NU308两相流动与传热pdf
气液两相流和沸腾传热.pdf0
第一章绪论第一节两相流及其定义异质物体或系统中，各存在分界面的独文物质称之为相。
众所周知，自然界常见酌物质有三相，即固相+液相和气相。
因此，由任意两种存在分界试坤独物质组成【十体或系统都称之，为两相物体或两相表统。
树如，水和己的撮合物为一种两相物体，因为水和卸：都是存在分界面的独立物质。
但是，'盐水浴液是一种单相物体，田为在此溶液中盐和水之间无分界面，盐和水不居两种独立存在的物质。
两相物体的流动称为两相流。
在两相城中，两相之闻不仅存在分界面，面且进一公界面是随者派动在不断变化的。
因此，两相觥可定义为存在变动外界面的两种狡文物质组成的物体的. 流动。
气体和固体耦粒洇合物的流动为一种两相流，因为在此甜动表统中不仅存在两种独立物质，而且这两种物质之间的分界面是随流动面变化的。
根据两相流的定义，可以将两相褓大致分为如下三类，气体和液体共同流动时气筱两相流，气体和固体耦】位共同流动的气团两相流·液体和固体解放共同流动的液固两相流。
忱外，两种不同组分液体的共同流动也届于两相流范辟，本书主要讨论气液两相流的流体动力学和悦据传热问题。
气踺两相流根据物质组分的不同又可分为两种。
由同一组分枸顶种相组成髀气液两相流称为单组分】液两相舐，例如由木鼓汽和水构成的两相硫。
由不同组士的两种相组成肿气踺两相硫称为】组公气液两相流，例如由空气卸水构成的气淹两相流。
在不监生相变的流动过程中，单组分两相流和】煳i分两相流适用同样的物理规铮，因而可通称为气液两相硫。
棣揖散热惜晚的不同，气密两相硫还可公为绝热气淹两相掀和有热弈换酌气密两相硫。
当存在热交投时，在单组分气筱两相部中伴随菹流动含线工质的相交。
两·相铈这一术语在本世纪30年代苜光出现于美国的一些研究生论文中。
l945年，苏碟苜先将毡一来语应用于正式出版的学术刊物上。
莫+ 苏、银三国在本世纽20年代已''开始了气淹两相硫的研究工作，日本姑子即年代，我国在60年代也开始了这方面的研究工：，ff；·。
气液两相流的流动与传热特性分析
气液两相流的流动与传热特性分析第一章绪论气液两相流是指在管内同时存在气相和液相的流体系统，广泛存在于化工、核能、石油、环境保护等领域。
气液两相流的性质复杂，不同于单相流，具有热质传递、固液分离、波浪波跃、喷射雾化等特点，因此近年来引起了学术界和工业界的广泛研究和应用。
本文将分析气液两相流的流动和传热特性，以期为气液两相流的研究提供一定的参考。
第二章气液两相流的分类和性质气液两相流可分为气体和液体相的接触和融合两种形式。
在接触形式中，气相和液相通过界面相互接触，形成泡沫、滴、膜或者液柱等结构，这种形式的气液两相流有着非常广泛的应用，例如泡沫塔、浮选、废水处理等；而融合形式则是泡沫或液滴在固体表面形成时液滴或泡沫发生融合，形成液膜或多孔材料衬垫，这种形式也有着广泛的应用，例如沉积薄膜、吸附剂等。
气液两相流的性质有着很强的诱导物质传递的能力，液相在气液界面上具有很高的活性质量，液滴和泡沫的直径很小，故它们的表面积很大，能够大大提高物质传递的速度和效率；同时，由于气液界面的存在，气液两相流还可以通过表面活性剂的加入在各个方面得到优化。
第三章气液两相流的流动特性气液两相流的流动特性，是指流体在管内或通道内的流动规律和物质传输规律等，是气液两相流传热的基础。
气液两相流的流动特性在不同应用环境下会发生很大的变化，例如流动状态、相对速度、相分布、颗粒形状、流体性质等都可能影响气液两相流的流动特性。
气液两相流的流动过程可分为单向流动和往返流动两种形式。
单向流动是指气体和液体分别自上往下或自下往上依序流动；而往返流动则是指液体在一方向流动过后再在相反方向流动，这种运动形态可以产生较为强烈的液相运动，从而增加了物质传递的效率。
第四章气液两相流的传热特性气液两相流传热是指在气液两相流中，气体和液体相互作用，形成温度差，从而引起的热传递过程。
气液两相流的传热性能对于增加热传递效率和提升传热效果具有十分重要的意义，在工业和科学研究中都有非常广泛的应用。
南京工业大学传热ppt3
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传热计算
总传热速率方程 热量衡算式 (热负荷)
Q KAt m
无相变 Q qm1c p1 T1 T2 qm 2 c p 2 t2 t1 有相变
应用条件： 定态流动，qm为常数； cP为常数； K为常数； 忽略热损失。
dQ Km (T t )dSm 总传热速率微分方程
25
一、总传热速率微分方程
Ki 1 1 bd i di
i
Km
dm
1 b
o do
dm
o
基于管内表面积的 局部总传热系数 基于平均表面积的 局部总传热系数 基于管外表面积的 局部总传热系数
dm
i di
Ko do
T Tw
若管壁两侧有污垢，需考虑污垢热阻的影响，方程式写成：
Tw t w tw t Q 1 1 b 1 1 ( Rd 1 ) ( Rd 2 ) 1 A1 Am 2 A2
38
39
40
第四章 传 热
4.4 两流体间传热过程的计算 4.4.1 热平衡方程
4.4.2 传热平均温度差
43
2. 操作型计算
（1）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t2 （2）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：qm2、 t2
注意：列管式换热器中
流通面积 A流 通 n
4 传热面积 A传热 nd1l
d2
2
44
欲提高 K 值，强化传热，最有效的办法是 减小控制热阻。
32
二、总传热系数
01-两相流概述和基础
气液两相流与沸腾换热
绪论－什么是两相流与沸腾？
• 沸腾：沸腾是通过液气相变将工质由液态转换到汽态的
一种剧烈汽化过程，也是伴随大量气泡的形成、成长和运 动的热量传递过程。沸腾传热和气液两相流是由本质上十 分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种 热流体流动过程．在两相界面上存在着热量的传递，并且 有相变发生。
气液两相流与沸腾换热
绪论－两相流与沸腾传热的应用（8）
庞力平
华北电力大学能源动力与机械工程学院
气液两相流与沸腾换热
绪论－两相流与沸腾传热的应用（8）
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气液两相流与沸腾换热
之为相。因此，由任意两种存在分界面的独立物质组 成的物体或系统都称之为两相物体或两相系统。例 如，水和冰的混合物为一种两相物体，因为水和冰都 是存在分界面的独立物质。但是，盐水溶液是一种单 相物体，因为在此溶液中盐和水之间无分界面，盐和 水不是两种独立存在的物质。
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气液两相流与沸腾换热
管内气液两相流的基本参数
• 气液两相流平均密度ρm ρm = ρG α + ρL (1 − α ) 分流平均密度 ρ = W / Q = ρ β + ρ (1 − β) 混合平均密度 • 气液两相流平均速度um u m = u G α + u L (1 − α) 分流平均速度 u m = Q / A = G /[x / ρG + (1 − x) / ρL ] 混合平均速度
管内螺旋液固两相流的流动行为及传热
2015年2月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb. 2015收稿日期：2014−11−15，修回日期：2014−12−31基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51206071)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：11JJ9003)作者简介：彭德其(1972−)，男，湖南省衡山县人，博士，教授，主要从事强化传热和节能环保技术研究，E-mail: pengshuaike@.管内螺旋液固两相流的流动行为及传热彭德其1， 张 浪1， 俞天兰2， 吴淑英1， 支校衡3， 陈 前1(1. 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412008；3. 湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)摘 要：利用Fluent–EDEM 耦合方法对管内插螺旋线的液固两相流动与传热进行数值模拟，分析了螺旋线对固相颗粒的诱导碰撞作用和液固两相流传热性能的影响. 通过实验验证，模拟值与实验值的偏差为6.3%∼13.8%. 模拟结果表明，与管内未插螺旋线对比，管内插螺旋线对液固两相流体具有诱导作用，使流体呈螺旋流状态；在流体离心力和螺旋线共同作用下，贴近管内壁运动的固体颗粒体积分数由0.44%提高到3.27%；相同雷诺数Re 条件下，内插螺旋线液固两相流传热方法的努赛尔数Nu 最大. 在Re ≤60000范围内，内插螺旋线液固两相流的综合评价指标值均高于内插螺旋线和液固两相流单独作用方式. 因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热的工况. 关键词：螺旋线；液固两相流；强化传热；诱导作用中图分类号：TK123 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2015)01−0045−051 前 言换热管内高效强化传热同时减少污垢沉积一直是国内外研究的热点[1−3]，其中旋流和液固两相流作为有效的传热强化技术都得到了广泛研究及应用. 文献[4−8]分别对内插螺旋线和液固两相流强化传热特性进行了实验及数值模拟研究，内插螺旋线和液固两相流都能加剧管内流体湍流强度及边界层的扰动，且进一步提高在线清洗、强化传热能力. 段培清等[9]研究发现，在相同条件下，内插螺旋线管内液固两相流方法强化传热的同时可使污垢量减少20%∼50%. 向寓华等[10]对换热管内插螺旋线液固两相流的清洗能力及阻力进行了实验研究，未发生粒子沉积和堵塞现象，安全可靠性好. Lennart 等[11]利用Fluent–EDEM 模拟软件对流化床粒子碰撞动力学进行了研究，从颗粒平均速度、角速度、颗粒−壁面间碰撞和颗粒之间碰撞频率等方面进行了分析，发现颗粒−传热面之间的碰撞、颗粒对边界层的扰动是固体颗粒强化传热的主要原因. 钟宏伟[12]分析了固相颗粒浓度分布对传热的影响，发现管壁处固相颗粒增多，传热效果更佳. 彭德其等[13]研究了扭曲管中加入固体颗粒的强化传热，与空管相比综合性能提高15.5%，但存在固相颗粒浓度分布不均匀且管壁磨损程度相差很大等问题. 综合以上研究，本工作在实验研究基础上，利用Fluent–EDEM 耦合模拟软件模拟内插螺旋线对固相颗粒运动规律和液固两相流传热性能的影响，并与光管、内插螺旋线及液固两相流单独作用时进行对比，揭示该复合技术的强化传热行为机理.2 实 验2.1 实验设备及条件建立换热管单管实验台，对空管、内插螺旋线、液固两相流、内插螺旋线及液固两相流复合技术进行实验研究. 为描述简便，4种换热管分别用表1中型号代替.表1 换热管型号Table 1 The types of heat exchange tubeType ModelSmooth tube 1# Smooth tube with particles 2# Smooth tube with spiral insert 3# Smooth tube with spiral insert and particles 4#整套实验装置主要由水蒸汽加热系统、冷却水系统及测量控制系统组成. 加热系统为被测实验段；冷却系统主要是冷却加热管内被加热的流体，以便使实验被测段管内流体的进口温度恒定. 单管换热传热性能实验装置如图1所示.图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus1. Heating system2. Cooling system a. Water heating bath b. Water cooling bathc. Heat transfer experiment tube实验用加热管规格φ38 mm ×2 mm ，套管规格φ57 mm ×3.5 mm ，实验段加热管长2000 mm ，螺旋线外径24 mm ，固相颗粒体积浓度2.5%. 前期测试固相颗粒沉降速度为0.3 m/s ，设定实验中流体流速约为1 m/s ，有效传热温差20℃. 2.2 实验方法进行换热管传热性能实验时，热水经水泵进入套管中，冷水经水泵进入加热管中，管内冷水自下向上流动，管外热水自上向下流动. 待热水和冷水温差达到实验要求时，将热水阀门打开，热水由水泵输送到换热套管中，通过阀门控制热水流量以调节换热量，待系统稳定后，读取流量等数据. 每隔5 min 记录一次数据.3 数值模型建立3.1 控制方程内插螺旋线液固两相流强化传热涉及流体−颗粒、流体−壁面、颗粒−壁面等换热，换热类型包括热传导和对流传热. 计算时不考虑组分扩散和黏性耗散引起的能量转移，不包含化学反应放热，根据多相流理论，分别得出液固两相控制方程[14].液相连续方程：[]()f f f (1)[(1)]01,2,3,v v jC u C j t x ρρ∂−∂−+==∂∂ (1)固相连续方程：()()s s s 0,v v jC C u tx ρρ∂∂+=∂∂ (2)液相动量方程：2sff f f d 1,d (1)v u F f p u t C νρρ=−∇+∇+− (3) 第i 个固体颗粒动量方程：s s ss s s fs d d ,d ii i Ai i Au V V f f p A f t ξρρ=−−+∫ (4) 根据动量叠加原理，固体颗粒群动量方程：s s s s s s s s 1111d ,d nn n n ii i i u V V f f V p f t ξρρ=−−∇+∑∑∑∑ (5)假设液相对固相作用力相等，得固相动量方程：f s f sf s s s s d d 11,d d v u u FC C f p t t C ξξρρρρρρ⎛⎞+−=−∇+⎜⎟⎝⎠ (6) 式中，ρf 为液相密度(kg/m 3)，C v 为两相流体中固相体积浓度(%)，t 为时间(s)，u f 为液相速度(m/s)，x j 为x 轴中j 分量，ρs 为固相密度(kg/m 3)，u s 为固相速度(m/s)，u为液相平均速度(m/s)，f f 为单位质量液体质量力(N)，∇p 为压力梯度矢量，ν为流体运动粘度(m 2/s)，F sf 为单位体积两相流体中固相对液相的作用力(N)，V s 为固体体积(m 3)，f s i 为第i 个单位质量固体质量力(N)，f ξi 为附加质量力(N)，p A i 为作用在固相单位面积上的压力分布函数，A 为面积(m 2)，f fs i 为液体对固体颗粒的作用力(N)，u s i 为第i 个固体颗粒速度(m/s)，C ξ为常数(0.5)，f s 为固体质量力(N). 3.2 数学模型以常规换热管φ38 mm ×2 mm 为研究对象. 换热管长2000 mm ，螺旋线外径与换热管内径之比d o /D i =0.7，螺旋线丝径1.5 mm ，螺距P =24 mm ，螺旋线起始端与加热管进口端面相距20 mm. 管内工质为清水，一般工程上流态化强化传热采用的固体颗粒直径为2∼4 mm. 本工作采用固相颗粒直径为2 mm 的惰性固体颗粒⎯陶瓷球，液固混合物中固相颗粒体积浓度为2.5%. 具体物性参数见表2.表2 物料参数Table 2 Parameters of materialsMaterial Density, ρ (kg/m 3) Viscosity, μ (×105 Pa ⋅s) Solid 2300 − Water 998.2 100.5∼300数值模拟时对模型进行如下简化和假设：(1)流体为不可压缩流体；(2)壁面为固定壁面且温度恒定；(3)因螺旋线的横截面相对换热管的横截面很小，螺旋线在管内两端固定，因此，不考虑螺旋线引起的流道截面积减小的影响，忽略螺旋线在管内的振动作用；(4)颗粒之间为点接触，碰撞过程中无变形.对不同节点步长下的网格模型进行求解，发现结果相似，因此网格的影响很小. 本工作利用Gambit 进行四面体非结构网格划分，考虑壁面边界层的影响，对壁面进行边界层网格划分，第一层厚0.01 mm ，共5层；对内插螺旋线的换热管因结构不规整，采用四面体非结构网格进行划分，网格最大为3 mm ，对螺旋线附近网格加密以提高计算精度，如图2所示.图2 内插螺旋线管网格Fig.2 Grid of the tube with spiral coil insert边界条件：管壁及螺旋线满足无滑移边界条件；管第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 47进口设为速度进口边界条件，管出口设为压力出口边界条件，设定液相相关的边界条件. 从Fluent 中设置与EDEM 耦合进入EDEM 的设置中；设置EDEM 中固体颗粒的材料及属性、接触模型和颗粒生产速率、几何体的材料属性；在EDEM 中建立固体颗粒生成工厂，然后再返回Fluent 进行计算. 选用RNG κ−ε湍流模型，SIMPLEC 算法进行压力和速度的耦合，壁面采用强化壁面法处理，方程采用一阶迎风格式进行离散，采用三维双精度分离隐式求解器. 其他边界条件和实验条件相同，分别模拟分析内插螺旋线和加入固体颗粒及两者相结合的方法对传热性能的影响.4 结果及分析在相同条件下计算表面换热系数的实验值，从Fluent 后处理中得出表面换热系数模拟值. 由表3可知，不同强化传热技术的表面换热系数实验值与模拟值偏差为 6.3%∼13.8%，模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了模拟的可靠性. 模拟时未考虑热量损失及测试误差，因而表面换热系数模拟值比实验值大.表3 管内表面换热系数Table 3 Internal surface heat transfer coefficientModelItem1# 2# 3# 4#Experimental value [W/(m 2⋅K)] 2238 2980 3352 4095 Simulation value [W/(m 2⋅K)] 2378 3189 3816 4388 Precision (%) 6.30 7.01 13.807.204.1 管内流体流线及颗粒分布图3为不同强化传热技术相应换热管内流体流线分布，其中标尺为流线标识号. 从图可看出，1#, 2#管内流体流线平行于轴向，3#, 4#管流体流线呈螺旋形，说明管内插螺旋线对流体有明显的诱导旋流作用.(a) 1# (b) 2# (c) 3# (d) 4#图3 管内流体流线Fig.3 Streamlines of fluid in different heat exchange tubes如图4所示，在颗粒浓度为2.5%的条件下，未插螺旋线管内中心处固相颗粒浓度比管内壁面处固相颗粒浓度大；内插螺旋线后，流体由沿轴线方向的流动方式变化为螺旋流方式，螺旋流动的流体对固相颗粒运动有诱导作用，使靠近管壁处固相颗粒明显增多. 利用Fluent–EDEM 软件后处理得出颗粒碰撞数，如图5所示，与管壁发生接触的颗粒数分别占总数的0.44%和3.27%，内插螺旋线后与管壁发生接触的颗粒数是未插螺旋线时的7.432倍，螺旋流动流体增加了固相颗粒对边界层流体的扰动和与管内壁的碰撞几率.(a) 2#(b) 4#图4 管内固体颗粒轴向分布Fig.4 Distributions of particle volume concentration of helicalcross-section with (a) and without helical coil insert (b)图5 与管内壁碰撞的固体颗粒数Fig.5 Number of the particles contacting with tube wall4.2 螺旋线对颗粒分布的诱导影响在管内平均流体流速为 1 m/s 、固相颗粒浓度为2.5%、其他条件相同的情况下，对管内插入不同外径螺旋线时的固相颗粒运动进行分析. 表4为螺旋线外径分别为15, 20, 24, 30 mm 时对固相颗粒运动的影响. 从表可知，螺旋线外径增大，颗粒平均速度减小，管中心颗粒最大速度增大；螺旋线外径越小，颗粒受到的离心力越小，管中心处颗粒越多，因此，螺旋线外径为15 mm 时管内固体颗粒平均速度最小. 螺旋线外径增加，管壁0.00.51.01.52.02.53.03.5050100150200250300350N u m b e r o f c o n t a c t sTime (s)48 过 程 工 程 学 报 第15卷处颗粒增多，固相颗粒在管壁处碰撞频率增大，导致固体颗粒转动动力削弱，从而管壁处固相颗粒平均角速度和最大角速度下降. 表中管壁附近颗粒浓度增大到一定程度后颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞频率增大，所以螺旋外径为24和30 mm 时平均角速度和最大角速度相继减小. 螺旋线外径增大对固相颗粒运动的诱导作用更明显，颗粒随旋流流体运动到管壁周围的数目更多，因此管内壁附近固相颗粒体积浓度增大，碰撞次数更多，更有利于强化传热与除垢防垢作用.表4 螺旋线外径对颗粒的影响Table 4 The effect of out diameter of spiral insert on particlesOut diameter of spiral insert, D spiral (mm)Item15 20 24 30Average velocity (m/s) 0.763 0.733 0.706 0.555 Maximum velocity (m/s) 0.8 0.891 1.308 1.313 Average angular velocity (r/s) 197 349 334 261 Maximum angular velocity (r/s) 765 1009 943 9204.3 固相颗粒浓度对流动及传热的影响在内插螺旋线外径为30 mm 、流体速度为1 m/s 、其他条件相同的情况下，分析了换热管内加入不同体积浓度固体颗粒对流体流动和传热性能的影响.图6为不同固相颗粒浓度湍流强度分布曲线，由图可知，改变固相颗粒浓度对流体湍流强度的影响很大. 颗粒浓度分别为0.5%, 1%, 2.5%, 5%, 8%时，流体的湍流强度依次提高至8.83%∼11.1%, 8.83%∼11.29%, 10.09%∼13.25%, 11.24%∼13.95%, 11.87%∼13.53%；固相颗粒体积浓度增至10%时湍流强度开始出现下降趋势. 因为近壁处固相颗粒体积浓度增大，对热边界层的扰动更强烈，但增大到一定浓度时固相颗粒所占空间反而影响流体运动的充分发展，因此，随固相颗粒浓度增大，湍流强度先增大后减小.图6 湍流强度分布曲线Fig.6 Variation of turbulence intensity distributionwith position under different particle contents4.4 传热及阻力分析由图7中4种强化传热技术相应的努赛尔数Nu 随雷诺数Re 变化曲线可知，Nu 随Re 增大而增大，并逐渐趋于平缓；在相同Re 条件下，4#管的Nu 最大，说明其传热效果最好；在模拟Re 范围内，与1#, 2#, 3#管相比，4#管的Nu 依次提高28%∼86%, 23%∼53%和17%∼31%. 原因是4#管中内插螺旋线使流体产生旋流及固相颗粒在管壁周围的运动都增强了管内流体的湍动，因此，更有利于强化传热.图7 努赛尔数Nu 随雷诺数Re 的变化 Fig.7 Relationship between Nu and Re螺旋线和固体颗粒同时使管内流体受到不同程度的扰动，颗粒运动也需耗散流体功，从而造成管内压降损失相应增加. 图8为不同强化传热技术的阻力系数f 随Re 的变化，由图可知，阻力系数f 随Re 增大而减小；与1#, 2#, 3#管相比，4#管的阻力系数依次提高126%∼ 152%, 104%∼107%, 22%∼24%.图8 阻力系数f 随雷诺数Re 的变化Fig.8 Relationship between friction factor f andReynolds number Re内插螺旋线液固两相流技术强化传热的同时增加了流体管程阻力损失，考虑传热和阻力的综合影响，采用广泛应用的综合性能评价值(PEC)对其综合性能进行评价：()()1/3PEC ///,i i Nu Nu f f = (7)20000400006000080000100000100120140160180200220240260280300N uRe1#2# 3# 4#468101214T u r b u l e n t i n t e n s i t y (%)Position (mm)200004000060000800001000000.030.060.090.120.150.18 C o f f i c i e n t o f r e s i s t a n c e , f1#2# 3# 4#Re第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 49式中，Nu 和f 分别为4#管的努赛尔数和阻力系数，Nu i 和f i 分别为2#或3#管的努赛尔数和阻力系数，下标i 为2#或3#管.如图9所示，在Re ≤60000时，以2#管为被比较对象，4#与2#管的PEC 比值大于1；在模拟Re 范围内，以3#管为被比较对象，4#与3#管的PEC 比值也大于1. 这说明在低流速下4#管的综合性能比2#和3#管好.图9 综合性能对比Fig.9 Comparison of comprehensive performance5 结 论针对管内插螺旋线和液固两相流及其复合技术的流场分布及传热性能进行了研究，得到如下结论：(1)内插螺旋线使管内流体呈明显的螺旋流状态，且内插螺旋线后与管壁发生接触的固相颗粒数由0.44%增加至3.27%.(2)努赛尔数Nu 随雷诺数Re 增大而增大. 在相同的Re 下，螺旋线与液固两相流相结合的强化传热效果最好，但其阻力系数也相应增大.(3)当Re ≤60000时，分别以内插螺旋线和液固两相流传热技术为被比较对象，内插螺旋线与液固两相流复合强化传热技术的PEC 比值均大于1，因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热工况.参考文献：[1] 杨丽云. 防治换热器污垢，降低经济损失 [J]. 化学工程与装备,2009, 6(6): 69−71.[2] Passakorn V , Jarruwat C. Numerical Analysis of Heat Transfer andFlow Field around Cross-flow Heat Exchanger Tube with Fouling [J]. Appl. Therm. Eng., 2010, 30(10): 1170−1178.[3] 齐洪洋，高磊，张莹莹. 管壳式换热器强化传热技术概述 [J]. 压力容器, 2012, 29(7): 73−78.[4] 林霖. 螺旋内插件强化传热换热器的性能对比分析 [J].Equipment Manufacturing Technology, 2009, (7): 24−26.[5] Pronk P, Infante F C, Witkamp G J. Mitigation of Ice CrystallizationFouling in Stationary and Circulating Liquid −Solid Fluidized Bed Heat Exchangers [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2010, 53(1/3): 403−411.[6] Srbislav B G , Branislav M J, Marko S J. Analysis of Fouling Factor inDistrict Heating Heat Exchangers with Parallel Helical Tube Coils [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2013, 57(1): 9−15.[7] 李洪亮，柳坤，许艳芳. 惰性粒子对水沸腾传热强化的实验研究[J]. 化学工程, 2010, 38(7): 31−35.[8] 韩继广，吴新，周翼. 管内插入扭带及螺旋线圈的传热与阻力特性实验研究 [J]. 热能动力工程, 2012, 27(4): 434−438.[9] 段培清，南碎飞，窦梅，等. 换热器防除垢实验研究 [J]. 高校化学工程学报, 2009, 23(1): 51−57.[10] 向寓华，姚雪峰，彭德其. 旋液流态化流体阻力与传热的实验研究 [J]. 化工装备技术, 2012, 33(6): 5−7.[11] Lennart F, Sergiy A, Stefan H. 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The particles collision on heat transfer surface and the heat transfer enhancement were analyzed, which was induced by spiral insert. The experiments show that the deviation between the simulation and experimental data is small in the range of 6.3%∼13.8%. The fluid flows spirally, and the volume fraction of particles close to wall is increased from 0.44% to 3.27%, induced by the spiral insert. The results indicate that Nu of the combination is greater than that of only two-phase flow without insert under the same Re . When Re is below 60000, the two-phase tube flow with spiral insert has greater comprehensive evaluation index PEC than liquid −solid flow without insert and spiral insert without particles, respectively. Therefore, this combination technology can be applied in prevention of fouling and enhancement of heat transfer under the condition of low Re condition. Key words: spiral insert; liquid −solid two-phase flow; heat transfer enhancement; induction200004000060000800001000000.900.951.001.051.101.15 C o m b i n a t i o n p r o p e r t y , ηRe。
气液两相流传热实验
气液两相流传热实验一、实验目的1、通过测定换热器冷、热流体的流量，测定换热器的进、出口温度，熟悉换热器性能的测试方法；2、了解套管换热器的结构特点及性能。
3、通过测定参数计算换热器流体的热量；计算换热器的传热系数；并整理成准数关联式形式。
二、基本原理1、概述本换热器性能测试实验装置，主要对应用较广的套管式换热器进行其性能的测试。
其中，对套管式换热器可以进行顺流和逆流两种方式的性能测试。
换热器性能实验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并对实验数据进行整理，分析流体无相变时的对流传热系数与Dittus-Boelter 关联式。
2、实验装置参数本实验所用的热水加热采用电加热方式，采用热水加热常温空气。
冷—热流体的进出口温度采用pt100加智能多路液晶巡检仪表进行测量显示，实验台参数如下：（1）电加热管总功率：3KW（2）冷热流体风机：允许工作温度：<80℃，额定流量：76 m 3/h 电机电压：220V 电机功率：750W（3）孔板流量计： 流量：8-30m 3/h 允许工作温度：0-80℃3、对流传热系数α的测定：根据传热总方程，用实验测定。
mQS t α=∆ 式中：α－管内流体对流传热系数，W/（m 2·℃）；Q －传热速率W ；S －管内换热面积， m 2 ； ∆t m －对数平均温度差，℃。
本实验中，具体的计算过程如下：,,56()m h p h Q q c t t =-，热水的物性数据取定性温度562t t +下的数值,计算质量流量, /m c V t q q kg s ρ=。
换热面积2 o S d l m π=，此处管内径0.016m ，壁厚0.0015m ，管长1.3m 。
{}()2121/ln /T T T T t m ∆∆∆-∆=∆851t T T -=∆ 762t T T -=∆ t 5，t 6为热流体进出口温度， T 7，T 8为冷流体进出口温度。
南京工业大学 化工原理考研 传热及换热器(2)
4.2.4 通过平壁的稳态热传导
1. 单层平壁的稳态热传导
假设：
t
1) 平壁A大，b小(无限大平壁)；
2) 材料均匀， = const；
3)
温度仅沿 x 变化，且不随 时间变化；
t1
4) 各层接触良好，且接触面 两侧温度相同；
5) 热量损失可以忽略。
b
t2Q dx x
由傅里叶定律： Q A dt
4.1.5 传热速率与热通量
1. 传热速率(又称热流量)Q是指单位时间内通过 传热面的热量。单位为W(J/s)。
2. 热通量(又称热流密度或传热速度)q是指单位 面积的传热速率，单位为W/m2。
3. 传热速率与热通量的关系为：
q Q
dA
4. 和其它传递过程类似，传热速率与传热推动力 成正比，与传热阻力成反比。
n0：面通d过A微的元正等法温向
单位矢量。
对一维温度场 ：
grad (t) dt 温度增大方向
dn
4.2.2 傅立叶定律 (Fourier’s Law) 傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的 热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面 积成正比，即：
dQ
dA
t n
n0
q
dQ
grad(t)
dA
对于定态的一维导热：
4. 生活中应用：羽绒服、热水瓶、 保温杯、双层窗。
4.2.1 基本概念 1. 温度场和等温面
温度场: 物体或者系统内各点温度分布的总和 稳态温度场：
t f (x, y, z)
非稳态温度场：
t f (x, y, z, )
等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成 的面称为等温面。温度不同的等温面彼此不 会相交。对二维问题指等温线，对三维问题 指等温面。
南京工业大学 化工原理考研 传热及换热器(4)
热平衡条件：tv = tl 然而，气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收 热量，液体必须过热，即液体的温度必须高于气 泡内压力所对应的饱和温度。
液体过热是新相 — 小气泡生成的必要条件。 过热度增大，气化核心数增多。
气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程 度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等 多种因素有关。
流体被冷却，n = 0.3
结合 Nu l ，可得到α。
3. 关联式应用的注意事项
1) 定性温度：确定物性数据的温度 通常，t = (t进 + t出) / 2
2) 定型(特征)尺寸l：指对给热过程产生直接影 响的几何尺寸 管内：圆管，管内径di 非圆管，当量直径de 管外(横向流动)：管外径do
3. 流体在管束外强制垂直流动时的给热 Nu = CεRenPr0.4
C，ε，n可查
适用范围：
5000 Re 70000
x1 1.2 ~ 5, x2 1.2 ~ 5
d
d
定性温度：
tm
t1
t2 2
特征尺寸：管的外径do
对整个管束：m
i Ai Ai
4. 流体在列管式换热器的管间流动 1) 列管式换热器的结构和流动特性
f (u,l, , , ,Cp , gt)
l — 传热面的特征尺寸； ρ、μ、Cp、λ — 物性； u — 流速(操作条件)； gβΔt — 每kg流体受到的净浮升力。
有8个物理量，4个基本因次(长度L，质量M， 时间τ，温度T)，根据π定理，应有4个特征数。
2) 通过因次分析得到4个特征数：
根据管内液流的主体温度是否达到相应压力下的 饱和温度(Ts)，还可分为： 饱和沸腾：液体的主体温度超过达到相应压力下 的饱和温度，在加热面上产生的气泡不再重新凝 结的沸腾。
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（中文）两相流动与传热 （英文）Two phase flow and heat transfer 专业必修课 核工程专业大三 中文/英文 双语 机械与动力工程学院 流体力学、传热学、工程热力学 胡珀，程旭，顾汉洋 课程网址 (Course Webpage) 两相流在核工程、化工、机械等众多工业领域及日常生活中有广泛的应用，
《两相流与传热》课程教学大纲
课程基本信息（Course Information） 课程代码 （Course Code） *课程名称 （Course Name） 课程性质 (Course Type) 授课对象 （Audience） 授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Instructor） NU308 *学时 （Credit Hours） 32 *学分 （Credits） 2
3
课堂教学
作业三
3
课堂教学
课堂提问
3
课堂教学
作业四3Biblioteka 课堂教学课堂提问*考核方式 (Grading)
平时成绩 10% 作业 30% 期末考试 60% 1． 教材： P. B. Whalley， “Two-Phase Flow and Heat Transfer” ，Oxford University Press； 2． 教学参考书 [1] 徐济鋆（主编） ，鲁钟琪（主审） ，沸腾传热和气液两相流，原子能出版社， 北京，1993.（索书号：TK124/77） [2] G. B. Wallis, One-Dimensional Two-Phase Flow, Mc-Graw Hill, New York, 1969.（索 书号：O359 W214O） [3] 盖德. 希特斯洛尼（主编） ，鲁钟琪 等（译） ，多相流动和传热手册，机械工 业出版社，北京，1993.8.（索书号：TK124-62/4） （英文版索书号：O359－62 H236h） [4] 于平安，核反应堆热工分析，原子能出版社，北京，1981（索书号：TL33/3） 。
是核工程与核技术专业本科生在反应堆热工水力、设备与安全方向的必修基础 课， 通过该课程的教学， 将使学生掌握两相流的基本概念、 基本模型与基本方法， 包括两相流概念和关键的专业术语，主要的数学物理模型包括均相流模型、分相 *课程简介（Description） 流模型以及漂移流模型，常见的池沸腾和流动沸腾模型以及临界热流现象等，以 及常见的试验手段等。学生通过该课程的学习，能对常用两相设备中的典型两相 流现象能进行分析与解释；同时，通过该课程学习，学生将对两相流动和传热等 领域的研究概况与研究思路有所了解，以扩大学生知识面，为今后进一步进行相 关知识的学习、研究与应用打下牢固的基础。本课程采用双语教学。 Two phase flow has been widely used in industry and daily life, such as nuclear engineering, chemical engineering and mechanical engineering. It is one of the required fundamental courses in reactor thermal-hydraulics, installation and safety for college students in major of nuclear engineering and technology. Through the course, the students can learn the fundamental concepts, models and methods for *课程简介（Description） two phase flow, including two phase flow concepts and key nomenclatures, major physical models such as homogeneous flow model, separated flow model and drift flow model, and pool boiling, flow boiling and critical heat flux. Through the learning, students can analyze and explain the typical two phase flow phenomena in the related installations, and also can understand the research in general and the research pathway for two phase flow and heat transfer. It is to broaden students’
*教材或参考资料 (Textbooks & Other Materials)
备注说明： 1．带*内容为必填项。 2．课程简介字数为 300-500 字；课程大纲以表述清楚教学安排为宜，字数不限。
knowledge in order to do better in following related learning, and to lay a solid foundation for further research and applications. The course is bilingual.
课程教学大纲（course syllabus） 1、通过本课程的教学，使学生了解本领域研究与应用的基本方法与现状， 掌握汽液两相流动与传热基本理论、 基本的数学物理模型， 了解常见的实验手段， 为在相关的工作中应用两相流理论和方法打下基础； *学习目标(Learning Outcomes) 2、能够综合利用基础理论理解并分析常用两相设备及现象中的基本两相热 工水力过程，特别是对电厂热力设备中两相流动与传热过程与机理、核电厂正常 运行与事故工况下的典型两相流现象能进行分析与解释。 3、本课程教材主要是外文教材，希望通过教学，使学生熟悉本领域中常见 的专业术语，提高学生阅读理解外文文献资料的能力。 教学内容 两相流基本 概念 两相流型与 流型图 均相流模型 分相流模型 漂移流模型 *教学内容、进度安排及 要求 (Class Schedule & Requirements) 溢流 沸腾简介，池 沸腾 池内沸腾的 临界热流密 度 流动沸腾：核 化与传热 流动沸腾中 的临界热流 密度 凝结 学时 2 3 3 3 3 3 3 教学方式 课堂教学 课堂教学 课堂教学 课堂教学 课堂教学 课堂教学 课堂教学 作业二 作业一 作业及要求 基本要求 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 作业三 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 作业四 掌握教学 知识点 掌握教学 知识点 考查方式 课堂提问 作业一 课堂提问 课堂提问 作业二 课堂提问 课堂提问