第3章傳熱學(xué)有源強(qiáng)化

第三章對流換熱的有源強(qiáng)化有源強(qiáng)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(jī)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。3.1利用機(jī)械攪動加強(qiáng)流體與壁面間的傳熱攪拌釜是有源強(qiáng)化技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種工藝設(shè)備。化工、食品、制藥、制蠟和顏料等行業(yè)2023/2/41攪拌的作用：幾種流體混合；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；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。2023/2/423.1.1攪拌釜形狀和分類圓筒形，筒壁有夾套換熱器，筒高約為直徑的1~1.5倍；攪拌葉輪在液體高度的1/3處。低粘度攪拌器有2023/2/43高粘度攪拌器有對于容易與壁面粘結(jié)的液體，可以在葉輪外側(cè)裝設(shè)刮面器，以便將液膜、沉淀或結(jié)垢層刮去。2023/2/442.1.2葉片式6個區(qū)液體從葉輪切向噴射出去液體對筒壁沖擊如滯流筒體上部和下部角區(qū)為位流旋轉(zhuǎn)軸線的頂部和底部也為位流筒體中心為自下而上的圓形噴射流葉輪側(cè)面的上下部為兩個不同高度的環(huán)形死水區(qū)2023/2/453.2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發(fā)生脈動或傳熱面振動有可能引起傳熱的增強(qiáng)。目前的缺陷：傳熱增強(qiáng)不大功率消耗不小3.2.1管內(nèi)脈動流量V0頻率f套管式換熱器中心管截面積A活塞Ap2023/2/46令f0為流體最大脈動流量與V0相等時的脈動頻率：管內(nèi)流速換熱強(qiáng)化比換熱強(qiáng)化比的時間平均值其中2023/2/47有效區(qū)域可能無效區(qū)域2023/2/483.2.2傳熱面振動直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強(qiáng)。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(yùn)動時會產(chǎn)生振動，它既增強(qiáng)了傳熱過程，又常常導(dǎo)致管子斷裂。研究和控制以便利用其增強(qiáng)傳熱的因素而又預(yù)防其破壞作用。人工產(chǎn)生傳熱面振動通常用電力振動器或機(jī)械傳動偏心裝置實(shí)現(xiàn)。振幅為a，頻率為f，一般小于1000Hz。兩者的乘積為振動強(qiáng)度fa，傳熱面的振動速度為wv=2πfa，振動雷諾數(shù)Rev=wvd/ν

場協(xié)同觀點(diǎn)是夾角很小2023/2/49Re>104的無振動時換熱系數(shù)沿圓管外表面的周向分布：圓周角β<90°時，層流邊界層逐漸增厚，β=90°~120°范圍內(nèi)形成湍流邊界層，而在β>120°后產(chǎn)生流動脫離區(qū)。單管Rev<1000時，未發(fā)現(xiàn)振動對傳熱有明顯影響；當(dāng)Rev=1000~2200時，且在β>70°區(qū)域有較明顯的增強(qiáng)；在90°~120°范圍換熱系數(shù)平均增大19%，但在0°~90°平均只增加5.5%。在Rev≥8000后，在90°~150°區(qū)域增加最大；前部和后部換熱強(qiáng)度都增加很少。0°~90°平均值增大10%，90°~180°平均值增大44%。Tu為流體來流湍流度增大60%增大10%Tu=2%,Rev=0Tu=12%,Rev=0Tu=12%,Rev=40002023/2/4103.2.3電磁場作用下的對流換熱1936年Senftleben首先發(fā)表了強(qiáng)電場作用下氣體自然對流換熱的加強(qiáng)；其后Kronig-Ahsmann的實(shí)驗(yàn)證明絕緣介電液體也可用強(qiáng)電場來增強(qiáng)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μA。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項(xiàng)：σ－流體的電導(dǎo)率2023/2/4113.2.3.1電磁場中換熱增強(qiáng)高頻電場僅對層流換熱有強(qiáng)化作用，而對過渡區(qū)和湍流換熱沒有明顯的增強(qiáng)作用。層流區(qū)換熱強(qiáng)化比也是隨著Re數(shù)的增加而急劇下降。如以Tf=40℃,q=47kW/m2代入,取Re=300,得α/α0=2.47。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。2023/2/412流體中摻加磁鐵粉可在Re數(shù)較大時磁場仍能強(qiáng)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，傳熱與阻力都增大。β為體積含量。2023/2/4133.2.3.2電磁場對沸騰的影響浸泡在液體中的加熱面溫度超過液體的沸點(diǎn)時，產(chǎn)生汽泡，并長大，當(dāng)浮升力和周圍液體運(yùn)動給予汽泡的力超過汽泡重力和表面張力時，氣泡就脫離壁面而上升。汽泡脫離半徑r0與它的邊界角θ成正比：b為拉普拉斯常數(shù)σ為表面張力，Δρ為流體與汽泡的密度差2023/2/414在電磁場作用下汽泡被拉長，不僅增大汽泡的表面積，而且使邊界角θ隨之減小，導(dǎo)致脫離半徑r0減小。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，對于增強(qiáng)低沸點(diǎn)介質(zhì)的沸騰換熱具有非常重要的意義。2023/2/415熱流密度的簡化式：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2023/2/416汽油在加熱平板上的熱流密度/換熱系數(shù)臨界熱流密度q和換熱系數(shù)α都隨著電場強(qiáng)度E增強(qiáng)而增大。2023/2/417較優(yōu)方案：有電場時α和q都增大；縫短適合大q；但低q時縫長α大豎縫可達(dá)較大q；但低q時橫縫α大無電場有電場2023/2/4183.2.3.3電磁場對凝結(jié)換熱的影響Nusselt(1916)豎直平板上的凝結(jié)模型及平均換熱系數(shù)計(jì)算公式將凝結(jié)平板接地，在附近平行地設(shè)置一個與高壓電源相接的電極板，當(dāng)電壓增加到一定程度時，液膜濺出液滴而使液膜變薄，凝結(jié)換熱系數(shù)可增加3倍。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。2023/2/419電導(dǎo)率：(Ωm)-1n-己烷:2.2×10-3二乙醚:3×10-8氟利昂-113:2.05×10-11電極板與凝結(jié)板最佳距離7mm,液體電導(dǎo)率為10-8~10-11時效果最佳。二乙醚,7mm,310kPa,70℃隨電壓升而增隨溫壓升而減2023/2/420Ucr為電場對凝結(jié)換熱開始發(fā)生作用的臨界電壓有三區(qū)：U/Ucr<2.3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=2.3~4.6為基本強(qiáng)化區(qū)，基本上由電力場和重力場所控制，斜率最大。U/Ucr＞4.6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2023/2/4213.2.4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或工藝過程的進(jìn)行。如高溫發(fā)動機(jī)壁面冷卻保護(hù)。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(qiáng)傳熱；當(dāng)壁面上發(fā)生液體蒸發(fā)或蒸汽凝結(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)2023/2/422經(jīng)過多孔壁有質(zhì)量流過時的管內(nèi)層流換熱熱平衡式得代入得Nu由第一本征值λ1、流體Pr和透過多孔管壁的流體Rew所決定。2023/2/423fRe-Rew[73]計(jì)算曲線，[69]理論解析結(jié)果有吸出時，阻力系數(shù)隨著吸出量增大而迅速下降；噴入時，阻力系數(shù)隨著噴入量增大而緩慢增大。2023/2/424有質(zhì)量吸出時，速度剖面變瘦；但溫度剖面變胖。有質(zhì)量噴入時溫度剖面變瘦。2023/2/425不同Pr數(shù)時管內(nèi)層流換熱系數(shù)：有吸出時,Nu數(shù)隨吸出量增大而迅速增大；且Pr越大越明顯。有噴入時,Nu數(shù)隨噴入量增大而逐漸減?。磺襊r越大越明顯。2023/2/426經(jīng)過多孔壁有質(zhì)量吸出時的管內(nèi)湍流換熱

速度比管子進(jìn)口處的流量離管子進(jìn)口x處已吸出的流量x處已吸出的流量與進(jìn)口流量之比推導(dǎo)整理可得：徑向分速軸向分速實(shí)際努謝爾數(shù)x+表觀努謝爾數(shù)吸出流體近壁處溫度