第3章有源强化讲解
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v v 1
u
u1
-
4xv D
1- 41x
u v/ 1 u1 v/1
• x处Re数 Re Re1(1- 41x )
• x处平均Nu数
Nu C Re1n
Nu 0x qmdx
πD xT
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强化传热技术
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Nu0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。
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• 离管子进口x处已吸出的流量 vπDx
x+
• x处已吸出的流量与进口流量之比 • 推导整理可得:
M1 41 x/D
Nua Num - RePr(Tsw -Tb )/(Tw -Tb )
能源与环表境观学努院 谢尔数
实际强努化谢传尔热数技术 吸出流体近壁处温度 2019/6/7
• 由于
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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。
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随 电 压 升 而 增
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强二化传乙热技醚术,7mm,310kPa,70℃ 2019/6/7
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• 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。
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• 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。
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• 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。
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• 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
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动有可能引起传热的
增强。 • 目前的缺陷:
流量V0
– 传热增强不大 – 功率消耗不小
3.2.1管内脉动
频率f
活塞Ap
V V0 2π f Ap R cos(2π f t)
中心管截面积A
套管式换热器
w
能VA源0 与1环境2π学f院VA0p
R cos(2π
f
t
)
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• 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:
r0 b
b为拉普拉斯常数
b 2 g
σ为表面张力,Δ ρ
为流体与汽泡的密度差
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10% 60%
均值增大44%。
增
大
Tu=12%,
Rev=4000
Tu为流体来 能流源与湍环流境度学院
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Tu=12%, Rev=0 Tu=2%, Rev=0
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3.2.3 电磁场作用下的对流换热
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• 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;
壁喷入或吸出流体; – 在固体表面上发生化学反应
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经过多孔壁有质量流过时的管内层流换热
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• 热平衡式
- qw
ucp
R 2
dTb dx
cpv0 Tb
-Tw
•得
Nu
qw D
Tb -Tw
-
RePr R
2Tb -Tw
dTb dx
• 低粘度搅拌器有
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• 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。
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2.1.2 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
• 有喷入时, Nu 数随喷入量增 大而逐渐减小; 且Pr越大越明 显。
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经过多孔壁有质量吸出时的管内湍流换热
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Nu F(Re,Pr,, x/D)
• 速度比 v/u
径向分速 轴向分速
• 管子进口处的流量
G1 u1πD2/4
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• 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
f0
V0 2πAp R
f
w w0 1
f0
cos(2π
f
t)
• 换热强化比 的时间平均值 其中
0
1
f f0
cos(2π
f
0.8 t)
E F 01/ F 1 F cos(2πFz) 0.8 dz
Nu
0.923
- g
L Ts
g hfg3
-Tw
1/ 4
• 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
pL
-
pg
1 rL1 来自K L EL2
2
-
g Eg2
2
出凝倍液结。滴换而热使系液数膜可变增薄加3,在的二凝乙35结醚kV换却电热增压可加下增9,倍加氟。2利.4昂倍-,11而3
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3.2.3.1电磁场中换热增强
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• 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。
0
0.84Re-0.32q0.15Tf0.35
• 如 α/α以0=T2f.=4470。℃, q=47kW/m2代入,取Re=300, 得 • 高频加热比工频加热的管内对流换热系数
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
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3.2 流体脉动和传热面振动时的对流换热
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• 采用人工方法使流体
发生脉动或传热面振
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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
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3.2.3.3电磁场对凝结换热的影响 中国 南京
•
Nusselt (1916)竖直平 板上的凝结模型及平 均换热系数计算公式
高出一倍以上。
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• 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。
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3.2.3.2电磁场对沸腾的影响
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搅拌的作用:
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• 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。
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3.1.1搅拌釜形状和分类
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• 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。
- Rew
Pr
• 代入得
Nu 12 - Rew Pr
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。
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• 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。
第三章 对流换热的有源强化
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• 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
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与无电场的情况一样,清 除不凝结气体也十分重要
• Ucr为电场对凝结换热开始发 生作用的临界电压
• 有三区:
– U/Ucr<2.3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
•单管Rev<1000时,未发现振动对传热有明显影响;
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•9增 •强当 在•0°加度RRR分ββee~5都=>evv.1=≥5布91>增2%81020100:加0°°。000°400很范圆的~后~后12少围,周无220产0。换在0角振°时热生09β动范°0,系<°流~时且9围数9~0动01在换平°内°5脱0β均热时形平°>离7增均系区,0成°区大值域数层湍1区。增增9沿流流%域大加圆,边边有1最0但管界界较%大在,明外层层;0显前表9°逐,0的部°~面渐而9增 大增和~0的增在1°强后8周0平厚;部°均向,在换平只热
F f/f0 , z f0t
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有效区域
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可能无效区域
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3.2.2传热面振动
场协同观点是夹角很小中国 南京
• 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。
步增加已经对凝结膜在重力作
用下的降落产生一定阻碍。
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3.2.4 多孔壁有质量透过时的壁面换热 中国 南京
• 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
平板与液体之 间的电位差 中国 南京
• 热流密度的简化式:
qcr
π 24
g g
1/ 2
V
hfg
蒸气的 介电常 数-密度
蒸气 膜的 厚度
液体的汽 化潜热
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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。
• 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:
σ-流体的电导率
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T w T 2T E 2
t
cp