小球与嵌装热 电偶间的焊接引入的金 属间的导热，从而产生 热量的散失，并带来实 验误差。,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景,实验设备技术关键： 加热小球温度太高，引入热辐射造成实验误差。 解决方法： 小球与热电偶间采用隔热的陶瓷粘结剂。 小球加热温度控制在400至500度,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景,应用价值： 化工生产中的换热器，冷凝器，暖气片，电子元器件散热，宇航材料隔热以及建筑材料保温等。,来源与背景,一、实验项目的来源与技术背景,来源与背景,二、实验原理,根据热平衡原理，球体热量随时间的变化应等于通过对流换热向周围环境的散热速率。,实验原

3、理,二、实验原理,积分得到：,实验原理,二、实验原理,表明过余温度的变化已达98.2%，以后的变化剩1.8%，对工程计算来说，往后可近似作定常数理,实验原理,二、实验原理,只要Bi0.1，忽略内部热阻进行计算，其误差不大于5%，通常为工程计算所允许。,实验原理,二、实验原理,实验原理,图1 小球传热实验装置流程图 1-风机；2放空阀；3转子流量 计； 4、5、6、9管路调节阀 7沙粒床层反应器；8带嵌装热 电偶的钢球；10温度记录仪； 11钢球移动轨迹； 12电加热炉 控制器；13管式加热炉,二、实验原理,图2 实验计算机控制界面流程图,实验原理,二、实验原理,图2 固体小球对流传热实验装置图

4、,实验原理,三、实验操作技巧与难点,实验步骤如下： 1）开启设备总电源，打开计算机操作界面，开启管式加热炉电源并输入加温预热的预设值。温度应控制400-500度之间。温度太高会引入热辐射，造成测量误差。另外也容易损坏铜球及热电偶；而温度太低，温差较小，易产生系统误差。,技巧与难点,三、实验操作技巧与难点,2）应快速将加热小球置于不同的环境中进行实验，以免造成计算机温度采集的读数误差。 3）进行流化床、强制对流和固定床操作之前，应事先注意小球与管路的密闭。 4）由计算机自动开启风机及相应的阀门并自动记录下相应实验的温度冷却曲线。注意在每次实验前及时输入实验编号和风机流量值。,技巧与难点,三、实验

5、操作技巧与难点,5）采集控制结束的判据应该是过余温度的98.2%或四倍的时间常数。 6）应注意固定床传热实验的正确操作，点击固定床操作时，计算机会自动先将砂粒床层流化，此时迅速将加热小铜球插入床层中，同时点击开始实验按钮，计算机自动开启风机、阀门和记录下温度冷却曲线并存盘。 7）退出小球实验计算机控制操作系统并关闭设备总电源。,技巧与难点,三、实验操作技巧与难点,实验注意事项： 1）进行固定床操作时，应将设备先流化，然后快速将小球插入沙粒床层的底部，然后改变风机流向将小球埋入床层中。此放置过程先处于流化状态，温度散热很快，为了与其它散热过程从相同的起始温度来进行比较，那么小球的加热温度应比其它

6、状态加温高些。 2）停止散热曲线采集的判据是过余温度的98.2%。,技巧与难点,三、实验操作技巧与难点,3）由于加热炉温设定在550度左右，炉心的温度较高 学生实验时应避免触碰，以免造成烫伤！ 4）小球加热温度应控制在400至500度之间，太高会引入热辐射，太低温差小会引入相对误差。,技巧与难点,三、实验操作技巧与难点,5）当小球温度加热到400度左右时应应迅速放入床层 反应器中，以免造成计算机采样滞后，引起误差。 6）当小球放置完毕，操作电脑的同学应观察控制界 面上显示的小球温度大小，如达到所测范围，应快速 点击采样按钮，同时调节流量的同学也要快速将风机 流量调整到所需值。,技巧与难点,三、

7、实验操作技巧与难点,7）在进行自然对流散热操作时，应尽量减少周围的空 气扰动所造成的实验误差。 8）将流化床反应器封口的橡皮塞盖紧，以免漏气，造 成空气流量偏差。,技巧与难点,1、用游标卡尺测量小球直径d，查表得到不锈钢球的密 度、比热和导热系数，并查23.6度下空气的密度、比热 导热系数、粘度及普朗特数待以后数据处理之用。 2、从计算机采样的原始数据表中取25到30组数据待作图 进行。 3、 所以,数据处理,四、数据处理的思路与技巧,4、由 对 t（秒）作图后线形化处理得到直线的 斜率K（如图4所示）。 斜率K与对流传热系数h有如下关系，即：,数据处理,四、数据处理的思路与技巧,数据处理,四

8、、数据处理的思路与技巧,图3、强制对流冷却曲线图,图4、强制对流 与t（秒)关系图,5、对于气体在20Re180000范围，即高数下，绕球换热的经验式为： 通过实验计算值与经验公式计算值的比较来分析实际值与理论值的误差。,数据处理,四、数据处理的思路与技巧,6、计算,数据处理,四、数据处理的思路与技巧,1、原始数据表（四张）,实验报告,五、实验报告的书写规范,2、作小球冷却曲线，对曲线进行线性化处理。 要求曲线规范，自变量和应变量标识和单位清楚。 3、实验结果列表,实验报告,五、实验报告的书写规范,4、实验结果讨论 （1）讨论Bi（毕奥准数的物理意义）与实验数据处理的 关系。 （2）Nu（努塞尔数）的物理意义 。 （3）误差分析。,实验报告,五、实验报告的书写规范,六、实验项目思考与讨论,1、影响热量传递的因素有那些？ 2、本实验中小球的选择有那些要求？ 3、本实验加热炉的温度为