傳熱學(xué)課程設(shè)計(jì)

傳熱學(xué)小論文傳熱學(xué)小論文能源學(xué)院

安全工程09級(jí)2班

郝健池0903070230

董一凡0903070233

李會(huì)0908060214加速液體冷卻【0】摘要：夏天，常常將飲料容器至于冰水中來(lái)冷卻飲料。為了加速冷卻，有人提出了這樣一個(gè)專利：將飲料殼體繞其軸線在冰水中做轉(zhuǎn)動(dòng)。如果能實(shí)現(xiàn)飲料瓶或易拉罐繞其軸線的純轉(zhuǎn)動(dòng)，分析這樣的方法能否加速飲料的冷卻？AbstractInthesummer,weoftenputthedrinkintotheicewatertocooldrink.Inordertoacceleratethespeedofcooling.Somebodyputforwardsuchapatent:Beverageshellarounditsaxisintheicewatertodorotation.Ifyoucanachieveapurerotationofthebeveragebottlesorcansarounditsaxis,theanalysisofwhetherthismethodcanacceleratethecoolingofdrinks?關(guān)鍵詞：熱傳導(dǎo)【1】、對(duì)流傳熱【2】、流體外掠等溫平板【3】。KeywordsThermalconductivity,Convectiveheat,Fluidoutsidethesweepandisothermalplate引言：1、 問(wèn)題的背景：用溫度低的液體來(lái)冷卻溫度高的罐裝液體。2、 提出問(wèn)題：罐靜止放在冷水中冷卻快還是將罐繞其軸線作純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)罐內(nèi)飲料冷卻得比較快？3、 文獻(xiàn)綜述：至今對(duì)大多數(shù)的實(shí)際對(duì)流傳熱問(wèn)題尚無(wú)法求得其精確解，但建立對(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描寫(xiě)具有一定的意義，可以驗(yàn)證人工實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。正文：一般來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱有三方面途徑：①提高雷諾數(shù)，例如增加流速，縮小通道孔徑等，就能使換熱增強(qiáng)，這是大家所熟知的；②提高普朗特?cái)?shù)，改變流動(dòng)介質(zhì)的物理性質(zhì)，例如增加流體的比熱容或黏性，將導(dǎo)致普朗特?cái)?shù)的增大，這也是已經(jīng)清楚的規(guī)律；③增加無(wú)因次積分值。通過(guò)強(qiáng)化對(duì)流傳熱途徑的分析可以得出，流動(dòng)當(dāng)量不僅取決于速度場(chǎng)、熱流場(chǎng)夾角場(chǎng)的絕對(duì)值，還取決于這三個(gè)量值之間的相互搭配。對(duì)流傳熱中速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的相互配合能使無(wú)因次流動(dòng)當(dāng)量熱源強(qiáng)度提高，從而強(qiáng)化換熱此時(shí)稱為速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)協(xié)同較好。應(yīng)當(dāng)在增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的層次上提高換熱器的性能，在換熱器的層次上，通過(guò)改善冷熱流體溫度場(chǎng)的協(xié)同強(qiáng)化換熱器的換熱功能，是從換熱器中換熱介質(zhì)溫度場(chǎng)相互配合的整體來(lái)考慮的?！?】一、 基本假設(shè)1、 可將易拉罐視為均勻、各向同性【5】的導(dǎo)熱材料制成。2、 冷卻用的冰水及飲料流動(dòng)時(shí)可視為不可壓縮的牛頓型流體【6】，流體物性為常數(shù)，無(wú)內(nèi)熱源。3、 可將易拉罐沿一條母線展開(kāi)成一平面，并將上、下底面展開(kāi)成同一水平面上的平面，這一平面將冷卻水與飲料隔開(kāi)。4、 易拉罐繞其軸線的純轉(zhuǎn)動(dòng)可視作冰水、飲料在易拉罐表面鋪成的平面兩側(cè)作一維流動(dòng)，由于流速不是很大，從而轉(zhuǎn)化為流體外掠平板傳熱層流。5、 易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)引起粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱及熱輻射【7】的輻射出的熱量可以忽略不計(jì)。二、符號(hào)說(shuō)明R：易拉罐底面的半徑，單位：mL：易拉罐的母線長(zhǎng)度，單位：mA：易拉罐的表面積，單位：m25:冰水層的厚度，單位：m15:易拉罐的壁厚，單位：m5:飲料層的厚度，單位：m2入：冰水的導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/(m?K)1入：易拉罐材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/(m?K)入：飲料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/2(m?K)t：冰水離易拉罐最遠(yuǎn)處的溫度，1單位：°Ct：飲料離易拉罐最近處的溫度，2單位：°Ch：冰水流動(dòng)時(shí)的表面換熱系數(shù)，1單位：W/(m2?K)h：飲料流動(dòng)時(shí)的表面換熱系數(shù)，2單位：W/(m2-K)

三、 模型的建立與求解1、易拉罐不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型如下圖1：飲料層：入2、飲料層：入2、J、t2222入、5圖1此時(shí)只存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，運(yùn)用熱阻熱路圖【8】（下圖圖2所示）：4t4t5Xa55Xa1圖2根據(jù)傳熱方程式【9】：t—t515Xaxa^A12①=2兀R①=2兀R(R+L)(t12〔）：（牛+X+22、易拉罐在冷水中繞其軸作純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型圖如下圖3：冰水層：入］、5］、t］冰水層：入］、5］、t］對(duì)流傳熱系數(shù)：兒易拉罐壁：入、飲料層：入2、J、t2222對(duì)流傳熱系數(shù)：h2圖3此時(shí)存在熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱現(xiàn)象，運(yùn)用熱阻熱路圖（下圖圖4所示）：t2tt2t1圖4根據(jù)熱阻熱路圖與電路的相似原理，列傳熱方程式：根據(jù)熱阻熱路圖與電路的相似原理，列傳熱方程式：5+h5+h2A255?—1> 1—XX+h51111552>2 九九+h522221KA^A二i+hA5i151—XA+hA5 XAXA+hA5111222TA=2兀R(r+L)???①2=AK(t2-t])1++2)「：X+h5九九+h5111222=2兀R(1++2)「：X+h5九九+h51112225555??—1++—2> 1++九 九九 九+h5 九九+h512111222A=2兀R(R+L)(t2-t])>0???①〈①12即易拉罐在冷水中冷卻時(shí)，將罐繞其軸線作純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)罐內(nèi)飲料冷卻得比靜止時(shí)要快。四、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證飲料容器（易拉罐）繞其軸線純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加速飲料的冷卻，研究其轉(zhuǎn)速與冷卻效果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)材料：易拉罐（三個(gè)）、冰水、易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、攝氏溫度計(jì)。實(shí)驗(yàn)步驟：1）用紙盒、朔料袋等制作簡(jiǎn)易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置一套，制作準(zhǔn)備三份相同量的冰水，并測(cè)量室溫，及冰水溫度。2）在易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置注入一份冰水，將易拉罐浸入易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)，靜置90s,取出易拉罐，測(cè)量罐中飲料的溫度T1。3） 排出冰水，將另一份相同量的冰水注入裝置內(nèi)，并將另一易拉罐裝入易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中，使易拉罐以一般轉(zhuǎn)速40r/min轉(zhuǎn)動(dòng)，90s后取出易拉罐，測(cè)量罐中飲料的溫度T2。4） 排出冰水，將另一份等量冰水注入易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)，并將另一易拉罐裝入裝置中，使易拉罐以80r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，90s后取出易拉罐，測(cè)量罐中飲料的溫度T3。5） 整理數(shù)據(jù)6）得出結(jié)論數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)組轉(zhuǎn) 速時(shí)間s飲料溫度飲料初始溫度（室r/minT/°C溫）C109018.525

2409018.0253809017.625實(shí)驗(yàn)結(jié)論：將易拉罐繞其軸線在冰水中轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠加速冷卻，并且其轉(zhuǎn)動(dòng)速度與冷卻效果存在一定關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)動(dòng)速度遠(yuǎn)快冷卻效果越好。室內(nèi)溫度測(cè)量 簡(jiǎn)易易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 對(duì)照實(shí)驗(yàn)四、討論本題的不足之處在于忽略了制成易拉罐的材料物性的非均勻性及非同性所引起的傳熱的影響；冷卻用的冰水及飲料被理想成不可壓縮的牛頓型流體，流體物性為常數(shù)，無(wú)內(nèi)熱源，但溶液是可壓縮的；易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上、下底面與側(cè)面同溶液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是不同的，但解題時(shí)卻視為相同的；易拉罐繞其軸線的純轉(zhuǎn)動(dòng)被視作冰水、飲料在易拉罐表面鋪成的平面兩側(cè)作一維流動(dòng)，由于流速不是很大，從而轉(zhuǎn)化為流體外掠平板傳熱層流，但事實(shí)上，流體流動(dòng)并非單純的一維流動(dòng)和層流流動(dòng)，會(huì)有局部損失引起傳熱量的變化，同時(shí)易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)引起粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱及熱輻射的輻射出的熱量也沒(méi)有考慮在內(nèi)；而易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)也并非恒定不變的。五、 參考文獻(xiàn)【0】楊世銘、陶文銓《傳熱學(xué)》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第5章，習(xí)題5-21?！?】楊世銘、陶文銓《傳熱學(xué)》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第1章，第2節(jié)。【2】楊世銘、陶文銓《傳熱學(xué)》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第1章，第2節(jié)?！?】楊世銘、陶文銓《傳熱學(xué)》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第5章，第4節(jié)?！?】過(guò)增元.對(duì)流換熱的物理機(jī)制及其控制:速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的協(xié)同[J].科學(xué)通報(bào)，2000，45（19）：2118-2122.【5】楊世銘、陶文銓《傳熱學(xué)》[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：第2章，第1節(jié)?！?】普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材周欣、林強(qiáng)《工程流體力學(xué)》[M].北京：中國(guó)