CN1022440C - 物料与气体之间热传导的增强方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增强固体或液体物料与环境气体之间的热传导的一种方法和设备。热传导是通过使气体进入低频声驻波所产生的振动状态并将物料放在声波振动幅度最大的位置来增强的。实施该方法的设备包括一低频声波发生器，该声波发生器则包括质点速度发生器部分4、5、23、24和谐振器部分2、3、21、22。谐振器部分2、3、21、22在位于低频声波的显示出体积速度为波腹的区域设有一个孔口，热传导待增强的物料即通过该孔口而输送。

Description

本发明涉及增强固体或液体物料与环境气体之间的热传导的一种方法和设备。热传导是这样增强 的：使气体产生低频声驻波的振动，再把物料放在声波振动量最大的部分中。

例如从暖物料至环绕物料的空气流的热传导，其根本问题是，当气体流速低时，从物料传递至气流中的单位面积的热量低。为使传递的热效应提高，气体流速要求提高，这意味着需要加大气流量。但与此同时，气流中的温升很轻微。随着气流的变大，冷却费用变高，由于温升轻微，使我们难以利用热空气中的能量。

从V.B.列宾在1981年9-10月号第5期《应用力学与技术杂志》第62-72页中所写的题为“低频振动圆筒的热交换”一文中早就知道，在气体中产生声场可以增强热传导。此外，早先也都知道，如果这类声场是低频的，则大有好处。

显然，从声场中的两个参数一声压和质点速度知道，增强热传导的参数是质点的速度。此外，还有一点也是很明显的，即热传导随着质点速度的增加而增强。现有技术利用低频声波加热或冷却物体的方法之所以没有实用价值，其原因在于迄今还没有任何实用的方法或装置可以在希望冷却或加热的物体的整个表面产生质点速度相当高的声波。

本发明的目的就是要解决上述问题，并提出一种的方法和设备，将从物料传递到环境气体中的单位面积的传热效率提高。不是将气体高速抽到物料表面，而是使环境气体低频振动来增强热传导。

为阐明本发明的内容，下面就本发明有关冷却从线材轧机出来的线材的一个实施例以及有关冷却水泥熟料的一个实施例进行说明。当然本发明还可以包括该方法和设备的其它实施例。

钢丝离开轨机时，其温度约为850℃，为运送这些钢丝，必须将其冷却到300℃。目前采用了一系列不同的方法来进行这种冷却。其中一个方法是将钢丝在滚轴输送机上做成直径约1米的螺旋环，再令钢丝以大约0.5米/秒的速度往前传送，同时用滚轴输送机底下的多个大风机往钢丝上吹送冷却空气。为冷却到所希望的温度，冷却距离需要60米左右。

现有技术的这种方法固有的一些缺点主要是这种装置既昂贵又极其笨重，而且还必须给现场大量通风，既消耗大量电力，又给环境在通风、气温调节和使空气充满灰尘等方面带来了不利条件。还有这样的缺点，即这种冷却方式，从冶金的观点看，总不够迅速，而且不均匀，热钢丝的整个热量都损失掉了。

从下面关于附图的简短说明更容易理解本发明的性质及其它方面。

图1示出了在一般气流中的一个固体;

图2示出了在有亚声场的气流中的一个固体;

图3示出了用低频声波冷却金属线材的一个设备;

图4示出了用低频声波冷却水泥熟料的一个设备。

如上所述，如果能借助于在气体中产生的声驻波使气体往复运动，则可以在物料表面与环境气体之间达到增强热传导的目的。图1示出了气流中的一个温度为To的固体物料。气流的质点用一个点表示，空气质点在各个不同时刻的位置用t₁-t₇表示。气流通过物料之前的温度为T₁，通过物料之后的温度为T₂。图2示出了处在同样的气流中但受亚声波作用的同一个固体物料。这里空气质点在不同时刻的位置也用t₁-t₇表示。显然，由于低频声波所产生的气流脉动，各空气质点通过固体物料不只是一次而是多次。若物料的温度比气流温度高，则空气质点每通过固定物料一次就会多吸收一次热量，于是物料的温度就相应地降低了，这样就增强了热传导。

在声驻波的某些部分中，气体振动的速度（即所谓质点速度）高，而压力的变化（即所谓声压）轻微。在其它一些部分则压力变化大，而振动速度低。在某些地方，质点速度和声压就这样随时间而变化，而在理想情况下会作正弦振动。质点速度和声压的最大值分别用各相应振动的振幅表示。通常，假定质点速度的振幅处于最大值（即处在所谓质点速度的波腹），同时，假定声压的振幅处于最小值（即处于所谓声压的波节上）。

根据上面所述的情况，为获取最大的热传导增强效果，总希望质点速度尽量高。在一个声驻波中，可能有好几个点其质点速度的振幅处于最高位置。在长度相当于四分之一或半个波长的声驻波中，质点速度的振幅只在一个点上处于最高位置。因此，为使热传导的增强效果尽可能高，产生热传导的表面应安置在尽可能靠近质点速度的波腹位置上。

在本发明的方法中，图2所示的固体或液体物 料与气体之间热传导的增强是通过在一个或多个声波谐振器中产生低频声驻波而实现的。这里低频声波一词是指频率在50赫或50赫以下的声波。之所以对50赫以上的频率不大感兴趣是因为在高频情况下密闭的半波谐振器的尺寸小得使整个装置因其能力低而不受欢迎。鉴于在更低的频率下可能会产生破坏性的声衰减，因而最好采用30赫或更低的频率。在该频率下，可以认为干扰因素是微乎其微的。声波谐振器的长度最好相当于所产生的低频声波的半个波长，但也可采用其它设计的声波谐振器。声波是通过安置在谐振器中声压波腹处的所谓质点速度发生器（exigator）所产生的空气脉冲获得的。这里质点速度发生器一词是用以表示低频声波发生器在谐振器中高声压占优势的一点产生质点速度的那部分，可参看例如瑞典专利446157和瑞典专利申请8306653-0、8701461-9和8802452-6。在谐振器中某处会出现一质点速度的波腹，与声压的波节同时出现，而在该位置，谐振器管可以是开口的。上述热传导的表面即通过该开口前移。因此，该表面就位于上述低频声驻波的质点速度的波腹处。稳定的空气流流过谐振器的管子，气流的一部分来自质点速度发生器排放出来的驱动空气，气流的另一部分来自流入热传导表面行进所通过的孔口的空气。也可以采用专用的冷却风机。当热传导表面通过谐振器的管子时，一部分为稳定空气流所扫掠，一部分为声驻波所产生的振荡空气流所扫掠。若声波质点速度的幅度远大于稳定空气流的速度，且若声波的运动幅度远大于热传导表面的厚度时，则空气中的同一个体将会通过热传导表面若干次。这意味着空气受热或冷却的程度要比只有稳定空气流扫掠热传导表面时大得多。结果，在给定时间内的该表面与空气之间的热传导要比通常条件下强。

采用在声驻波的声压波节中的叠加的空气运动的一个好处是使产生空气振动的方法相当简单。采用声驻波的另一个好处是可以使高速振荡的空气运动只发生在热传导表面所在的位置。在系统的其它部分，空气速度高只能带来摩擦损失。

现在参看图3所示的钢丝冷却装置的实施例以便更详细地介绍实施本发明方法的一个设备。

低频声波由一个或多个低频声波发生器产生，该声波发生器由质点速度发生器部分和谐振器部分组成。在谐振器管内出现声驻波，在该声驻波的声压最低处为声压波节。谐振器管有一个孔口，波节就位于该孔口处，该孔口设计成使钢丝可以通过谐振器管，从而受到受亚声波作用的冷却空气的冷却。图3更详细地示出了钢丝冷却设备，在该设备中，待冷却的钢丝可以通过受低频声波作用的冷却台1。在声学上，该装置实际上是一个密闭的系统。按一般使用情况，将钢丝摆在滚轴输送机或其它输送带上传送，并且在垂直于纸面的平面上匀速穿过冷却台。冷却台上配置有两个管式谐振器2和3，它们的开口端在冷却台上方送气。谐振器的长度最好相当于所产生的声波的四分之一波长。各谐振器的另一端有所谓质点速度发生器4和5。该质点速度发生器可以是瑞典专利申请8802452-6中所述的那种。质点速度发生器4和5与谐振器2和3一起形成了低频声波发生器。两个质点速度发生器4和5通过同一个驱动轴共同由电动机驱动，并且使其工作时两者之间的相位差为180度。由于两个质点速度发生器是反相工作的，因而每个谐振器中都会产生相同频率的声驻波。于是两个四分之一波型的谐振器在一起形成了一个半波型的谐振器，其谐振频率与单个谐振器的谐振频率相同，并产生单个共同的声驻波。

冷却空气是由冷却风机12提供的，该风机经两谐振器之间的两个管道7和8将冷却空气送到冷却台。两个管道下面都有一个发散的开口，中间隔着谐振器管子的公共壁。两个谐振器管的下部之间有一个突出部分9，大致处于谐振器管的冷却空气管道的出口下方。该突出部分顺着谐振器管的下部之间延伸而成一个膨胀的突起。该锥形突出部分的顶部固定在两个冷却空气管道的公共壁上，而其弯曲部分是该壁的延伸部分，因而，这个壁就分成了两个壁。借助于该突出部分，在空气受到低频声波作用的谐振器管的最下部就可以获得良好的冷却气流特性。为使冷却气流更好，且为减少毗邻锐边的声波质点速度可能产生的噪音的不良作用，在各相应冷却空气管道与谐振器管的公共壁处位于冷却空气管道内的内侧设有曲板10和11。突出部分9的底面基本上是个平面，它弯向冷却台，这具有使冷却空气沿突出部分底面往复振荡的作用，从而使冷却台及放在其上的钢丝比在没有突出部分的情况下有更大的部分暴露在冷却空气中。此外还具有这样 的好效果，即对于躺着运送的钢丝螺旋环，其更密集的部分（亦即为使钢丝质量均匀而需要更强冷却作用的部分）处于冷却台外部边缘的具有更强冷却作用的部位。

经加热的冷却空气借助于例如可安置在冷却台底下的风机13除去，且可抽取其热量用于各种用途，例如可令它通过热交换器。

为进一步提高冷却效果，可往适当的冷却区附近的冷却空气中喷水。

吸取物料所产生的热量可以不用冷却空气，而是在冷却区附近装设对流表面，例如装有诸如冷却水、氨、氟里昂之类的流动冷却剂的管系。令该管系构成热交换器系统的一部分还可以利用物料所放出的热量。

图4示出了增强例如在传送带上运送的热水泥熟料20的冷却效果的一个实施例。这种装置在声学上不是密闭的系统。不然的话，也可以令该设备按钢丝冷却设备相同的方式进行工作，不同之处在于具有各自的质点速度发生器23、24的两个谐振器21、22和电动机25都装在运送水泥熟料的传送带底下。同时，由于待热传导的表面系安置在质点速度的波腹处，它对声驻波来说是个障碍物。在这种情况下，水泥熟料是比图3中的钢丝大得多的障碍物。若阻抗过大，则谐振器的谐振锐度变差，亦即质点速度波腹的幅度与波节之间的关系分别减弱。应该理解的是，在有迹象表明损耗大的情况下，是没有理由借助于长谐振管来产生声驻波的。通过将质点速度发生器安置得离质点速度波腹处近一些可以缩短谐振管的长度。

上述实施例中的那种开口式谐振器给我们一个启示，即当谐振器向外开时（即在其孔口处），质点速度的幅度急刷下降。即使在采用四分之一波谐振器的情况下，在谐振器的开口端也还会有质点速度波腹，这可能是难以辨认的。另一方面，声体积速度是不受谐振器直径的影响而保持其正弦波形的，该波形周期性地与质量速度的振幅一致。因此，判定体积速度的波腹部位从而获知最强热传导的区域可能更加方便和简单。

在本发明的上述实施例中，仅就冷却过程的形式来说明如何增强热传导，但本发明当然也可用于其它希望增强热传导的过程，例如冷冻、加热、干燥等过程。本发明应用领域的其它例子还有挤压铝材或塑料靠模的冷却等。

Claims (23)

1、一种借助于声波增强环境气体与固体或液体物料之间热传导的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

产生至少具有一个体积速度波腹的低频声驻波；

将所述物料的表面放置在声波的靠近一个体积速度波腹的区域。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料的至少两个尺寸远小于所述声波的四分之一波长。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料的所有尺寸远小于所述声波的四分之一波长;且物料是穿过声波而输送的。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表面包括物料总表面的一部分表面，且物料的尺寸之一不远小于所述声波的四分之一波长。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤穿过所述声波传输所述物料，物料表面的各部分逐步暴露在声波中。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述物料是需进一步冷却的热轧钢丝、挤压铝材或塑料靠模之一。

7、如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括在热传导过程中的冷却步骤，这时环境气体的冷却能力是通过加到气体中的液体的蒸发来提高的。

8、如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，声波是加到管道外侧的常设的对流表面上的;且该方法还包括在管道中通以冷却水、氨、氟里昂之一的冷却剂的步骤。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述管道构成了可连接到热交换器系统的闭路管系。

10、如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述热传导是一干燥过程。

11、一种用以实施权利要求1的方法的设备，具有一低频声波发生器，该声波发生器包括一质点速度发生器部分和一谐振器部分，其特征在于，谐振器部分具有一孔口，该孔口位于低频声波的显示出体积速度为波腹的区域，热传导待增强的物料即通过该孔口而输送。

12、如权利要求11所述的设备，其特征在于，谐振器部分包括两个管式谐振器，其长度都相当于所产生的低频声波的四分之一波长，且这两个谐振器的谐振频率相同，并形成为一个共同的谐振器。

13、如权利要求12所述的设备，其特征在于，两个管式谐振器的每一个都具有一质点速度发生器，且所述两个质点速度发生器以反相工作，从而在两个管式谐振器中产生一公共的低频声驻波。

14、如权利要求13所述的设备，其特征在于，两个管式谐振器彼此相邻配置，从而使其位于其端部的背离各相应质点速度发生器的孔口彼此连通。

15、如权利要求14所述的设备，其特征在于，在两个管式谐振器之间的它们的孔口处装有一个突出部分。

16、如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述突出部分基本上呈锥形，底面是个平面，受低频声波作用的冷却空气即沿该突出部分流动。

17、如权利要求16所述的设备，其特征在于，冷却空气系通过位于管式谐振器之间的一个或多个分散的冷却空气管道而输送。

18、如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述突出部分使冷却空气在管式谐振器孔口附近的冷却空气受低频声波作用处偏转而进入管式谐振器中。

19、如权利要求17所述的设备，其特征在于，在各冷却空气管道的面向相应谐振器管的内侧分别设置了一个曲板，从而改善了冷却空气流。

20、如权利要求11-19所述的设备，其特征在于，用通有诸如冷却水、氨、氟里昂之类冷却剂的管道外侧来形成一个对流表面。

21、如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述管道构成了连接到热交换器系统的闭路管系的一部分。

22、如权利要求20之一所述的设备，其特征在于，待冷却的物料系在滚轴输送机、传送带等上面不断地通过谐振器的孔口而输送。

23、如权利要求20所述的设备，其特征在于，该设备是一个声学上实际密闭的系统。

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