第3章傳熱學(xué)有源強化

1、中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3第三章 對流換熱的有源強化 有源強化技術(shù)除了需要通常的傳熱介質(zhì)唧送有源強化技術(shù)除了需要通常的傳熱介質(zhì)唧送設(shè)備外，還需要外加的機械能、電磁能或其設(shè)備外，還需要外加的機械能、電磁能或其它動力，以便使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、振動或擾動。它動力，以便使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、振動或擾動。3.13.1利用機械攪動加強流體與壁面間的傳熱利用機械攪動加強流體與壁面間的傳熱 攪拌釜是有源強化技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種攪拌釜是有源強化技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種工藝設(shè)備。工藝設(shè)備。 化工、食品、制藥、制蠟和顏料等行業(yè)化工、食品、制藥、制蠟和顏料等行業(yè)中國 南京能源

2、與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3攪拌的作用： 幾種流體混合；幾種流體混合； 輸入熱量或取出反應(yīng)熱；輸入熱量或取出反應(yīng)熱； 保證物料的濃度和溫度盡量均勻；保證物料的濃度和溫度盡量均勻； 高粘度流體與加熱器或冷卻器的傳熱；高粘度流體與加熱器或冷卻器的傳熱； 減少壁面上沉淀或結(jié)渣。減少壁面上沉淀或結(jié)渣。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.1.1攪拌釜形狀和分類 圓筒形，筒壁有夾套換熱器，筒高約為直圓筒形，筒壁有夾套換熱器，筒高約為直徑的徑的11.5倍；攪拌葉輪在液體高度的倍；攪拌葉輪在液體高度的1/3處。處。 低粘度攪拌器

3、有低粘度攪拌器有中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 高粘度攪拌器有高粘度攪拌器有 對于容易與對于容易與壁面粘結(jié)的壁面粘結(jié)的液體，可以液體，可以在葉輪外側(cè)在葉輪外側(cè)裝設(shè)刮面器，裝設(shè)刮面器，以便將液膜、以便將液膜、沉淀或結(jié)垢沉淀或結(jié)垢層刮去。層刮去。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-32.1.2 葉片式6個區(qū)個區(qū)液體從葉輪切向噴液體從葉輪切向噴射出去射出去液體對筒壁沖擊如液體對筒壁沖擊如滯流滯流筒體上部和下部角筒體上部和下部角區(qū)為位流區(qū)為位流旋轉(zhuǎn)軸線的頂部和旋轉(zhuǎn)軸線的頂部和底部也為位流底部也為位流筒體中心為自下而

4、筒體中心為自下而上的圓形噴射流上的圓形噴射流1. 葉輪側(cè)面的上下部葉輪側(cè)面的上下部為兩個不同高度的為兩個不同高度的環(huán)形死水區(qū)環(huán)形死水區(qū)中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2 流體脈動和傳熱面振動時的對流換熱 采用人工方法使流體采用人工方法使流體發(fā)生脈動或傳熱面振發(fā)生脈動或傳熱面振動有可能引起傳熱的動有可能引起傳熱的增強。增強。 目前的缺陷：目前的缺陷： 傳熱增強不大 功率消耗不小3.2.13.2.1管內(nèi)脈動管內(nèi)脈動流量V0頻率f)cos(22p0tfRAfVV套管式換熱器中心管截面積A活塞Ap)cos(2210p0tfRVAfAVw中國 南京能源與

5、環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 令令f0為流體最大脈動流量與為流體最大脈動流量與V0相等時的脈動頻率：相等時的脈動頻率： 管內(nèi)流速管內(nèi)流速 換熱強化比換熱強化比 換熱強化比換熱強化比的時間平均值的時間平均值其中其中RAVfp002tfzffFzFzFFEF00/108 . 0,/d)cos(21)cos(2100tfffww8 . 000)cos(21tfff中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3有效區(qū)域可能無效區(qū)域中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.2傳熱面振動 直接破壞

6、邊界層而獲得傳熱的增強。直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強。 換熱器中細(xì)長的傳熱管束和核反應(yīng)堆中的釋熱元換熱器中細(xì)長的傳熱管束和核反應(yīng)堆中的釋熱元件在流體運動時會產(chǎn)生振動，它既增強了傳熱過件在流體運動時會產(chǎn)生振動，它既增強了傳熱過程，又常常導(dǎo)致管子斷裂。程，又常常導(dǎo)致管子斷裂。 研究和控制以便利用其增強傳熱的因素而又預(yù)防研究和控制以便利用其增強傳熱的因素而又預(yù)防其破壞作用。其破壞作用。 人工產(chǎn)生傳熱面振動通常用電力振動器或機械傳人工產(chǎn)生傳熱面振動通常用電力振動器或機械傳動偏心裝置實現(xiàn)。動偏心裝置實現(xiàn)。振幅為振幅為a，頻率為，頻率為f，一般小于，一般小于1000Hz。兩者的乘積為振動強度。兩者的乘積

7、為振動強度fa ，傳熱面的振，傳熱面的振動速度為動速度為wv=2fa ，振動雷諾數(shù)，振動雷諾數(shù)Rev =wvd/ 場協(xié)同觀點是夾角很小中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 Re104的無振動時換熱系數(shù)沿圓管外表面的周向的無振動時換熱系數(shù)沿圓管外表面的周向分布：圓周角分布：圓周角120后產(chǎn)生流動脫離區(qū)。后產(chǎn)生流動脫離區(qū)。單管Rev70 區(qū)域有較明顯的增強；在90120范圍換熱系數(shù)平均增大19%，但在090平均只增加5.5%。在Rev8000后，在90150區(qū)域增加最大；前部和后部換熱強度都增加很少。 090平均值增大10%， 90180平均值增大44%。

8、Tu為流體來流湍流度增大60%增大10%Tu=2%,Rev=0Tu=12%,Rev=0Tu=12%,Rev=4000中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.3 電磁場作用下的對流換熱 1936年年Senftleben首先發(fā)表了強電場作用下氣體自然首先發(fā)表了強電場作用下氣體自然對流換熱的加強；對流換熱的加強； 其后其后Kronig-Ahsmann的的實驗證明絕緣介電液體也可實驗證明絕緣介電液體也可用強電場來增強對流換熱系數(shù)。用強電場來增強對流換熱系數(shù)。 電能消耗很小，盡管所需電壓很高，電流僅幾電能消耗很小，盡管所需電壓很高，電流僅幾A。 有一定發(fā)展前

9、途。有一定發(fā)展前途。 在電場作用下的流體能量方程要加上電力對流換熱在電場作用下的流體能量方程要加上電力對流換熱項：項：p22cETTwtT流體的電導(dǎo)率中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.3.1電磁場中換熱增強 高頻電場僅對層流換熱有強化作用，而對高頻電場僅對層流換熱有強化作用，而對過渡區(qū)和湍流換熱沒有明顯的增強作用。過渡區(qū)和湍流換熱沒有明顯的增強作用。 層流區(qū)換熱強化比也是隨著層流區(qū)換熱強化比也是隨著Re數(shù)的增加而數(shù)的增加而急劇下降。急劇下降。 如以如以Tf=40, q=47kW/m2代入代入,取取Re=300, 得得/0=2.47。 高頻加熱

10、比工頻加熱的管內(nèi)對流換熱系數(shù)高頻加熱比工頻加熱的管內(nèi)對流換熱系數(shù)高出一倍以上。高出一倍以上。0.35f15. 032. 0-0e84. 0TqR中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 流體中摻加磁鐵粉可在流體中摻加磁鐵粉可在Re數(shù)較大時磁場仍能強化對流換熱。數(shù)較大時磁場仍能強化對流換熱。 氣流摻入磁鐵粉，在磁場作用下形成不規(guī)則針狀肋，傳熱與阻氣流摻入磁鐵粉，在磁場作用下形成不規(guī)則針狀肋，傳熱與阻力都增大。力都增大。為體積含量。為體積含量。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.3.2電磁場對沸騰的影響 浸泡在

11、液體中的加熱面溫度超過液體的沸點時，產(chǎn)浸泡在液體中的加熱面溫度超過液體的沸點時，產(chǎn)生汽泡，并長大，當(dāng)浮升力和周圍液體運動給予汽生汽泡，并長大，當(dāng)浮升力和周圍液體運動給予汽泡的力超過汽泡重力和表面張力時，氣泡就脫離壁泡的力超過汽泡重力和表面張力時，氣泡就脫離壁面而上升。面而上升。 汽泡脫離半徑汽泡脫離半徑r0與它的邊界角與它的邊界角成正比：成正比：b為拉普拉斯常數(shù)為拉普拉斯常數(shù)為表面張力，為表面張力，為流體與汽泡的密度差為流體與汽泡的密度差br 0g2b中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 在電磁場作用下汽泡被拉長，不僅增大汽泡的表面在電磁場作用下汽泡被

12、拉長，不僅增大汽泡的表面積，而且使邊界角積，而且使邊界角隨之減小，導(dǎo)致脫離半徑隨之減小，導(dǎo)致脫離半徑r0減減小。汽泡成長速度加快，增大脫離頻率，從而提高小。汽泡成長速度加快，增大脫離頻率，從而提高從泡核沸騰向膜態(tài)沸騰過渡的臨界熱流密度，對于從泡核沸騰向膜態(tài)沸騰過渡的臨界熱流密度，對于增強低沸點介質(zhì)的沸騰換熱具有非常重要的意義。增強低沸點介質(zhì)的沸騰換熱具有非常重要的意義。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 熱流密度的簡化式：熱流密度的簡化式：fg2/ 1ggcr24hVq蒸氣的介電常數(shù)-密度平板與液體之間的電位差液體的汽化潛熱蒸氣膜的厚度中國 南京能源

13、與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3汽油在加熱平板上的熱流密度/換熱系數(shù) 臨界熱臨界熱流密度流密度q和換和換熱系數(shù)熱系數(shù)都隨都隨著電場著電場強度強度E增強而增強而增大增大。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3較優(yōu)方案：較優(yōu)方案： 有電場時有電場時和和q都增都增大； 縫短適合大縫短適合大q；但低但低q時縫長時縫長大 豎縫可達(dá)較大豎縫可達(dá)較大q；但低但低q時橫縫時橫縫大無電場有電場中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.3.3電磁場對凝結(jié)換熱的影響 Nusselt (1916)豎直平

14、豎直平板上的凝結(jié)模型及平板上的凝結(jié)模型及平均換熱系數(shù)計算公式均換熱系數(shù)計算公式 將凝結(jié)平板接地，在將凝結(jié)平板接地，在附近平行地設(shè)置一個附近平行地設(shè)置一個與高壓電源相接的電與高壓電源相接的電極板，當(dāng)電壓增加到極板，當(dāng)電壓增加到一定程度時，液膜濺一定程度時，液膜濺出液滴而使液膜變薄，出液滴而使液膜變薄，凝結(jié)換熱系數(shù)可增加凝結(jié)換熱系數(shù)可增加3倍。倍。4/ 1ws3fggNu-923. 0TTLhg2-211-2gg2LLKLgLEErrpp在35kV電壓下，氟利昂-113的凝結(jié)換熱可增加2.4倍，而二乙醚卻增加9倍。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3電導(dǎo)率

15、：電導(dǎo)率：(m)-1 n-己烷己烷:2.210-3 二乙醚二乙醚:310-8 氟利昂氟利昂-113: 2.05 10-11 電極板與凝結(jié)板電極板與凝結(jié)板最佳距離最佳距離7mm, 液體電導(dǎo)率為液體電導(dǎo)率為10-8 10-11時效果最佳。時效果最佳。二乙醚二乙醚,7mm,310kPa,70隨電壓升而增隨溫壓升而減中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 Ucr為電場對凝結(jié)換熱開始發(fā)為電場對凝結(jié)換熱開始發(fā)生作用的臨界電壓生作用的臨界電壓 有三區(qū)：有三區(qū)： U/Ucr2.3為過渡區(qū)，表面張力和液體粘性對電場有一定壓抑作用，最大2倍。 U/Ucr=2.34.6為基本

16、強化區(qū)，基本上由電力場和重力場所控制，斜率最大。 U/Ucr4.6為緩和區(qū)，斜率有下降趨勢，橫向電場力的進(jìn)一步增加已經(jīng)對凝結(jié)膜在重力作用下的降落產(chǎn)生一定阻礙。與無電場的情況一樣，清除不凝結(jié)氣體也十分重要中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-33.2.4 多孔壁有質(zhì)量透過時的壁面換熱 利用多孔壁面噴入或吸出流體以控制傳熱利用多孔壁面噴入或吸出流體以控制傳熱或工藝過程的進(jìn)行。如高溫發(fā)動機壁面冷或工藝過程的進(jìn)行。如高溫發(fā)動機壁面冷卻保護。卻保護。 工程情形：工程情形： 高溫壁面的薄膜冷卻或發(fā)散冷卻； 從傳熱壁面吸去邊界層以增強傳熱； 當(dāng)壁面上發(fā)生液體蒸發(fā)或蒸汽凝

17、結(jié)時經(jīng)過多孔壁噴入或吸出流體； 在固體表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3經(jīng)過多孔壁有質(zhì)量流過時的管內(nèi)層流換熱 熱平衡式熱平衡式 得得 代入得代入得wb0pbpw-dd2-TTvcxTRcuqre-dd-2re-uwbwbwbwPRxTTTRPRTTDqNre-uw21PRNNu由第一本征值由第一本征值1 1、流體、流體Pr和透過多孔管壁和透過多孔管壁的流體的流體Rew所決定。所決定。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 fRe-Rew 73計算曲線，計算曲線， 69理論解析結(jié)果理論解析結(jié)果

18、有吸出時，阻力有吸出時，阻力系數(shù)隨著吸出量系數(shù)隨著吸出量增大而迅速下降；增大而迅速下降； 噴入時，阻力系噴入時，阻力系數(shù)隨著噴入量增數(shù)隨著噴入量增大而緩慢增大。大而緩慢增大。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 有質(zhì)量吸出時，有質(zhì)量吸出時，速度剖面變瘦；速度剖面變瘦；但溫度剖面變胖。但溫度剖面變胖。 有質(zhì)量噴入時溫有質(zhì)量噴入時溫度剖面變瘦。度剖面變瘦。中國 南京能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院強化傳熱技術(shù)強化傳熱技術(shù)2022-7-3 不同不同Pr數(shù)時管數(shù)時管內(nèi)層流換熱系內(nèi)層流換熱系數(shù)：數(shù)： 有吸出時有吸出時,Nu數(shù)數(shù)隨吸出量增大隨吸出量增大而迅速增大；而迅速增大；且且Pr越大越明越大越明顯。顯。 有噴入時有噴入時, Nu數(shù)隨噴入量增數(shù)隨噴入量增大而逐漸減小；大而逐漸