第3章传热学有源强化

1、中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 第三章 对流换热的有源强化 有源强化技术除了需要通常的传热介质唧送有源强化技术除了需要通常的传热介质唧送 设备外，还需要外加的机械能、电磁能或其设备外，还需要外加的机械能、电磁能或其 它动力，以便使流体产生旋转、振动或扰动。它动力，以便使流体产生旋转、振动或扰动。 3.13.1利用机械搅动加强流体与壁面间的传热利用机械搅动加强流体与壁面间的传热 搅拌釜是有源强化技术中应用最广泛的一种搅拌釜是有源强化技术中应用最广泛的一种 工艺设备。工艺设备。 化工、食品、制药、制蜡和颜料等行业化工、食品、制药、制蜡和颜料等

2、行业 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 搅拌的作用： 几种流体混合；几种流体混合； 输入热量或取出反应热；输入热量或取出反应热； 保证物料的浓度和温度尽量均匀；保证物料的浓度和温度尽量均匀； 高粘度流体与加热器或冷却器的传热；高粘度流体与加热器或冷却器的传热； 减少壁面上沉淀或结渣。减少壁面上沉淀或结渣。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.1.1搅拌釜形状和分类 圆筒形，筒壁有夹套换热器，筒高约为直圆筒形，筒壁有夹套换热器，筒高约为直 径的径的11.5倍；搅拌叶轮在液体高度的倍；搅拌

3、叶轮在液体高度的1/3处。处。 低粘度搅拌器有低粘度搅拌器有 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 高粘度搅拌器有高粘度搅拌器有 对于容易与对于容易与 壁面粘结的壁面粘结的 液体，可以液体，可以 在叶轮外侧在叶轮外侧 装设刮面器，装设刮面器， 以便将液膜、以便将液膜、 沉淀或结垢沉淀或结垢 层刮去。层刮去。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 2.1.2 叶片式 6个区个区 液体从叶轮切向喷液体从叶轮切向喷 射出去射出去 液体对筒壁冲击如液体对筒壁冲击如 滞流滞流 筒体上部和下部角筒体上部和下

4、部角 区为位流区为位流 旋转轴线的顶部和旋转轴线的顶部和 底部也为位流底部也为位流 筒体中心为自下而筒体中心为自下而 上的圆形喷射流上的圆形喷射流 1. 叶轮侧面的上下部叶轮侧面的上下部 为两个不同高度的为两个不同高度的 环形死水区环形死水区 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2 流体脉动和传热面振动时的对流换热 采用人工方法使流体采用人工方法使流体 发生脉动或传热面振发生脉动或传热面振 动有可能引起传热的动有可能引起传热的 增强。增强。 目前的缺陷：目前的缺陷： 传热增强不大 功率消耗不小 3.2.13.2.1管内脉动管内脉动 流量V

5、0 频率f )cos(22 p0 tfRAfVV 套管式换热器 中心管截面积A 活塞Ap )cos(221 0 p 0 tfR V A f A V w 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 令令f0为流体最大脉动流量与为流体最大脉动流量与V0相等时的脉动频率：相等时的脉动频率： 管内流速管内流速 换热强化比换热强化比 换热强化比换热强化比 的时间平均值的时间平均值 其中其中 RA V f p 0 0 2 tfzffF zFzFFE F 00 /1 0 8 . 0 ,/ d)cos(21 )cos(21 0 0 tf f f ww 8 . 0 0

6、0 )cos(21 tf f f 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 有效区域 可能无效区域 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2.2传热面振动 直接破坏边界层而获得传热的增强。直接破坏边界层而获得传热的增强。 换热器中细长的传热管束和核反应堆中的释热元换热器中细长的传热管束和核反应堆中的释热元 件在流体运动时会产生振动，它既增强了传热过件在流体运动时会产生振动，它既增强了传热过 程，又常常导致管子断裂。程，又常常导致管子断裂。 研究和控制以便利用其增强传热的因素而又预防研究和控制以便

7、利用其增强传热的因素而又预防 其破坏作用。其破坏作用。 人工产生传热面振动通常用电力振动器或机械传人工产生传热面振动通常用电力振动器或机械传 动偏心装置实现。动偏心装置实现。振幅为振幅为a，频率为，频率为f，一般小于，一般小于 1000Hz。两者的乘积为振动强度。两者的乘积为振动强度fa ，传热面的振，传热面的振 动速度为动速度为wv=2fa ，振动雷诺数，振动雷诺数Rev =wvd/ 场协同观点是夹角很小 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 Re104的无振动时换热系数沿圆管外表面的周向的无振动时换热系数沿圆管外表面的周向 分布：圆周角分布

8、：圆周角120后产生流动脱离区。后产生流动脱离区。 单管Rev70 区域有较明显的增强；在 90120范围换热系数平均增大19%，但在090平均只 增加5.5%。 在Rev8000后，在90150区域增加最大；前部和后部换热 强度都增加很少。 090平均值增大10%， 90180平 均值增大44%。 Tu为流体来 流湍流度 增大60% 增大10% Tu=2%, Rev=0 Tu=12%, Rev=0 Tu=12%, Rev=4000 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2.3 电磁场作用下的对流换热 1936年年Senftleben首先发

9、表了强电场作用下气体自然首先发表了强电场作用下气体自然 对流换热的加强；对流换热的加强； 其后其后Kronig-Ahsmann的的实验证明绝缘介电液体也可实验证明绝缘介电液体也可 用强电场来增强对流换热系数。用强电场来增强对流换热系数。 电能消耗很小，尽管所需电压很高，电流仅几电能消耗很小，尽管所需电压很高，电流仅几A。 有一定发展前途。有一定发展前途。 在电场作用下的流体能量方程要加上电力对流换热在电场作用下的流体能量方程要加上电力对流换热 项：项： p 2 2 c E TTw t T 流体的电导率 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.

10、2.3.1电磁场中换热增强 高频电场仅对层流换热有强化作用，而对高频电场仅对层流换热有强化作用，而对 过渡区和湍流换热没有明显的增强作用。过渡区和湍流换热没有明显的增强作用。 层流区换热强化比也是随着层流区换热强化比也是随着Re数的增加而数的增加而 急剧下降。急剧下降。 如以如以Tf=40, q=47kW/m2代入代入,取取Re=300, 得得 /0=2.47。 高频加热比工频加热的管内对流换热系数高频加热比工频加热的管内对流换热系数 高出一倍以上。高出一倍以上。 0.35 f 15. 032. 0- 0 e84. 0TqR 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术

11、2021-7-19 流体中掺加磁铁粉可在流体中掺加磁铁粉可在Re数较大时磁场仍能强化对流换热。数较大时磁场仍能强化对流换热。 气流掺入磁铁粉，在磁场作用下形成不规则针状肋，传热与阻气流掺入磁铁粉，在磁场作用下形成不规则针状肋，传热与阻 力都增大。力都增大。为体积含量。为体积含量。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2.3.2电磁场对沸腾的影响 浸泡在液体中的加热面温度超过液体的沸点时，产浸泡在液体中的加热面温度超过液体的沸点时，产 生汽泡，并长大，当浮升力和周围液体运动给予汽生汽泡，并长大，当浮升力和周围液体运动给予汽 泡的力超过汽泡重

12、力和表面张力时，气泡就脱离壁泡的力超过汽泡重力和表面张力时，气泡就脱离壁 面而上升。面而上升。 汽泡脱离半径汽泡脱离半径r0与它的边界角与它的边界角成正比：成正比： b为拉普拉斯常数为拉普拉斯常数 为表面张力，为表面张力， 为流体与汽泡的密度差为流体与汽泡的密度差 br 0 g 2 b 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 在电磁场作用下汽泡被拉长，不仅增大汽泡的表面在电磁场作用下汽泡被拉长，不仅增大汽泡的表面 积，而且使边界角积，而且使边界角随之减小，导致脱离半径随之减小，导致脱离半径r0减减 小。汽泡成长速度加快，增大脱离频率，从而提高小。

13、汽泡成长速度加快，增大脱离频率，从而提高 从泡核沸腾向膜态沸腾过渡的临界热流密度，对于从泡核沸腾向膜态沸腾过渡的临界热流密度，对于 增强低沸点介质的沸腾换热具有非常重要的意义。增强低沸点介质的沸腾换热具有非常重要的意义。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 热流密度的简化式：热流密度的简化式： fg 2/ 1 ggcr 24 h V q 蒸气的 介电常 数-密度 平板与液体之 间的电位差 液体的汽 化潜热 蒸气 膜的 厚度 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 汽油在加热平板上的热流密度/换热

14、系数 临界热临界热 流密度流密度 q和换和换 热系数热系数 都随都随 着电场着电场 强度强度E 增强而增强而 增大增大。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 较优方案：较优方案： 有电场时有电场时 和和q都增都增大； 缝短适合大缝短适合大q； 但低但低q时缝长时缝长大 竖缝可达较大竖缝可达较大q； 但低但低q时横缝时横缝大 无电场 有电场 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2.3.3电磁场对凝结换热的影响 Nusselt (1916)竖直平竖直平 板上的凝结模型及平板上的凝结模型及平

15、均换热系数计算公式均换热系数计算公式 将凝结平板接地，在将凝结平板接地，在 附近平行地设置一个附近平行地设置一个 与高压电源相接的电与高压电源相接的电 极板，当电压增加到极板，当电压增加到 一定程度时，液膜溅一定程度时，液膜溅 出液滴而使液膜变薄，出液滴而使液膜变薄， 凝结换热系数可增加凝结换热系数可增加3 倍。倍。 4/ 1 ws 3 fgg Nu - - 923. 0 TTL hg 2 - 2 11 - 2 gg 2 LL KL gL E E rr pp 在35kV电压下，氟利昂-113 的凝结换热可增加2.4倍，而 二乙醚却增加9倍。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技

16、术强化传热技术 2021-7-19 电导率：电导率：(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 电极板与凝结板电极板与凝结板 最佳距离最佳距离7mm, 液体电导率为液体电导率为10-8 10-11时效果最佳。时效果最佳。 二乙醚二乙醚,7mm,310kPa,70 随电压升而增 随温压升而减 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 Ucr为电场对凝结换热开始发为电场对凝结换热开始发 生作用的临界电压生作用的临界电压 有三区：有三区： U/Ucr2.3为过渡区，表面张力 和液体粘性

17、对电场有一定压抑 作用，最大2倍。 U/Ucr=2.34.6为基本强化区， 基本上由电力场和重力场所控 制，斜率最大。 U/Ucr4.6为缓和区，斜率有 下降趋势，横向电场力的进一 步增加已经对凝结膜在重力作 用下的降落产生一定阻碍。 与无电场的情况一样，清 除不凝结气体也十分重要 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 3.2.4 多孔壁有质量透过时的壁面换热 利用多孔壁面喷入或吸出流体以控制传热利用多孔壁面喷入或吸出流体以控制传热 或工艺过程的进行。如高温发动机壁面冷或工艺过程的进行。如高温发动机壁面冷 却保护。却保护。 工程情形：工程情形：

18、 高温壁面的薄膜冷却或发散冷却； 从传热壁面吸去边界层以增强传热； 当壁面上发生液体蒸发或蒸汽凝结时经过多孔 壁喷入或吸出流体； 在固体表面上发生化学反应 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 经过多孔壁有质量流过时的管内层流换热 热平衡式热平衡式 得得 代入得代入得 wb0p b pw - d d 2 -TTvc x TR cuq re- d d -2 re - - u w b wb wb w PR x T TT RPR TT Dq N re-u w 2 1 PRN Nu由第一本征值由第一本征值1 1、流体、流体Pr和透过多孔管壁和透过多孔管

19、壁 的流体的流体Rew所决定。所决定。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 fRe-Rew 73计算曲线，计算曲线， 69理论解析结果理论解析结果 有吸出时，阻力有吸出时，阻力 系数随着吸出量系数随着吸出量 增大而迅速下降；增大而迅速下降； 喷入时，阻力系喷入时，阻力系 数随着喷入量增数随着喷入量增 大而缓慢增大。大而缓慢增大。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 有质量吸出时，有质量吸出时， 速度剖面变瘦；速度剖面变瘦； 但温度剖面变胖。但温度剖面变胖。 有质量喷入时温有质量喷入时温 度剖面变瘦。度剖面变瘦。 中国 南京 能源与环境学院能源与环境学院 强化传热技术强化传热技术 2021-7-19 不同不同Pr数时管数时管 内层流换热系内层流换热系 数：数： 有吸出时有吸出时,Nu数数 随吸出量增大随吸出量增大 而迅速增大；而迅速增大； 且且Pr越大越明越大越明 显。显。 有喷入时有喷入时, Nu 数随喷入量增数随喷入量增 大而逐渐减小；大而逐渐减小； 且且Pr越大越明越大越明 显。显。 中国 南京