传热学课程设计

传热学小论文能源学院安全工程09级2班郝健池0903070230董一凡0903070233李会0908060214

加速液体冷却【0】摘要： 夏天，常常将饮料容器至于冰水中来冷却饮料。为了加速冷却，有人提出了这样一个专利：将饮料壳体绕其轴线在冰水中做转动。如果能实现饮料瓶或易拉罐绕其轴线的纯转动，分析这样的方法能否加速饮料的冷却？AbstractInthesummer,weoftenputthedrinkintotheicewatertocooldrink.Inordertoacceleratethespeedofcooling.Somebodyputforwardsuchapatent:Beverageshellarounditsaxisintheicewatertodorotation.Ifyoucanachieveapurerotationofthebeveragebottlesorcansarounditsaxis,theanalysisofwhetherthismethodcanacceleratethecoolingofdrinks?关键词： 热传导【1】、对流传热【2】、流体外掠等温平板【3】。Keywords

Thermal

conductivity,

Convective

heat,

Fluid

outside

the

sweep

and

isothermal

plate引言：问题的背景：用温度低的液体来冷却温度高的罐装液体。提出问题：罐静止放在冷水中冷却快还是将罐绕其轴线作纯转动时罐内饮料冷却得比较快？文献综述：至今对大多数的实际对流传热问题尚无法求得其精确解，但建立对流换热问题的数学描写具有一定的意义，可以验证人工实验结果的正确性。正文：一般来说，要实现强化换热有三方面途径：①提高雷诺数，例如增加流速，缩小通道孔径等，就能使换热增强，这是大家所熟知的；②提高普朗特数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比热容或黏性，将导致普朗特数的增大，这也是已经清楚的规律；③增加无因次积分值。通过强化对流传热途径的分析可以得出，流动当量不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个量值之间的相互搭配。对流传热中速度场与热流场的相互配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化换热，此时称为速度场与热流场协同较好。应当在增加表面传热系数的层次上提高换热器的性能，在换热器的层次上，通过改善冷热流体温度场的协同强化换热器的换热功能，是从换热器中换热介质温度场相互配合的整体来考虑的。【4】基本假设可将易拉罐视为均匀、各向同性【5】的导热材料制成。冷却用的冰水及饮料流动时可视为不可压缩的牛顿型流体【6】，流体物性为常数，无内热源。可将易拉罐沿一条母线展开成一平面，并将上、下底面展开成同一水平面上的平面，这一平面将冷却水与饮料隔开。易拉罐绕其轴线的纯转动可视作冰水、饮料在易拉罐表面铺成的平面两侧作一维流动，由于流速不是很大，从而转化为流体外掠平板传热层流。易拉罐转动引起粘性耗散产生的耗散热及热辐射【7】的辐射出的热量可以忽略不计。符号说明R：易拉罐底面的半径，单位：mL：易拉罐的母线长度，单位：mA：易拉罐的表面积，单位：m2δ1：冰水层的厚度，单位：mδ：易拉罐的壁厚，单位：mδ2：饮料层的厚度，单位：mλ1：冰水的导热系数，单位：W/(m·K)λ：易拉罐材料的导热系数，单位：W/(m·K)λ2：饮料的导热系数，单位：W/(m·K)t1：冰水离易拉罐最远处的温度，单位：℃t2：饮料离易拉罐最近处的温度，单位：℃h1：冰水流动时的表面换热系数，单位：W/(m2·K)h2：饮料流动时的表面换热系数，单位：W/(m2·K)模型的建立与求解1、易拉罐不转动时，模型如下图1：冰水层：λ冰水层：λ1、δ1、t1饮料层：λ2、δ2、t2易拉罐壁：λ、δ图1此时只存在热传导现象，运用热阻热路图【8】（下图图2所示）：t1t2 图2根据传热方程式【9】：Φ1=∵A=2∴Φ1=2 2、易拉罐在冷水中绕其轴作纯转动时，模型图如下图3：对流传热系数：h1对流传热系数：h1冰水层：λ1、δ1、t1饮料层：λ2、δ2、t2易拉罐壁：λ、δ对流传热系数：h2图3 此时存在热传导与对流传热现象，运用热阻热路图（下图图4所示）： t1t2图4 根据热阻热路图与电路的相似原理，列传热方程式： =∵A=2∴Φ2=AK(t2-t1)=2 ∵, ∴> ∵A=2(t2-t1)>0 ∴Φ1<Φ2 即易拉罐在冷水中冷却时，将罐绕其轴线作纯转动时罐内饮料冷却得比静止时要快。四、实验实验目的：验证饮料容器（易拉罐）绕其轴线纯转动时加速饮料的冷却，研究其转速与冷却效果的关系。实验材料：易拉罐（三个）、冰水、易拉罐转动装置、摄氏温度计。实验步骤：1）用纸盒、朔料袋等制作简易拉罐转动装置一套，制作准备三份相同量的冰水，并测量室温，及冰水温度。2）在易拉罐转动装置注入一份冰水，将易拉罐浸入易拉罐转动装置内，静置90s，取出易拉罐，测量罐中饮料的温度T1。3）排出冰水，将另一份相同量的冰水注入装置内，并将另一易拉罐装入易拉罐转动装置中，使易拉罐以一般转速40r/min转动，90s后取出易拉罐，测量罐中饮料的温度T2。4）排出冰水，将另一份等量冰水注入易拉罐转动装置内，并将另一易拉罐装入装置中，使易拉罐以80r/min的速度转动，90s后取出易拉罐，测量罐中饮料的温度T3。5）整理数据6）得出结论数据记录：实验组转速r/min时间s饮料温度T/℃饮料初始温度（室温）℃109018.5252409018.0253809017.625实验结论：将易拉罐绕其轴线在冰水中转动，能够加速冷却，并且其转动速度与冷却效果存在一定关联，实验证明，转动速度远快冷却效果越好。 室内温度测量简易易拉罐转动装置 易拉罐转动实验 对照实验 讨论本题的不足之处在于忽略了制成易拉罐的材料物性的非均匀性及非同性所引起的传热的影响；冷却用的冰水及饮料被理想成不可压缩的牛顿型流体，流体物性为常数，无内热源，但溶液是可压缩的；易拉罐转动时，上、下底面与侧面同溶液的相对运动是不同的，但解题时却视为相同的；易拉罐绕其轴线的纯转动被视作冰水、饮料在易拉罐表面铺成的平面两侧作一维流动，由于流速不是很大，从而转化为流体外掠平板传热层流，但事实上，流体流动并非单纯的一维流动和层流流动，会有局部损失引起传热量的变化，同时易拉罐转动引起粘性耗散产生的耗散热及热辐射的辐射出的热量也没有考虑在内；而易拉罐转动时的对流传热系数也并非恒定不变的。参考文献杨世铭、陶文铨《传热学》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第5章，习题5-21。杨世铭、陶文铨《传热学》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第1章，第2节。杨世铭、陶文铨《传热学》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第1章，第2节。杨世铭、陶文铨《传热学》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第5章，第4节。过增元.对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同[J].科学通报，2000，45（19）：2118-2122.杨世铭、陶文铨《传热学》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第2章，第1节。普通高等教育“十一五