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。     

带刮壁片的回转兼上下往复式搅拌器对非牛顿流体的传热

本工作研究了交叉桨和分别带不同刮壁片的六种回转兼上下往复式搅拌器(简称复动式搅拌器)对非牛顿流体的传热特性。带刮壁片复动式搅拌器有较高的传热效率,在同样能耗下,它的给热系数分别比双螺带搅拌器和交叉桨复动式搅拌器提高 25％和 40％。上述六种复动式搅拌器的传热关联式为: Nu=β_1Re~(*a_1)Pr~(b_1)Vis~(c_1) (1) Nu=β_2(εD~4/v_a~3)~a_2Pr~(b_2) (2)式中 a_1=0.5,a_2=0.25,b_1、b_2=1/3,c_1=0.14。依不同桨叶,β_1分别在0.46至0.67范围内,β_2则在 0.20至 0.28范围内。两式的标准偏差<14％。式(2)因采用了εD~4/v_a~3关联,使刮壁片的安装方法不同而引起的系统偏差可以消除,故更为合理。在无孔或有孔铜刮壁桨,宽、无孔铜刮壁桨,无孔或带沟尼龙刮壁桨等五种桨型中,以无孔铜刮壁桨最好。     

回转兼上下动搅拌器混合非牛顿流体时的功率消耗及混合特性

用回转兼上下动搅拌器混合高粘度牛顿流体和非牛顿流体时,在层流域测定了功率数K_P、混合时间T_M和Metzner常数K_S。结果表明:该搅拌器的功率消耗可关联成N_P·Re~(**)=K_p/K_s~(1-n),使牛顿流体和非牛顿流体达到同样的混合效果;其能耗与通常的双螺带搅拌器相比,分别降低80％和65％以上,因而是一种值得推广的高效节能搅拌器。     

非牛顿流体在搅拌槽中的层流传热

在高粘度非牛顿流体 CMC中,测定了 4种不同几何尺寸的锚式搅拌器在槽壁侧的传热膜系数及槽中的温度分布,得到总的传热关联式: a_jD/λ=2.60(d~2Np/μ_a)~(1/3)(C_pμ_a/λ)~(1/3)(μ_a/μ_(aw))~(0.2× ×(d/D)~(1.80)(h/D)~(0.72)(b/D)~(-0.24)得到此式的实验点为271个。采用该式时的平均相对偏差为11.1％,计算值和文献值相当吻合。当Re<10时,槽中温度的标准偏差△T高达 2℃,且随 Re的变化而剧烈改变。锚式搅拌器只宜在 Re>10的场合使用,此时,△T为0.2—0.5℃,并且随Re的变化较缓慢。     

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。     

高粘度非牛顿流作用搅拌器的混合特性

对高粘度非牛顿流体,在层流域测定了双螺带-锚、内外单螺带-锚、田螺带-锚、交叉斜桨(MIG)-锚、椭圆板-锚、框-螺带-锚和偏框-锚等七种搅拌器的混合时间,研究了它们的混合特性。确认在上述搅拌器中,内外单螺带-锚搅拌器的混合性能最佳,混合时间随流体的流动行为指数n值的降低而增大。     

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。     

回转兼上下动搅拌器在过渡流域的搅拌功率及混合特性

测定了回转兼上下动搅拌器在过渡域的搅拌功率及混合时间,表明该搅拌器在过渡域仍有很高搅拌效率。用两种尺寸搅拌槽对搅拌功率进行放大。通过锚式、透平和复动式搅拌器对高聚物PVA溶解速率及溶解能耗的测定,发现复动式搅拌器对高聚物溶解效率最高。