第3章傳熱學(xué)有源強(qiáng)化

第三章對(duì)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(dòng)力，以便使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)或擾動(dòng)。3.1利用機(jī)械攪動(dòng)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?；ぁ⑹称?、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(lèi)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(duì)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(gè)區(qū)液體從葉輪切向噴射出去液體對(duì)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(xiàn)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(gè)不同高度的環(huán)形死水區(qū)2023/2/453.2流體脈動(dòng)和傳熱面振動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱采用人工方法使流體發(fā)生脈動(dòng)或傳熱面振動(dòng)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(dòng)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(dòng)流量與V0相等時(shí)的脈動(dòng)頻率：管內(nèi)流速換熱強(qiáng)化比換熱強(qiáng)化比的時(shí)間平均值其中2023/2/47有效區(qū)域可能無(wú)效區(qū)域2023/2/483.2.2傳熱面振動(dòng)直接破壞邊界層而獲得傳熱的增強(qiáng)。換熱器中細(xì)長(zhǎng)的傳熱管束和核反應(yīng)堆中的釋熱元件在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，它既增強(qiáng)了傳熱過(guò)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(dòng)通常用電力振動(dòng)器或機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度f(wàn)a，傳熱面的振動(dòng)速度為wv=2πfa，振動(dòng)雷諾數(shù)Rev=wvd/ν

場(chǎng)協(xié)同觀(guān)點(diǎn)是夾角很小2023/2/49Re>104的無(wú)振動(dòng)時(shí)換熱系數(shù)沿圓管外表面的周向分布：圓周角β<90°時(shí)，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(dòng)脫離區(qū)。單管Rev<1000時(shí)，未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)對(duì)傳熱有明顯影響；當(dāng)Rev=1000~2200時(shí)，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(lái)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(chǎng)作用下的對(duì)流換熱1936年Senftleben首先發(fā)表了強(qiáng)電場(chǎng)作用下氣體自然對(duì)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(chǎng)來(lái)增強(qiáng)對(duì)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(chǎng)作用下的流體能量方程要加上電力對(duì)流換熱項(xiàng)：σ－流體的電導(dǎo)率2023/2/4113.2.3.1電磁場(chǎng)中換熱增強(qiáng)高頻電場(chǎng)僅對(duì)層流換熱有強(qiáng)化作用，而對(duì)過(guò)渡區(qū)和湍流換熱沒(méi)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(duì)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(shí)磁場(chǎng)仍能強(qiáng)化對(duì)流換熱。氣流摻入磁鐵粉，在磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)沸騰的影響浸泡在液體中的加熱面溫度超過(guò)液體的沸點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生汽泡，并長(zhǎng)大，當(dāng)浮升力和周?chē)后w運(yùn)動(dòng)給予汽泡的力超過(guò)汽泡重力和表面張力時(shí)，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(chǎng)作用下汽泡被拉長(zhǎng)，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(zhǎng)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(guò)渡的臨界熱流密度，對(duì)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(jiǎn)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(chǎng)強(qiáng)度E增強(qiáng)而增大。2023/2/417較優(yōu)方案：有電場(chǎng)時(shí)α和q都增大；縫短適合大q；但低q時(shí)縫長(zhǎng)α大豎縫可達(dá)較大q；但低q時(shí)橫縫α大無(wú)電場(chǎng)有電場(chǎng)2023/2/4183.2.3.3電磁場(chǎng)對(duì)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(gè)與高壓電源相接的電極板，當(dāng)電壓增加到一定程度時(shí)，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(shí)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(chǎng)對(duì)凝結(jié)換熱開(kāi)始發(fā)生作用的臨界電壓有三區(qū)：U/Ucr<2.3為過(guò)渡區(qū)，表面張力和液體粘性對(duì)電場(chǎng)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(chǎng)和重力場(chǎng)所控制，斜率最大。U/Ucr＞4.6為緩和區(qū)，斜率有下降趨勢(shì)，橫向電場(chǎng)力的進(jìn)一步增加已經(jīng)對(duì)凝結(jié)膜在重力作用下的降落產(chǎn)生一定阻礙。與無(wú)電場(chǎng)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(guò)時(shí)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(guò)程的進(jìn)行。如高溫發(fā)動(dòng)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(shí)經(jīng)過(guò)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(guò)多孔壁有質(zhì)量流過(guò)時(shí)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(guò)多孔管壁的流體Rew所決定。2023/2/423fRe-Rew[73]計(jì)算曲線(xiàn)，[69]理論解析結(jié)果有吸出時(shí)，阻力系數(shù)隨著吸出量增大而迅速下降；噴入時(shí)，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(shí)，速度剖面變瘦；但溫度剖面變胖。有質(zhì)量噴入時(shí)溫度剖面變瘦。2023/2/425不同Pr數(shù)時(shí)管內(nèi)層流換熱系數(shù)：有吸出時(shí),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(shí),Nu數(shù)隨噴入量增大而逐漸減??；且Pr越大越明顯。2023/2/426經(jīng)過(guò)多孔壁有質(zhì)量吸出時(shí)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(guān)努謝爾數(shù)吸出流體近壁處溫度