第3章有源强化

中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14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。3.1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工艺设备。•化工、食品、制药、制蜡和颜料等行业中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14搅拌的作用：•几种流体混合；•输入热量或取出反应热；•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；•减少壁面上沉淀或结渣。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.1.1搅拌釜形状和分类•圆筒形，筒壁有夹套换热器，筒高约为直径的1~1.5倍；搅拌叶轮在液体高度的1/3处。•低粘度搅拌器有中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•高粘度搅拌器有•对于容易与壁面粘结的液体，可以在叶轮外侧装设刮面器，以便将液膜、沉淀或结垢层刮去。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/142.1.2叶片式6个区1.液体从叶轮切向喷射出去2.液体对筒壁冲击如滞流3.筒体上部和下部角区为位流4.旋转轴线的顶部和底部也为位流5.筒体中心为自下而上的圆形喷射流6.叶轮侧面的上下部为两个不同高度的环形死水区中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2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发生脉动或传热面振动有可能引起传热的增强。•目前的缺陷：–传热增强不大–功率消耗不小3.2.1管内脉动流量V0频率f)cos(2π2πp0tfRAfVV套管式换热器中心管截面积A活塞Ap)cos(2π2π10p0tfRVAfAVw中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•令f0为流体最大脉动流量与V0相等时的脉动频率：•管内流速•换热强化比•换热强化比的时间平均值其中RAVfp002πtfzffFzFzFFEF00/108.0,/d)cos(2π1)cos(2π100tfffww8.000)cos(2π1tfff中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14有效区域可能无效区域中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2.2传热面振动•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。•研究和控制以便利用其增强传热的因素而又预防其破坏作用。•人工产生传热面振动通常用电力振动器或机械传动偏心装置实现。振幅为a，频率为f，一般小于1000Hz。两者的乘积为振动强度fa，传热面的振动速度为wv=2πfa，振动雷诺数Rev=wvd/ν场协同观点是夹角很小中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•Re104的无振动时换热系数沿圆管外表面的周向分布：圆周角β90°时，层流边界层逐渐增厚，β=90°~120°范围内形成湍流边界层，而在β120°后产生流动脱离区。•单管Rev1000时，未发现振动对传热有明显影响；•当Rev=1000~2200时，且在β70°区域有较明显的增强；在90°~120°范围换热系数平均增大19%，但在0°~90°平均只增加5.5%。•在Rev≥8000后，在90°~150°区域增加最大；前部和后部换热强度都增加很少。0°~90°平均值增大10%，90°~180°平均值增大44%。Tu为流体来流湍流度增大60%增大10%Tu=2%,Rev=0Tu=12%,Rev=0Tu=12%,Rev=4000中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2.3电磁场作用下的对流换热•1936年Senftleben首先发表了强电场作用下气体自然对流换热的加强；•其后Kronig-Ahsmann的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。•电能消耗很小，尽管所需电压很高，电流仅几μA。•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项：p22cETTwtTσ－流体的电导率中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2.3.1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Re数的增加而急剧下降。•如以Tf=40℃,q=47kW/m2代入,取Re=300,得α/α0=2.47。•高频加热比工频加热的管内对流换热系数高出一倍以上。0.35f15.032.0-0e84.0TqR中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•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。•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。β为体积含量。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2.3.2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力和表面张力时，气泡就脱离壁面而上升。•汽泡脱离半径r0与它的边界角θ成正比：b为拉普拉斯常数σ为表面张力，Δρ为流体与汽泡的密度差br0g2b中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•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θ随之减小，导致脱离半径r0减小。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强化传热技术2020/5/14•热流密度的简化式：fg2/1ggcr24πhVq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强化传热技术2020/5/14汽油在加热平板上的热流密度/换热系数•临界热流密度q和换热系数α都随着电场强度E增强而增大。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14较优方案：•有电场时α和q都增大；•缝短适合大q；但低q时缝长α大•竖缝可达较大q；但低q时横缝α大无电场有电场中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/143.2.3.3电磁场对凝结换热的影响•Nusselt(1916)竖直平板上的凝结模型及平均换热系数计算公式•将凝结平板接地，在附近平行地设置一个与高压电源相接的电极板，当电压增加到一定程度时，液膜溅出液滴而使液膜变薄，凝结换热系数可增加3倍。4/1ws3fggNu--923.0TTLhg2-211-2gg2LLKLgLEErrpp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强化传热技术2020/5/14电导率：(Ωm)-1•n-己烷:2.2×10-3•二乙醚:3×10-8•氟利昂-113:2.05×10-11•电极板与凝结板最佳距离7mm,•液体电导率为10-8~10-11时效果最佳。二乙醚,7mm,310kPa,70℃随电压升而增中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•Ucr为电场对凝结换热开始发生作用的临界电压•有三区：–U/Ucr2.3为过渡区，表面张力和液体粘性对电场有一定压抑作用，最大2倍。–U/Ucr=2.3~4.6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/Ucr＞4.6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强化传热技术2020/5/143.2.4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或工艺过程的进行。如高温发动机壁面冷却保护。•工程情形：–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强化传热技术2020/5/14经过多孔壁有质量流过时的管内层流换热•热平衡式•得•代入得wb0pbpw-dd2-TTvcxTRcuqre-dd-2re--uwbwbwbwPRxTTTRPRTTDqNre-uw21PRNNu由第一本征值λ1、流体Pr和透过多孔管壁的流体Rew所决定。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•fRe-Rew•[73]计算曲线，•[69]理论解析结果•有吸出时，阻力系数随着吸出量增大而迅速下降；•喷入时，阻力系数随着喷入量增大而缓慢增大。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•有质量吸出时，速度剖面变瘦；但温度剖面变胖。•有质量喷入时温度剖面变瘦。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•不同Pr数时管内层流换热系数：•有吸出时,Nu数随吸出量增大而迅速增大；且Pr越大越明显。•有喷入时,Nu数随喷入量增大而逐渐减小；且Pr越大越明显。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14经过多孔壁有质量吸出时的管内湍流换热•速度比•管子进口处的流量•离管子进口x处已吸出的流量•x处已吸出的流量与进口流量之比•推导整理可得：uv/)/,r,e,(uDxPRFN径向分速轴向分速/4π211DuGDxvπDxM/411)-)/(-r(e-uubwbswmTTTTPRNNa实际努谢尔数x+表观努谢尔数吸出流体近壁处温度中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14•由于111111//4-14-vvuuxDxvuvuv•x处Re数)4-(1ee11xRR•x处平均Nu数nRCN1euTxDxqNxπdu0m中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/14Nu0为无吸出的Nu值•换热强化比随β增大而增大，壁温则降低；•Re1越大，质量吸出的强化效果就越显著。•当多孔管出口堵死时，流量只能从管壁透过。•当从104增加到105时，管子中部的换热强化比由4增为8。