非牛顿流体在搅拌槽中的传热(上)

早在1944年Chilton就发表了牛顿流体在搅拌槽中的传热关联式,但到1966年才有非牛顿流体在搅拌槽中的传热的报道。以牛顿流体在搅拌槽中的传热,非牛顿流体在搅拌槽中的流动及功率消耗,以及有关平板上和圆管中传热的边界层理论等三方面的研究为前导,二十年来非牛顿流体在搅拌槽中的传热研究获得了很大的进     

非牛顿流体在搅拌槽中的传热(下)

三、非牛顿流体在搅拌槽中的传热 1.两种常用的关联方法 牛顿流体和非牛顿流体在搅拌槽中的传热机理基本上是相同的。对非牛顿流体来说,关键在于如何处理式(1)中的Re、Pr和η_b/η_w三者中的粘度值,以使牛顿流体和非牛顿流体可用统一的关联式来关联。由于搅拌功率一股用准数方程式N_p=K_p/Re~x来关联,对于关联非牛顿流体的搅拌功率,研究     

非牛顿流体在搅拌槽内的传热

基于搅拌桨旋转扭矩和搅拌槽内所有壁面的平均扭矩近似相等的关系,引入流况系数,提出了计算非牛顿流体表观粘度的剪切速率模型.并对内蛇管、外蛇管和直管以及不同几何尺寸的MIG、透平、三叶后掠式、板式、锚和半椭圆片桨组成的多种搅拌体系,用该模型关联夹套侧和冷却管侧的给热系数,分别得到了统一不同几何尺寸搅拌桨的给热系数关联式.该模型适用于不同冷却构件.不同类型、不同几何尺寸的搅拌桨、过渡域和湍流域以及夹套侧和冷却管侧的非牛顿流体给热系数关联.另外,对多种剪切速率模型进行了比较和讨论.     

非牛顿流体和牛顿流体在搅拌槽内的传热研究

本文根据边界层理论,通过搅拌槽壁面扭矩与搅拌桨旋转扭矩近似相等的关系,提出非牛顿流体在搅拌槽传热阻力层的实际表观粘度的计算方法.使佐野雄二的给热系数关联式也能适用于不同桨型的非牛顿流体的给热系数计算,从而获得了同时适用于牛顿流体和非牛顿流体在装有各种桨型的搅拌槽壁侧给热系数的统一关联式:     

非牛顿流体在搅拌槽内传热的研究——直管冷却体系

用不同几何尺寸的 MIG、透平和三叶后掠式奖,研究了非牛顿流体在搅拌槽内的传热。搅拌槽内装有同时起冷却表面和挡板作用的垂直管。数据关联时使用了笔者提出的剪切速率模型。通过172—184次试验,得到了夹套侧和直管侧的给热系数关联式: 对MIG桨, Nu_j=0.452R~(*2/3)Pr~(*1/3)Vis~(1/6)(d/D)~(0.3)(∑bisinθ/H)~(0.337) Nu_c=0.0475R~(*2/3)Pr~(*1/3)Vis~(1/6)(d/D)~(0.477)(∑bisinθ/H)~(0.347)式中 Re~*为 200—18400,Pr~*为 80—2300。 对透平和和三叶后掠式桨, Nu_j=1.19Re~(*2/3)Pr~(*1/3)Vis~(1/6)(∑bisinθ/H)~(0.74) Nu_c=0.0767Re~(*2/3)Pr~(*1/3)Vis~(1/6)(∑bisinθ/H)~(0.523)式中 Re~* 为25—6310,Pr~* 为115—9000。 与以往研究者的模型相比,笔者的剪切速率模型不仅适用于不同类型的搅拌桨,不同的冷却体系,以及夹套侧和内冷管侧的给热系数关联,而且其关联精度较高。     

高粘度流体在机械搅拌槽中的传热

研究了高粘度牛顿流体和非牛顿流体在螺杆-导流筒、螺杆-导流筒-直管组两种搅拌体系中的传热行为。结果表明,设置导流筒和直管组后,对夹套侧的传热膜系数α_j没有明显影响,导流筒侧和直管组直管外侧的传热膜系数α_d和α_c都较α_j大,传热面积比夹套增加一倍左右,从而增强了搅拌槽的传热能力。在所有几何因素中,搅拌桨径 d和导流筒内径 D_(ti)对传热膜系数影响最大。搅拌桨的转向对传热无明显影响。分析了传热关联式中 Re的方次的变化情况。用因次分析和回归分析得到的夹套、导流筒和直管组传热面的传热关联式和文献结果吻合甚好。     

非牛顿流体在搅拌槽内传热的研究——蛇管冷却体系

基于搅拌槽内所有壁面的平均扭矩与搅拌桨旋转扭矩近似相等的关系,并引入流况系数f的概念,提出了比以在研究者所用模型适用面更广,所得传热关联式精度更高的新的剪切速率模型: r=0.4~(1/n)N~[2-f(2-n)]/n f=exp(-0.00705d~2N~(2-n)ρ/K)用不同直径的平板桨和半椭圆片桨,经过320次实验,得到了搅拌槽壁侧和蛇管侧的给热系数关联式: Nu_j=0.42Re~(*2/3)Pr~(*1/3)ViS~(1/6)(d/D)~(0.414) Nu_c=0.039Re~(*2/3)Pr~(*1/3)ViS~(1/6)(d/Dc)~(0.028)式中,广义雷诺数Re~*为 30—1.86×10~4,广义普朗特数 Pr~*为 40—6500。两关联式的平均偏差分别为9.4％和10.5％。可供设计工业搅拌槽时使用。     

非牛顿流体的非等温搅拌流动

采用流线迎风Petrov-Galerkin(SUPG)有限元解能量方程与一般Galerkin有限元解动量方程相结合的方法对Carreau流体的非等温搅拌流场进行了数值模拟。并与牛顿流体等温搅拌流动的相应结果作了比较,表明剪切变稀和温度效应对搅拌流动的流型、温度分布产生很大的影响。冷模试验结果应用于热模工况时会产生较大的误差。     

非牛顿流体在叶片式静态混合器中的传热强化特性

非牛顿流体在化学、食品和材料等领域具有关键作用,但高表观黏度使其通常具有低传热特性。叶片式静态混合器作为一种高效的传热强化设备,在化工过程强化中具有鲜明的技术特色。本文针对非牛顿流体在Kenics静态混合器（KSM）和Lightnin静态混合器（LSM）内的流动和传热特性进行了比较研究。重点分析了体积流量、元件长径比及流体浓度等参数对羧甲基纤维素（CMC）幂律流体的流动及传热影响。结果表明,在相同工况下,随着CMC溶液的体积流量增大,管道内的换热系数和压降均增大。静态混合元件的插入使得换热系数和压降显著提高且Lightnin元件产生的影响更明显。元件长径比和CMC溶液浓度影响流体在管道内的流动和换热。随着长径比的减小,传热性能得到提高,但其增大的阻力系数影响占据主导地位,综合换热性能系数（PEC）降低。溶液浓度的增大使得管道换热能力逐步削弱,并对管道内压降的提升有显著影响,综合换热性能降低。总结得出,在体积流量为4.5×10-4m3/s,质量分数为0.374%、长径比为3.0时,KSM的PEC最大为2.114。     

假塑性非牛顿流体搅拌功率的计算

本文对假塑性非牛顿流体搅拌功率的计算作了介绍。     

高粘性非牛顿流体搅拌的研究

本文研究了双螺带搅拌器和另外两种新型搅拌器(收缩桨式、交叉桨式)在非牛顿流体中的搅拌特性,试验比较认为,交叉桨为比较理想的桨叶形式。利用回归组合设计,找出了交叉桨式搅拌器无因次混合时间与几个设备参数之间的关系,通过优化运算得到了最佳参数,并研究了交叉桨在粘弹性流体中的搅拌特性。     

卧式双轴T型搅拌器在非牛顿流体中的搅拌功率特性

考察了卧式双轴Ｔ型搅拌在非牛顿流体中的搅拌功率与表观雷诺数（Ｒｅ＾＊）、弗劳德数（Ｆｒ）以及加料量的变化关系,实验结果表明：Ｍｅｔｚｎｅｒ常数Ｋｓ随加料量的减少而急剧增加;在层流区域,Ｎｐ．Ｒｅ＝Ｋｐ关系仍然成立且非牛顿流体功率曲线与牛顿流体重合。对实验数据进行关联得到了非牛顿流体搅拌功率准数关联式。     

通气式搅拌槽的传热特性

研究了通式搅拌槽槽壁给热系数（ｈｗ）随通气速率和搅拌转速变化的规律和机理，在搅拌过程中存在一个临界转速，它决定了通气是增大还是减小ｈｗ。通过引入综合反映操作条件对ｈｗ影响的无因次数Ｈｚ，获得了一个偏差较小并且简单实用的ｈｗ半经验关联式。     

非牛顿流体管板式换热器的传热特性

对管板式换热器在Re<2、270条件下中、高粘非牛顿流体传热进行了研究,并给出相应的关联式,传热数据处理采用修正Wilson算法。为了减少流动不均一分布对实验结果的影响,本文用测温法对换热器内流体流动分布进行了研究。     

氨基酸在非牛顿流体中的扩散

The amino acids are necessarily nutritious components, their diffusions in body fluid and blood that belong to typical non-Newtonian fluid are of virtual importance to control the diffusive process and help clinical treatment. In this article, a holographic interferometer has been adopted to measure the diffusivity of amino acids in non-Newtonian fluid with the use of real-time holographic interference technique. In order to prove the reliability of the experimental instrument, the diffusivities of sucrose aqueous solution at 298.15K were determined. The meas- ured result displays a satisfactory accuracy of the apparatus used. Furthermore, the diffusion coefficients of glynine, L-serine, L-threonine and L-valine in polyacrylamide （PAM） aqueous solution at 298.15K were measured, respec- tively. The experimental data were fitted by a newly proposed correlation equation based on Li＇s predictive model. The calculating results by the present model are at considerably good agreement with experimental values, and the maximum average deviation is only 0.5%.     

国内高粘非牛顿流体传热研究现状

概述了国内研究者在高粘非牛流体传热方面研究的内容、特点及所取得的成果。     

非牛顿流体的搅拌功率(上)

绝大部分聚合物都是在搅拌釜内生产的,其中不少属于非牛顿流体。对该流体在搅拌釜中的行为的研究,大致有如下内容:搅拌功率,自从Metzner等人发表有关文章以来,这方面的研究极为踊跃;传热问题;混匀时间。     

搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性

在直径为0·476m的搅拌槽内,分别选用三窄叶翼型搅拌桨和标准六直叶涡轮搅拌桨,采用羟乙基纤维素(HEC)水溶液非牛顿流体作为工作体系,以改进的硫酸铜沉降反应与氯乙酸乙酯水解反应的平行竞争反应作为研究微观混合的反应工作体系,在质量分数为0·1%~0·5%的HEC水溶液中,排除硫酸铜副反应的影响,利用铜离子质量浓度与可见光吸光度的线性关系,考察了进料时间、搅拌转速、溶液黏度、流体的非牛顿性以及搅拌桨类型等因素对副产物收率(XQ)的影响规律。结果表明,当进料时间超过临界进料时间3500s后,X_Q不再改变;随着搅拌转速的增加,X_Q减小,但其减小的趋势逐渐变缓;在相同转速下,X_Q随着流体黏度的增加而增加,但增加的趋势有所减缓;对于黏性流体不能仅仅采用雷诺数作为放大准则;在相同的能量耗散速率及桨叶区进料的情况下,Damkohler准数较大的标准六直叶涡轮搅拌桨的X_Q较小。     

非牛顿流体搅拌流场的数值模拟研究进展

对非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中的控制方程、旋转桨叶的处理以及数值计算方法三个方面进行了综合论述。阐述了广义牛顿流体模型形式简单、计算量低,在非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中应用广泛;黏弹性流体本构方程具有高度的非线性,采用计算流体力学(CFD)方法对其搅拌流场进行数值模拟难度较高,目前仍处于起步阶段;通过合理简化黏弹性流体本构方程以及采用恰当的数值离散方法,有助于在黏弹性流体的搅拌流场数值模拟中取得进展。     

搅拌法测定非牛顿流体流变特性的研究

本文提出一种新的测试方法,即利用搅拌法测定非牛顿流体的流变特性。对该测试技术,理论上进行了阐述和推导,且用实验进行补充和验证,最后给出了完整的测试步骤。该法特别适用于某些“难处理”物料的流变性质测试。测定结果精度完全满足为工程研究提供基础流变数据和工业生产监控应用上的需要。