主页 > 技术文章 > 固体小球对（duì）流传热（rè）系数测定实（shí）验装置使用（yòng）说明书 2025-07-15

固体小球对流传热系数测定实验（yàn）装置（zhì）使用说明书

一（yī）、固体小（xiǎo）球对（duì）流传（chuán）热系数测定实验（yàn）装置使用说明书-实验目的
工（gōng）程上经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（guò）程通（tōng）称为对流传热（或对流给热)。显（xiǎn）然流体的物性以及（jí）流体的流动状态还有周围的环境都会影响对流传热。了解与测定（dìng）各种环境下的对流（liú）传热系数具有重要的实际意义。
通过本实验可达到下列目的：
测定不同环境与小钢球之间的对（duì）流传热系数，并对所得结果进行比较。
了解非定常态导热的特点以及（jí）毕奥准数（Bi）的物理意义。
熟悉流化床和固定床的操作特点（diǎn）。
二、实验原理
自（zì）然界和工程上，热量传递（dì）的机理有传导、对流和（hé）辐（fú）射。传（chuán）热时可能有几种机理同时存在，也可能（néng）以某种机理（lǐ）为主，不同的机理对应不同的传热方式或规（guī）律。
当物体中有温差存在时（shí），热量将由（yóu）高温处向低温处传递，物质的导热性主要是分子（zǐ）传递现象的表现。
通过对导热的研究（jiū），傅立（lì）叶提出：

(1)
式中：

- y方向上的温度梯度

上式称（chēng）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（wēn）度梯（tī）度的方向相反。
金属的导热系数比非金属大得多，大致在50～415

范围（wéi）。纯金属的导热系数随温度升高（gāo）而减小，合金却相反，但纯金（jīn）属的导热（rè）系数通常高于由其所组成的（de）合金。本实验中，小球材料的选取对（duì）实验结果有重要影响。
热对（duì）流是流体相对（duì）于固体表面作宏观运动时，引起的微团尺（chǐ）度上的热量（liàng）传递过程。事实上，它（tā）必（bì）然伴（bàn）随有流体微团间以及与固体壁面间的接触导热，因而是（shì）微观分子热传导和宏（hóng）观微团热对流两者的综合过（guò）程。具有宏观尺度上的运动是热对流的实质。流动状态（层流和湍流）的不同，传热机理也就不同。
牛（niú）顿提出对（duì）流传热规律的基本（běn）定律 - 牛顿（dùn）冷却定律：

(2)

并非物性常数，其（qí）取决于（yú）系统的物性因素，几何因素和流动因素，通常由实验来测定。本实验测定的是小球在（zài）不同（tóng）环境和流（liú）动状态下的对流传热系数。
强（qiáng）制对流较自然对流传热（rè）效果好，湍流较层流的对流传热（rè）系（xì）数要（yào）大。
热辐射是当温度不同的物体，以电磁波形（xíng）式，各辐射出具有一定波长的光子，当被相互（hù）吸收后所发生的换热过程。热辐射和热传（chuán）导，热（rè）对流的换热规律有（yǒu）着显著的差别，传（chuán）导（dǎo）与对流传热速率（lǜ）都正比（bǐ）于温度差，而（ér）与（yǔ）冷热物（wù）体本身的温度高低（dī）无关。热辐射则（zé）不（bú）然，即使温差相同，还与（yǔ）两物体绝对温度的高低有关。本实验尽量避免热辐射传热对实验结果带来误差。
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（de）温度，既是空间位置又是时间的函数（shù），

。物体在导热介质的加热或冷却过程中，导热（rè）速率同时取决于物体内部的导热热阻以及与环境间的外（wài）部对流热阻。为（wéi）了简化，不少问题（tí）可以忽（hū）略两者之一进行处（chù）理。然而（ér）能否简化，需要确定一个判据。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判断。

(3)
式中：

- 为特征（zhēng）尺寸，对于球体为R/3
若Bi数很小（xiǎo），

，表明内（nèi）部导热热阻（zǔ）<<外部对（duì）流热阻，此时，可忽略内部导热热阻，可简化为整个物体的温度均匀一（yī）致，使温度仅为时间（jiān）的函数（shù），即

。这（zhè）种将系统简化为具有均一性质进行处（chù）理的方法，称为集总参数法。实验表明，只要Bi<0.1，忽略内部（bù）热阻进行计算，其误差（chà）不大于5%，通常为工程计算所允许。
将（jiāng）一直（zhí）径为d_s温度为

的小钢球，置于（yú）温度为（wéi）恒定（dìng）

的（de）周围环境中，若

，小球的瞬时温度Ｔ，随着时间ｔ的增加而减小。根据热平衡原理，球（qiú）体热量随时间的变化应等于通过对流（liú）换热向周围（wéi）环境（jìng）的散热速率。

(4)

(5)
初始条件（jiàn）：

积分(5)式得：

(6)

(7)
定义时间常数

，分析(6)式可知（zhī），当物体与环境间的热交换经历（lì）了四（sì）倍于时（shí）间常数的时间后，即：

，可得（dé）：

表明过（guò）余温度（dù）

的变化已达98.2%，以后的变化仅剩（shèng）1.8%，对工程计算来说，往后（hòu）可（kě）近似作定常数（shù）处理。
对小球（qiú）

代入式(6)整理（lǐ）得：

(8)
或

(9)
通（tōng）过实验可（kě）测得钢（gāng）球在（zài）不同环境和流动状态下的（de）冷却曲线，由温（wēn）度记录仪记下T～t的关系（xì），就可由式(8)和式(9)求（qiú）出相应的

和（hé）

的值。
对于气（qì）体在

范围，即高

数下，绕球换（huàn）热的经验式为（wéi）：

(10)
若在静止流体中换热：

。
三、预习与思考
明确实验（yàn）目的。
影响热量传递（dì）的因素有哪些？

数的物（wù）理含（hán）义是什么？
本实验对小球体的选择有哪些要求，为什么?
本（běn）实验加热炉的（de）温度为何要控制（zhì）在400～500℃，太高太（tài）低有（yǒu）何影响？
自然对流条件下实验要注（zhù）意哪些问题？
每次（cì）实（shí）验的时间需要多长，应如何判断实验结束？
实验需查找哪些数据，需测定哪些数据？
设（shè）计原始实验（yàn）数据记录表。
实验数据如何处理？
四（sì）、实验装置与流程

固体小球（qiú）对流传热系数的测定（dìng）实验装（zhuāng）置流程图

五、实验步骤及方法
测定小钢球的直径d_s为15mm。
打开管式加热炉的加热电源，调节加热温（wēn）度至（zhì）400～500℃。
将嵌有热电偶的小（xiǎo）钢球悬挂在加热炉中，并打开温度纪录仪，从温度（dù）计录仪上观察钢球温度的变化。当温度升至400℃时，迅速取出钢球（qiú），放在不同的（de）环境条件下进行实验（yàn），钢球的温度随（suí）时间（jiān）变化的关系（xì）由温度记录仪记（jì）录。
装置运（yùn）行的环境条件有：自（zì）然对流，强制对流，固定床和流化床。流动状态有：层流和湍（tuān）流。
自然对流实验：将加热好的钢球迅速取出，置于大气当中，尽（jìn）量减少钢球附近的大气（qì）扰动，记录下冷却曲线。
强（qiáng）制对流实验：打开实验装置上的1、2、3阀，关闭4、5、6阀，开启（qǐ）风机，调（diào）节阀6和2阀（fá），调节空气流（liú）量达（dá）到实验所需（xū）值。迅速取出（chū）加热好（hǎo）的钢球，置于反（fǎn）应器中的（de）空塔身中，记录下空气的流量和冷却曲线。
固定（dìng）床实验：将加热好的钢球置于反应（yīng）器中的砂粒层中（zhōng），其它操作同(6)，记录下空气的流量，反（fǎn）应器的压降和冷却曲线。
流化床实验：打开1、2、6阀，关闭4、3、5阀，开启风机，调节（jiē）阀4和阀2，调节空（kōng）气流量达到实验所需值。将加热好的钢球迅速置于反应器中的流化层（céng）中，记录下空气的流量，反应器的压降和冷却曲线。
六（liù）、实验数据处理
计（jì）算不同环境和（hé）流（liú）动（dòng）状态下的对（duì）流传热系数

。
计算实验用小球的

准数（shù），确定其（qí）值是否小于（yú）0.1。
将实验值与理论值进（jìn）行比较（jiào）。
七、结果与讨论（lùn）
基本原理的应用是否正确？
对比（bǐ）不同环（huán）境（jìng）条件下的对流传热系数。
分（fèn）析实验结果同理论值偏差的原（yuán）因。
对实验方法（fǎ）与实验结果讨论（lùn）。
八、主要符号说明（míng）

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