CN201378151Y - 多态气固相传热远程实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多态气固相传热远程实验装置，该包括管路；沿管路依次连接的风机、流量传感器和沙粒床反应器；设置于管路上的至少一个电磁阀；被测钢球；加热炉；机械手臂，在加热炉和沙粒床反应器之间转移被测钢球。被测钢球内设置一热电偶。沙粒床反应器和加热炉内可分别设置一热电偶温度传感器。该多态气固相传热远程实验装置还可以设置与热电偶温度传感器、流量传感器、机械手臂、至少一个电磁阀信号连接的一远程控制器。该实验装置能共享优质教育资源和实现异地实验教学。

Description

多态气固相传热远程实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种多态气固相传热远程实验装置，用于在不同环境和流动状态下测定小球的对流传热系数的装置。

背景技术

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，它必然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。流动状态(层流和湍流)的不同，传热机理也就不同。根据上述的原理，开发了多态气固相传热系数测定的实验设备，并且实验装置在原来手动的基础上实现了自动化测控和远程操作。

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。

通过对导热的研究，傅立叶提出：

$q_y=\frac{Q_y}{A}=-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dy}}---\left(1\right)$

式中：

-y方向上的温度梯度[K/m]

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50～415[W/m·K]范围。纯金属的导热系数随温度升高而减小，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。本实验中，小球材料的选取对实验结果有重要影响。

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，它必然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。流动状态(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：

Q＝qA＝αA(T_w-T_f)                     (2)

α并非物性常数，其取决于系统的物性因素，几何因素和流动因素，通常由实验来测定。本实验测定的是小球在不同环境和流动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，各辐射出具有一定波长的光子，当被相互吸收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高低无关。热辐射则不然，即使温差相同，还与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。此时导热物体内的温度，既是空间位置又是时间的函数，T＝f(x，y，z，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，不少问题可以忽略两者之一进行处理。然而能否简化，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。

式中：δ＝V/A-为特征尺寸，对于球体为R/3

若Bi数很小， $\frac{\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&lambda;}}<<\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}},$ 表明内部导热热阻＜＜外部对流热阻，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致，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。实验表明，只要Bi＜0.1，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。

将一直径为d_s温度为T₀的小钢球，置于温度为恒定T_f的周围环境中，若T₀＞T_f，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。

$-\mathrm{\&rho;CV}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&alpha;A}(T-T_f)---\left(4\right)$

$\frac{d(T-T_f)}{(T-T_f)}=-\frac{\mathrm{\&alpha;A}}{\mathrm{\&rho;CV}}\mathrm{dt}---\left(5\right)$

初始条件：t＝0，T-T_f＝T₀-T_f

积分(5)式得：

${\&Integral;}_{T_0-T_f}^{T-T_f}\frac{d(T-T_f)}{T-\left(T_f\right)}=-\frac{\mathrm{\&alpha;A}}{\mathrm{\&rho;CV}}{\&Integral;}_0^t\mathrm{dt}$

$\frac{T-T_f}{T_0-T_f}=\exp (-\frac{\mathrm{\&alpha;A}}{\mathrm{\&rho;CV}}\&CenterDot;t)=\exp (-\mathrm{Bi}\&CenterDot;\mathrm{Fo})---\left(6\right)$

$\mathrm{Fo}=\frac{\mathrm{at}}{{(V/A)}^2}---\left(7\right)$

定义时间常数 $\mathrm{\&tau;}=\frac{\mathrm{\&rho;CV}}{\mathrm{\&alpha;A}},$ 分析(6)式可知，当物体与环境间的热交换经历了四倍于时间常数的时间后，即：t＝4τ，可得：

$\frac{T-T_f}{T_0-T_f}=e^{-4}=0.018$

表明过余温度T-T_f的变化已达98.2％，以后的变化仅剩1.8％，对工程计算来说，往后可近似作定常数处理。

对小球 $\frac{V}{A}=\frac{R}{3}=\frac{d_S}{6}$ 代入式(6)整理得：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\mathrm{\&rho;C}{d}_S}{6}\&CenterDot;\frac{1}{t}\ln \frac{T_0-T_f}{T-T_f}---\left(8\right)$

或 $\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{\&alpha;}{d}_S}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{\mathrm{\&rho;C}{d_S}^2}{6\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\frac{1}{t}\ln \frac{T_0-T_f}{T-T_f}---\left(9\right)$

通过实验可测得钢球在不同环境和流动状态下的冷却曲线，由温度记录仪记下T～t的关系，就可由式(8)和式(9)求出相应的α和Nu的值。

对于气体在20＜Re＜180000范围，即高Re数下，绕球换热的经验式为：

$\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{\&alpha;}{d}_S}{\mathrm{\&lambda;}}=0.37R{e}^{0.6}P{r}^{1/3}---\left(10\right)$

若在静止流体中换热：Nu＝2。

主要符号说明

A-面积，[m²]；

Bi-毕奥准数，[无因次]；

C-比热，[J/kgK]；

d_s-小球直径，[m]；

Fo-傅立叶准数，[无因次]；

Nu-努塞尔准数，[无因次]；

Pr-普朗特准数，[无因次]；

q_y-y方向上单位时间单位面积的导热量，[J/m²s]；

Q_y-y方向上的导热速率，[J/s]；

R-半径，[m]；

Re-雷诺准数，[无因次]；

T-温度，[K]或[℃]；

T₀-初始温度，[K]或[℃]；

T_f-流体温度，[K]或[℃]；

T_w-壁温，[K]或[℃]；

t-时间，[s]；

V-体积，[m³]；

α-对流传热系数，[W/m²K]；

λ-导热系数，[W/mK]；

δ-特征尺寸，[m]；

ρ-密度，[kg/m³]；

τ-时间常数，[s]；

μ-粘度，[Pa·s]。

随着现代化工领域的快速发展，对远程实验装置的建设提出了更高的要求，以利于共享优质教育资源和实现异地实验教学。

实用新型内容

本实用新型提供了一种新颖的多态气固相传热远程实验装置，通过对温度和流量的实验数据的远程检测以及对诸如电磁阀和机械手臂等操作装置的远程监控弥补了现有实验装置的诸多不足。

本实用新型提供了一种多态气固相传热远程实验装置，该装置包括管路；沿所述管路依次连接的风机、流量传感器和沙粒床反应器；设置于所述管路上的至少一个电磁阀；被测钢球；加热炉；机械手臂，在所述加热炉和沙粒床反应器之间转移所述被测钢球。其中，所述被测钢球内设置一热电偶；所述沙粒床反应器和所述加热炉内分别设置一热电偶温度传感器。此外，该装置还包括一远程控制器，该远程控制器与所述热电偶温度传感器、流量传感器、机械手臂、至少一个电磁阀信号连接。

此外，根据本实用新型的一个方面，该多态气固相传热远程实验装置还包括一摄像头，该摄像头设置成至少正对于所述沙粒床反应器、被测钢球、加热炉、机械手臂并与所述远程控制器信号连接。

此外，根据本实用新型的另一方面，所述流量传感器是转子流量传感器。

此外，根据本实用新型的另一方面，所述摄像头固定一云台上。

此外，根据本实用新型的另一方面，所述远程控制器内设置一视频信号存储部件。

根据本实用新型的多态气固相传热远程实验装置可实现网络异地教学，对学生的创新能力和综合能力的提高可起到很大的促进作用。实验装置配备的视频监视系统，可使学生不在现场的情况下，也能身临其境，通过视频观察到现场设备的操控情况，现场感强。

应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本实用新型提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：

图1示出了根据本实用新型的多态气固相传热远程实验装置的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。

如图1所示，本实用新型的多态气固相传热远程实验装置包括经管路连接的风机1、流量传感器3、沙粒床反应器7；分布于管路各节点处的电磁阀4、5、6、9及放空阀2。此外，被测钢球8可通过机械手臂(未示出)沿轨迹11在加热炉13和沙粒床反应器7之间转移。特别是，上述被测钢球8内包含一热电偶，而所述加热炉13和沙粒床反应器7上分别设置一热电偶温度传感器14，以便于实时检测被测钢球的温度。此外，根据图1所述的实施例，该多态气固相传热远程实验装置还可以包括加热炉控制器12和温度记录仪10。

特别是，本实用新型的多态气固相传热远程实验装置包括远程控制器(未示出)，该远程控制器可从所述热电偶温度传感器14和流量传感器3实时接收实验参数，并可实现对机械手臂和电磁阀4、5、6、9进行远程控制。

此外，还可以设置一摄像头，该摄像头设置成至少正对于上述沙粒床反应器、被测钢球、加热炉、机械手臂，并可以将视频信号传送给远程控制器，实现视频监控。通过远程控制器的数据处理，上述视频信号可通过IE界面直接访问并观看。

以下结合具体的实验进一步说明本实用新型的实施例。

首先，将加热炉的加热温度调节至例如400～500℃。待温度上升至设定炉温后，对被测钢球进行加热。同时，通过观察视频画面可发现机械手臂将钢球放入加热炉中，当钢球温度升至例如400℃时，可取出钢球，准备放在不同的环境条件下进行传热实验，钢球的温度随时间变化的关系可以由远程控制器予以记录，该关系称为冷却曲线。

1)自然对流实验：机械手臂将加热好的钢球迅速取出，置于大气当中，同时开始记录冷却曲线，当钢球温度降到过余温度的98.2％时，可以结束实验。此时可通过远程控制器的输出界面查看实验数据情况并准备进入下一状态的实验操作。

2)强制对流实验：设定风机流量(范围15～25m3/h)后，远程控制机械手臂以将加热好的钢球迅速取出，置于沙粒床层反应器中的床层上方，此时风机启动，且远程控制器开始记录冷却曲线。

3)固定床实验：机械手臂将加热好的钢球迅速取出，此时风机启动，钢球被移动至床层底部，完成固定床安置状态，并开始记录冷却曲线。

4)流化床实验：机械手臂将加热好的钢球迅速取出，此时风机启动，小球被移动至床层上部，开始进行流化床传热实验，同时冷却曲线记录启动。

实验结果处理以固定床实验为例，求取对流传热系数时应可能在温度冷却曲线上多取些实验点，然后通过

对θ作图，再对曲线进行线性化处理(上式中T0为θ＝0秒时的T值)，得到斜率k，再由式 $h=\frac{\mathrm{k\&rho;C}{d}_s}{6}$ 求取对流传热系数h。(式中：ρ为钢球密度，c为钢球比热，d_s为钢球直径)。

此外，为确保实验安全，可以通过远程控制器的对各数据的监控及对各设备的控制来对小球移动位置设定限位、对加热炉的温度进行上限报警、对风机予以过载保护等安全措施设计，以确保实验的顺利进行。

特别是，上述远程控制器所接收到的诸如流量和温度的参数可存储于该远程控制器内，并经其处理输出。根据一个较佳实施例，实验者可以通过与该远程控制器内设或与之连接的显示终端上的普通IE浏览器读取这些数据并进行有关数据处理。当然，本领域的普通技术人员可以理解，上述数据处理方法和数据的输出方式并不限于此，其取决于具体的实验且可以根据常规的实验手段进行调整。

根据一个优选实施例，本实用新型的摄像头可以设置于一云台上，且该云台直接与远程控制器相连接，并可根据来自于远程控制器的驱动信号对摄像头的角度进行调节。

此外，在远程控制器内可以设置视频存储设备，以允许对摄像头采集的视频信号予以存储，便于回放编辑。

本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。

Claims (5)

1.一种多态气固相传热远程实验装置，其特征在于，包括管路；沿所述管路依次连接的风机、流量传感器和沙粒床反应器；设置于所述管路上的至少一个电磁阀；被测钢球；加热炉；机械手臂，在所述加热炉和沙粒床反应器之间转移所述被测钢球，其特征在于：

所述被测钢球内设置一热电偶；

所述沙粒床反应器和所述加热炉内分别设置一热电偶温度传感器；

设置与所述热电偶温度传感器、流量传感器、机械手臂、至少一个电磁阀信号连接的一远程控制器。

2.如权利要求1所述的多态气固相传热远程实验装置，其特征在于，还包括一摄像头，该摄像头设置成至少正对于所述沙粒床反应器、被测钢球、加热炉、机械手臂并与所述远程控制器信号连接。

3.如权利要求1所述的多态气固相传热远程实验装置，其特征在于，所述流量传感器是转子流量传感器。

4.如权利要求2所述的多态气固相传热远程实验装置，其特征在于，所述摄像头固定一云台上。

5.如权利要求1所述的多态气固相传热远程实验装置，其特征在于，所述远程控制器内设置一视频信号存储部件。

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