CN103791764A - 一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置。包括换热设备、一组及其以上的极性相反的磁铁组，通过由极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，导电流体通过该局部磁场时由于诱导电流和该磁场的相互作用会在局部空间产生洛仑兹力而使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层,减薄层流底层，同时稳定涡流或周期性的脱落涡会诱导通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的。本发明不仅具有无流动死区、系统简单、拆卸方便、成本低等特点，而且还具有在局部高热流密度和腐蚀性流体等场合适用特点。

Description

一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种新型非接触式涡流发生器的强化换热装置，属于工业能源换热设备领域。
背景技术
高效合理的能源利用和高热流量的快速有效疏导广泛存在于化工、冶金、海上、航空航天、发电厂和热核聚变反应堆等工程应用中。如燃气涡轮发动机中高热流量的快速疏导就非常重要，由于涡轮叶片紧挨着燃烧室，其所处的环境温度相当高(局部温度可达2000K)，而且涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作，其离心力场非常高，因此要保证叶片在这种恶劣的工况下正常稳定的工作，就必须对涡轮叶片进行强有效的冷却。而短扰流柱排在这种以空气为冷却介质的内冷结构中就成为非常重要的强化换热手段。在工业应用中绝大部分的能源利用都是通过各种换热器来实现的，即需要高效合理的能源利用，这在石油、化工、动力、食品、轻工、制药、航空及其他许多工业部门中极其关键。由于在初级能源消费中，大约80%的能源要经历传热和换热设备，因此这些设备性能的优劣将直接影响到整体生产工艺和产品的指标。而传热设备热性能的提高、传热温差的降低和泵功耗的减小都必须通过强化换热的方式实现。由上述两例强化换热在工业中的应用可知，强化传热技术对于提高换热效率和高效节能都起着关键的作用。
对流强化换热技术大体可以归纳为两类:被动强化换热技术和主动强化换热技术。被动强化换热技术不需要外界提供动力，如凹槽、翅片、湍流发生器、内插物、肋片等。主动强化换热技术则需要外界提供动力，如外加电场或磁场、流体中加入添加物、机械振动等。这两种强化换热方式的机理基本上都是通过产生局部扰流来破坏流动边界层，进而减薄层流体边界层或加强边界层流体扰动或者使通道内流体旋转产生涡流和二次流，激励边界层内流体和主流区流体的混合。而且随着强化换热技术的不断更新发展，近年来通过涡流发生器来实现强化传热备受人们的关注。通常，涡流发生器按其形状可以归为两类：翼型和绕流柱/体型，常见的翼型涡流发生器有三角形翼、矩形翼和梯形翼等。绕流柱/体型涡流发生器有圆柱体、椭圆柱体等。然而，目前利用涡流发生器强化传热过程中都需要借助外部设备来对设备内的流场进行扰动或增加设备内的有效换热面积。因此涡流发生器在强化通道内对流换热系数的同时也会因扰流设备的引入而增加额外的形体阻力和摩擦阻力，这必然导致流动损失和能耗的增加。这时主动强化换热技术就显得尤为重要，特别是对于导电流体和一些强腐蚀性场合。
发明内容
本发明针对上述问题的不足，提出一种不仅具有无流动死区、系统简单、拆卸方便、成本低，而且还具有在局部高热流密度和腐蚀性流体等场合适用的显著优点的非接触式涡流发生器强化换热方法。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种非接触式涡流发生器强化换热方法，由极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，导电流体通过该局部磁场时由于诱导电流和该磁场的相互作用会在局部空间产生洛仑兹力而使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层, 减薄层流底层，同时通过稳定涡流或周期性的脱落涡使通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的。
本发明还提供一种非接触式涡流发生器强化换热装置，包括换热设备、一组及其以上的极性相反的磁铁组，所述换热设备开设有设备进口和设备出口，所述设备进口和设备出口用于导电流体流进和流出，而所述磁铁组分别安装于在换热设备的外壳上。
进一步地：还包括隔热层，所述隔热层设置于磁铁组和外壳之间。
优选的：所述磁铁组在外壳上成平行阵列或交叉阵列。
优选的：所述磁铁组的中心连线均与导电流体流动方向相垂直。
优选的：所述磁铁组中磁铁均相互平行，所述磁铁组中磁铁的大小均相同。
优选的：所述磁铁组中磁铁的形状为长方体形或圆柱形。
本发明的一种非接触式涡流发生器强化换热方法，相比现有技术，具有以下有益效果：由于采用极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，当导电流体通过该局部磁场时，由于局部空间洛仑兹力的作用会使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层, 减薄层流底层，同时通过稳定涡流或周期性的脱落涡使通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的，因此其利用外部局部磁场替代固体扰流柱的方式来产生稳定涡流或周期性的脱落涡，同时流体流动通道中也无需引入固体障碍物，因而其不仅具有无流动死区、系统简单、拆卸方便、成本低等特点，而且具有在局部高热流密度和腐蚀性流体等场合适用的显著优点。
本发明的一种非接触式涡流发生器强化换热装置，相比现有技术，具有以下有益效果：1. 由于设置有换热设备、一组及其以上的极性相反的磁铁组，所述磁铁组分别安装于在换热设备的外壳上，因此当导电流体通过该局部磁场时，由于局部空间洛仑兹力的作用会使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层, 减薄层流底层，同时通过稳定涡流或周期性的脱落涡使通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的，因而其利用外部局部磁场替代固体扰流柱的方式来产生稳定涡流或周期性的脱落涡，同时流体流动通道中也无需引入固体障碍物，从而其不仅具有无流动死区、系统简单、拆卸方便、成本低等特点，而且具有在局部高热流密度和腐蚀性流体等场合适用的显著优点。
2.由于设置有隔热层，因此能够防止磁铁组被高温去磁，提高了磁铁的使用寿命和质量，从而降低了成本。
3.由于所述磁铁组在外壳上成平行阵列或交叉阵列，因此能够更有效的强化换热。
附图说明
图1是非接触式涡流发生器强化换热装置的结构示意图；
图2是导电流体流过永磁体形成的局部非均匀磁场时形成的涡结构示意图；
图3是涡流发生器阵列；
其中： 1.磁体组,2.换热设备壳体，3.设备进口, 4.设备出口,5.设备高度, 6.流体流动方向，7.洛仑兹力方向，8.诱导电流方向，9.外磁场空间分布，10.内部磁涡, 11. 连接涡，12. 附着涡, 13. 导电流体。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例
一种非接触式涡流发生器强化换热方法，由极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，导电流体通过该局部磁场时由于诱导电流和该磁场的相互作用会在局部空间产生洛仑兹力而使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层, 减薄层流底层，同时通过稳定涡流或周期性的脱落涡使通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的。
一种非接触式涡流发生器强化换热装置，如图1-3所示，包括换热设备、一组及其以上的极性相反的磁铁组，所述换热设备开设有设备进口和设备出口，所述设备进口和设备出口用于导电流体流进和流出，而所述磁铁组分别安装于在换热设备的外壳上。
还包括隔热层，所述隔热层设置于磁铁组和外壳之间。
所述磁铁组在外壳上成平行阵列或交叉阵列。
所述磁铁组的中心连线均与导电流体流动方向相垂直。
所述磁铁组中磁铁均相互平行，所述磁铁组中磁铁的大小均相同。
所述磁铁组中磁铁的形状为长方体形或圆柱形。
本发明的原理：
导电流体流过外加非均匀局部磁场时会产生诱导电流，该诱导电流与局部磁场相互作用会在流体局部区域内产生一个与流动方向相反的非均匀洛仑兹体积力。当导电流体流过该区域时，将减速停滞甚至出现回流，形成稳定的双涡结构或六涡结构，即在流体中产生一个虚拟涡流发生器。该发生器可以起到与圆柱形涡流发生器相类似的作用，且在局部磁场出现的区域不仅不会有无流区存在，在局部磁场内部还会有一对旋转方向相反的涡漩存在，因而不会引起局部换热壁面的裸露；其次，在流道外部施加非均匀局部磁场是对流动进行非接触性的主动控制，因此流体中没有实际钝体存在，也就没有了流体与钝体之间的摩擦阻力。同时也不会像实体钝体一样阻碍遮挡流体的通过，而造成较大的流动损失, 因此这种新型非接触式涡流发生器/涡流发生器阵列在工业应用上具有重大意义。
具体的：
由平行相向放置的极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，导电流体通过该局部磁场时由于局部空间洛仑兹力的作用会使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡（即形成涡流的下扫运动），同时流体流动通道中也无需引入固体障碍物。其装配图如图1所示，涡流空间分布如图2所示。而且对于大尺度的换热设备涡流发生器阵列更有效（如图3所示）。
上述的非接触式涡流发生器安装在换热设备的外部，可以根据需要拆卸或增加涡流发生器组。
上述的非接触式涡流发生器，主要是通过在流体中产生旋流和诱导二次流来引起流动的不稳定性并导致漩涡的自激波动因而强化对流传热与传质。
由一组或几组经隔热层材料平行相向而放的永磁体安装在换热设备的壳体上，可在空间产生非均匀分布的外磁场，当导电流体流过该局部非均匀外场时，由于非均匀洛仑兹体积力的作用，导电流体会发生停滞甚至出现回流进而形成三种不同类型的流动结构：稳定的双涡结构、稳定的六涡结构（双涡结构、连接涡和附着涡同时存在）和不稳定涡脱落Karman vortex street-附着涡出现类似圆柱绕流中的周期脱落，即在流体中产生涡流的下扫运动。这些涡流和由此诱导的二次流会引起流动的不稳定性并导致漩涡的自激波动而强化对流传热与传质。即在流体中产生一个虚拟涡流发生器（如图2所示），该涡流发生器所形成的涡在空间上以螺旋状涡结构分布，涡旋可以强化主流区与边界层区流体之间的动量和能量交换从而进行强化传热。
通过对来流强度的估测，可以选取适当的永磁体安装在换热设备的外部，也可也根据设备的尺度选取几组涡流发生器组成平行或交叉阵列（如图3所示）而实现更有效的强化换热。
本发明的非接触式涡流发生器强化换热装置是针对导电流体而言，导电流体通过该装置时会在洛仑兹力的作用下偏离主流方向并形成涡流，同时本发明无需在设备通道中安置固体障碍物，可以根据需要拆卸或增加更多组涡流发生器（如图3所示）。且这种装置对紧凑和微小型换热设备而言更实用。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (7)

1.一种非接触式涡流发生器强化换热方法，其特征在于:由极性相反的永磁体提供局部非均匀外磁场，导电流体通过该局部磁场时由于诱导电流和该磁场的相互作用会在局部空间产生洛仑兹力而使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流或周期性的脱落涡；然后通过稳定涡流或周期性的脱落涡破坏流体流动边界层, 减薄层流底层，同时通过稳定涡流或周期性的脱落涡使通道内流体旋转并产生二次流，增加边界层内的流体和主流区流体的混合程度而达到强化传热传质的目的。
2.一种基于权利要求1所述的非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：包括换热设备、一组及其以上的极性相反的磁铁组，所述换热设备开设有设备进口和设备出口，所述设备进口和设备出口用于导电流体流进和流出，而所述磁铁组均安装在换热设备的外壳上。
3.根据权利要求2所述非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：还包括隔热层，所述隔热层设置于磁铁组和外壳之间。
4.根据权利要求3所述非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：所述磁铁组在外壳上成平行阵列或交叉阵列。
5.根据权利要求4所述非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：所述磁铁组的中心连线均与导电流体流动方向相垂直。
6.根据权利要求5所述非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：所述磁铁组中磁铁均相互平行，所述磁铁组中磁铁的大小均相同。
7.根据权利要求6所述非接触式涡流发生器强化换热装置，其特征在于：所述磁铁组中磁铁的形状为长方体形或圆柱形。
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