[发明专利]一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置

说明书

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。