專利名稱：多態氣固相傳熱遠程實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，用于在不同環境和流動 狀態下測定小球的對流傳熱系數的裝置。
背景技術：
熱對流是流體相對于固體表面作宏觀運動時，引起的微團尺度上的熱量傳遞 過程。事實上，它必然伴隨有流體微團間以及與固體壁面間的接觸導熱，因而是微 觀分子熱傳導和宏觀微團熱對流兩者的綜合過程。具有宏觀尺度上的運動是熱對流 的實質。流動狀態(層流和湍流)的不同，傳熱機理也就不同。根據上述的原理， 開發了多態氣固相傳熱系數測定的實驗設備，并且實驗裝置在原來手動的基礎上實 現了自動化測控和遠程操作。自然界和工程上，熱量傳遞的機理有傳導、對流和輻射。傳熱時可能有幾種 機理同時存在，也可能以某種機理為主，不同的機理對應不同的傳熱方式或規律。
當物體中有溫差存在時，熱量將由高溫處向低溫處傳遞，物質的導熱性主要 是分子傳遞現象的表現。
通過對導熱的研究，傅立葉提出
《v = J = —/1——
式中 辦-y方向上的溫度梯度["附]
上式稱為傅立葉定律，表明導熱通量與溫度梯度成正比。負號表明，導熱方 向與溫度梯度的方向相反。
金屬的導熱系數比非金屬大得多，大致在50 415[W/^"范圍。純金屬的導 熱系數隨溫度升高而減小，合金卻相反，但純金屬的導熱系數通常高于由其所組成 的合金。本實驗中，小球材料的選取對實驗結果有重要影響。
熱對流是流體相對于固體表面作宏觀運動時，引起的微團尺度上的熱量傳遞 過程。事實上，它必然伴隨有流體微團間以及與固體壁面間的接觸導熱，因而是微觀分子熱傳導和宏觀微團熱對流兩者的綜合過程。具有宏觀尺度上的運動是熱對流 的實質。流動狀態(層流和湍流)的不同，傳熱機理也就不同。
牛頓提出對流傳熱規律的基本定律-牛頓冷卻定律
a并非物性常數，其取決于系統的物性因素，幾何因素和流動因素，通常由 實驗來測定。本實驗測定的是小球在不同環境和流動狀態下的對流傳熱系數。
強制對流較自然對流傳熱效果好，湍流較層流的對流傳熱系數要大。
熱輻射是當溫度不同的物體，以電磁波形式，各輻射出具有一定波長的光子， 當被相互吸收后所發生的換熱過程。熱輻射和熱傳導，熱對流的換熱規律有著顯著 的差別，傳導與對流傳熱速率都正比于溫度差，而與冷熱物體本身的溫度高低無關。 熱輻射則不然，即使溫差相同，還與兩物體絕對溫度的高低有關。本實驗盡量避免 熱輻射傳熱對實驗結果帶來誤差。
物體的突然加熱和冷卻過程屬非定常導熱過程。此時導熱物體內的溫度，既
是空間位置又是時間的函數，r = y"，y"，0。物體在導熱介質的加熱或冷卻過程中， 導熱速率同時取決于物體內部的導熱熱阻以及與環境間的外部對流熱阻。為了簡 化，不少問題可以忽略兩者之一進行處理。然而能否筒化，需要確定一個判據。通
常定義無因次準數畢奧數(Bi),即物體內部導熱熱阻與物體外部對流熱阻之比進 行判斷。
內部導熱熱阻=組=！ ￡/=外部對流熱阻 ^ (3)
式中^ = % -為特征尺寸，對于球體為R/3 - 丄
若Bi數《艮小，義表明內部導熱熱阻《外部對流熱阻，此時，可忽略內 部導熱熱阻，可簡化為整個物體的溫度均勻一致，使溫度僅為時間的函數，即 r = /(f)。這種將系統簡化為具有均一性質進行處理的方法，稱為集總參數法。實 驗表明，只要BkO.l,忽略內部熱阻進行計算，其誤差不大于5%，通常為工程計 算所允許。
將一直徑為ds溫度為S的小鋼球，置于溫度為恒定^的周圍環境中，若 T >7>,小球的瞬時溫度T,隨著時間t的增加而減小。根據熱平衡原理，球體熱 量隨時間的變化應等于通過對流換熱向周圍環境的散熱速率。
& 、" (4)
4af r —r,
/乂 —
r一r,
qj4
(5)
初始條件 積分(5)式得
^ = o， r 一 r, = r0 — r,
一r,d(r-r,)— qj4
r-7}
乂o J/exp|
=exp(- Fo)
加
(6)
(7)
定義時間常數 《4 ,分析(6)式可知，當物體與環境間的熱交換經歷了四 倍于時間常數的時間后，即f = 47,可得
r。—
=g
'-4
0.018
表明過余溫度T —^的變化已達98.2免，以后的變化僅剩1.8%，對工程計算來 說，往后可近似作定常數處理。
對小球A 36代入式(6)整理得
a:
6 r —
6;i f r — r,
(8)
(9)
或 " w - '
通過實驗可測得鋼球在不同環境和流動狀態下的冷卻曲線，由溫度記錄儀記
下T ~ t的關系，就可由式(8)和式(9)求出相應的"和的值。
對于氣體在^〈Re〈lS0000范圍，即高Re數下，繞球換熱的經驗式為
《 了
=0.37 Re0 6 Pr
乂
(10)
若在靜止流體中換熱W" = 2,
主要符號說明
A — 面積，[ml;
所-畢奧準數，[無因次]; C —比熱，[VkgK];^ —小球直徑，[m];
& -傅立葉準數，[無因次〗；
飾-努塞爾準數，[無因次]; Pr -普朗特準數， [無因次];
& - y方向上單位時間單位面積的導熱量，[Vm2s]; ^ - y方向上的導熱速率， [J/5];
/ _半徑，[m];
Re -雷諾準數，[無因次];
r -溫度，[K]或[。C〗；
To - 初始溫度，.[K]或[。C];
^ - 流體溫度，[K]或[。C〗； ^ _壁溫，[K]或[。C];
f曙時間， [S];
V —體積，[m3]; "-對流傳熱系數，[W/m2K]; 義-導熱系凄t, [W/mK]; 5 -特征尺寸，[m]; ^ -密度， [kg/m3]; 7 -時間常數， ^ -粘度，[Pa's]。 隨著現代化工領域的快速發展，對遠程實驗裝置的建設提出了更高的要求， 以利于共享優質教育資源和實現異地實驗教學。
實用新型內容
本實用新型提供了一種新穎的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，通過對溫度和 流量的實驗數據的遠程檢測以及對諸如電磁閥和機械手臂等操作裝置的遠程監控 彌補了現有實驗裝置的諸多不足。
本實用新型提供了一種多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，該裝置包括管路；沿 所述管路依次連接的風機、流量傳感器和沙粒床反應器；設置于所述管路上的至少 一個電磁閥；被測鋼球；加熱爐；機械手臂，在所述加熱爐和沙粒床反應器之間轉 移所述被測鋼球。其中，所述被測鋼球內設置一熱電偶；所述沙粒床反應器和所述加熱爐內分別設置一熱電偶溫度傳感器。此外，該裝置還包括一遠程控制器，該遠 程控制器與所述熱電偶溫度傳感器、流量傳感器、機械手臂、至少一個電^ 茲閥信號 連接。
此外，根據本實用新型的一個方面，該多態氣固相傳熱遠程實驗裝置還包括
一攝像頭，該4聶像頭設置成至少正對于所述沙粒床反應器、被測鋼球、加熱爐、機
械手臂并與所述遠程控制器信號連接。
此外，根據本實用新型的另一方面，所述流量傳感器是轉子流量傳感器。
此外，根據本實用新型的另一方面，所述攝像頭固定一云臺上。
此外，根據本實用新型的另一方面，所述遠程控制器內設置一視頻信號存儲部件。
根據本實用新型的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置可實現網絡異地教學，對學 生的創新能力和綜合能力的提高可起到很大的促進作用。實驗裝置配備的視頻監視 系統，可使學生不在現場的情況下，也能身臨其境，通過視頻觀察到現場設備的操 控情況，現場感強。
應當理解，本實用新型以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說 明性的，并且旨在為如權利要求所述的本實用新型提供進一步的解釋。
包括附圖是為提供對本實用新型進一步的理解，它們被收錄并構成本申請的 一部分，附圖示出了本實用新型的實施例，并與本說明書一起起到解釋本實用新型
原理的作用。附圖中
圖1示出了根據本實用新型的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置的示意圖。
具體實施方式
現在將詳細參考附圖描述本實用新型的實施例。
如圖1所示，本實用新型的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置包括經管路連接的 風機l、流量傳感器3、沙粒床反應器7;分布于管路各節點處的電磁閥4、 5、 6、 9及放空閥2。此外，被測鋼球8可通過機械手臂(未示出)沿軌跡11在加熱爐 13和沙粒床反應器7之間轉移。特別是，上述被測鋼球8內包含一熱電偶，而所 述加熱爐13和沙粒床反應器7上分別設置一熱電偶溫度傳感器14,以便于實時檢測被測鋼球的溫度。此外，根據圖l所述的實施例，該多態氣固相傳熱遠程實驗裝 置還可以包括加熱爐控制器12和溫度記錄儀10。
特別是，本實用新型的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置包括遠程控制器(未示
出)，該遠程控制器可從所述熱電偶溫度傳感器14和流量傳感器3實時接收實驗 參數，并可實現對機械手臂和電磁閥4、 5、 6、 9進行遠程控制。
此外，還可以設置一攝像頭，該攝像頭設置成至少正對于上述沙粒床反應器、 被測鋼球、加熱爐、機械手臂，并可以將視頻信號傳送給遠程控制器，實現視頻監 控。通過遠程控制器的數據處理，上述^L頻信號可通過IE界面直接訪問并觀看。
以下結合具體的實驗進一步說明本實用新型的實施例。
首先，將加熱爐的加熱溫度調節至例如400~500°C。待溫度上升至設定爐溫 后，對被測鋼球進行加熱。同時，通過觀察視頻畫面可發現機械手臂將鋼球放入加 熱爐中，當鋼球溫度升至例如40(TC時，可取出鋼球，準備放在不同的環境條件下 進行傳熱實驗，鋼球的溫度隨時間變化的關系可以由遠程控制器予以記錄，該關系 稱為冷卻曲線。
1) 自然對流實驗機械手臂將加熱好的鋼球迅速取出，置于大氣當中，同時 開始記錄冷卻曲線，當鋼球溫度降到過余溫度的98.2%時，可以結束實驗。此時可 通過遠程控制器的輸出界面查看實驗數據情況并準備進入下一狀態的實驗操作。
2) 強制對流實驗設定風機流量(范圍15~25m3/h)后，遠程控制機械手臂 以將加熱好的鋼球迅速取出，置于沙粒床層反應器中的床層上方，此時風機啟動， 且遠程控制器開始記錄冷卻曲線。
3) 固定床實驗機械手臂將加熱好的鋼球迅速取出，此時風機啟動，鋼球被 移動至床層底部，完成固定床安置狀態，并開始記錄冷卻曲線。
4) 流化床實驗機械手臂將加熱好的鋼球迅速取出，此時風機啟動，小球被 移動至床層上部，開始進行流化床傳熱實驗，同時冷卻曲線記錄啟動。
實驗結果處理以固定床實驗為例，求取對流傳熱系數時應可能在溫度冷卻曲
線上多取些實驗點，然后通過 2一一對e作圖，再對曲線進行線性化處理(上式
中TO為0-O秒時的T值)，得到斜率k,再由式—^求取對流傳熱系數h。 (式中P為鋼球密度，c為鋼球比熱，《為鋼球直徑)。
此外，為確保實驗安全，可以通過遠程控制器的對各數據的監控及對各設備 的控制來對小球移動位置設定限位、對加熱爐的溫度進行上限報警、對風機予以過載保護等安全措施設計，以確保實驗的順利進行。
特別是，上述遠程控制器所接收到的諸如流量和溫度的參數可存儲于該遠程 控制器內，并經其處理輸出。根據一個較佳實施例，實驗者可以通過與該遠程控制 器內設或與之連接的顯示終端上的普通IE瀏覽器讀取這些數據并進行有關數據處 理。當然，本領域的普通技術人員可以理解，上述數據處理方法和數據的輸出方式 并不限于此，其取決于具體的實驗且可以根據常規的實驗手段進行調整。
根據一個優選實施例，本實用新型的攝像頭可以設置于一云臺上，且該云臺 直接與遠程控制器相連接，并可根據來自于遠程控制器的驅動信號對攝像頭的角度 進行調節。
此外，在遠程控制器內可以設置視頻存儲設備，以允許對攝像頭采集的視頻 信號予以存儲，便于回放編輯。
本領域技術人員可顯見，可對本實用新型的上述示例性實施例進行各種修改 和變型而不偏離本實用新型的精神和范圍。因此，旨在使本實用新型覆蓋落在所附 權利要求書及其等效技術方案范圍內的對本實用新型的修改和變型。
權利要求1.一種多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，其特征在于，包括管路；沿所述管路依次連接的風機、流量傳感器和沙粒床反應器；設置于所述管路上的至少一個電磁閥；被測鋼球；加熱爐；機械手臂，在所述加熱爐和沙粒床反應器之間轉移所述被測鋼球，其特征在于所述被測鋼球內設置一熱電偶；所述沙粒床反應器和所述加熱爐內分別設置一熱電偶溫度傳感器；設置與所述熱電偶溫度傳感器、流量傳感器、機械手臂、至少一個電磁閥信號連接的一遠程控制器。
2. 如權利要求1所述的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，其特征在于，還包括 一攝像頭，該攝像頭設置成至少正對于所述沙粒床反應器、被測鋼球、加熱爐、機 械手臂并與所述遠程控制器信號連接。
3. 如權利要求1所述的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，其特征在于，所述流 量傳感器是轉子流量傳感器。
4. 如權利要求2所述的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，其特征在于，所述攝 像頭固定一云臺上。
5. 如權利要求1所述的多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，其特征在于，所述遠 程控制器內設置一視頻信號存儲部件。
專利摘要本實用新型提供了一種多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，該包括管路；沿管路依次連接的風機、流量傳感器和沙粒床反應器；設置于管路上的至少一個電磁閥；被測鋼球；加熱爐；機械手臂，在加熱爐和沙粒床反應器之間轉移被測鋼球。被測鋼球內設置一熱電偶。沙粒床反應器和加熱爐內可分別設置一熱電偶溫度傳感器。該多態氣固相傳熱遠程實驗裝置還可以設置與熱電偶溫度傳感器、流量傳感器、機械手臂、至少一個電磁閥信號連接的一遠程控制器。該實驗裝置能共享優質教育資源和實現異地實驗教學。
文檔編號G01N25/18GK201378151SQ20082015580
公開日2010年1月6日 申請日期2008年11月24日 優先權日2008年11月24日
發明者樂清華, 雷 寧, 徐菊美, 蔣龍浩, 明 雷 申請人:華東理工大學