强化传热技术

概述只要存在着温度差，热量就会自发地由高温传向低温，因此传热过程是自然界最基本的物理过程之一。它广泛见诸如动力、化工、冶金、航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等部门。大致单机功率为130万kw的汽轮发电机组，小至微电子器件的冷却都与传热过程密切相关。导热对流换热辐射换热热传递过程可以分为导热、对流换热、辐射换热三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的问题都常常是几种传热方式共同作用。◎实现热量由热流体传给冷流体的设备称之为换热器。◎换热器的重要性：在工业部门广泛应用的一种通用设备，以电厂为例，如果把锅炉也算作换热设备，再加上冷凝器，除氧器，高低压加热器等设备，换热器的投资约占电厂的70%。在炼油企业四分之一的设备投资适用于各种换热器；换热器的重量占总设备重量的20%。在制冷设备中，蒸发器、冷凝器的重量也要占整个机组的30~40%大家可以思考一下，在实际应用中，针对这三种换热方式都有哪些强化技术？导热及其强化导热现象发生时，物体内部的热量会从温度较高的部分传递到温度较低的部分，温度较高的物体会把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体。固体、液体、气体内部或之间都可能发生导热现象。导热及其强化•傅里叶定律•面积热阻•导热热阻•强化导热方法一：使用导热系数较高的材料作为导热介质。纯银、纯铜、纯铝等。dxdtA)/(AxtxAx强化导热方法一：使用导热系数较高的材料作为导热介质。纯银、纯铜、纯铝等。强化导热方法二：减小接触热阻接触热阻：两个固体之间发生导热时，由于两固体表面实际接触面积不大以及两者之间气体层的的导热系数很低，因此在两固体表面之间将产生接触热阻。当热流密度不高时，可以略去接触热阻；但当热流密度很高时，则接触热阻必须考虑。•降低接触热阻的方法：1.提高接触表面光洁度或增加物体间的接触压力，以增加接触面积；2.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）；3.在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片。电子产品散热：导热（+电绝缘）。导热胶粘剂，特别适合于不规则形状界面。对流换热及其强化对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混，从而引起的热量传递过程称为对流换热。分为自然对流和强迫对流。3/12/1PrRe664.0Nu3/1PrRenCNumCNuRe外掠平板圆管中流动横掠管束对流换热及其强化通过平壁的传热21111hhK在时，当增大，K值增加很快，直至变成等于；在时，当增大，K值增加的速度很慢，进一步增加，K值几乎不变。21hh1h2h21hh1h1h可以得出：强化换热，减小热阻R较大一侧（hA较小一侧）的热阻，强化换热的效果最好。对流换热及其强化对流强化的方式：增大换热面积，各种延展面积的应用;增大流动的紊流程度，从而增大对流换热系数.oooiiifofiAhAAhtt11ofoAAA/)(21对流换热及其强化辐射换热：0K以上物体都具有发射辐射能的能力；波长由短到长依红外线，无线电波；同温下黑体的辐射能力最大。太阳辐次•组成银河系的有大约两千亿颗恒星，而太阳只是其中中等大小的一颗；•太阳已的年龄有五十亿岁，正处在它一生中的中年时期；•地球上所有生物的生长都直接或间接地需要它所提供的光和热。在高温设备中，辐射换热是换热的主要形式。比如在锅炉炉膛、工业窑炉、燃烧室和发动机等高温能源转换系统中，辐射换热占有主导地位。可见，想要强化辐射换热，可以增大物质表面的发射率)/(24mWTEb)/(24mWTEEb辐射换热及其强化表面粗糙化及氧化膜：增加固体表面辐射率能够有效地提高物体表面的散热或吸热能力；物体表面粗糙化可以引起物体辐射率的增大；真正由于物体表面上的沟槽而引起的辐射率的增加是很有限的，导致其值增大的主要原因是表面粗糙化后随之而发生的表面氧化。表面氧化膜的厚度决定了辐射率的大小，随着氧化膜厚度的增加，它对物体表面辐射率的影响也逐渐增大。高吸收率热辐射强化剂的节能效果，主要表现在通过锅炉内各处烟气与水冷受热面之间的辐射换热效率的提高。强化热源与受热面之间的辐射热交换，提高炉膛热效率和出力，减少热能损失，达到节约能源的目的。PW-XS型多功能热吸收强化剂：是一种无毒无味、不脱落、抗急冷急热、防氧化的高科技涂料，它喷涂于锅炉火管内壁、水管外壁。目前在电站锅炉、工业锅炉、民用锅炉等领域得到了广泛的应用，节能效果十分显著，其中在燃煤锅炉上使用时节能率达到了4－8％，在燃气、油锅炉上使用时节能率达到了5－10％在气流内掺加固体微粒，不仅可以增加流体的热容量，而且微粒在边界层内的运动可以减少气流粘性底层的厚度，因此可以提高气流对于壁面的换热系数。此外，在高温壁面和高热流密度情况下，辐射换热占有重要地位，掺加固体微粒可以增加悬浮体内的辐射换热作用。机理：高温壁面一方面通过边界层与气体进行对流换热，另一方面它还以热辐射的形式向弥散于气流中的固体微粒传热，提高固体微粒的温度，使整个流动体系的平均温度升高。弥散于气流中的微粒通过导热和对流将热量迅速地传给气流，从而使得由壁面向气流的传热强度提高几倍甚至几十倍。辐射换热及其强化•光谱选择性辐射表面：某些光谱选择性辐射表面能够比较完全地吸收来自高温物体短波长的辐射能，同时在自身较低温度下（因而辐射波长较大）保持不高的发射率，所以可获得较大的净辐射能。•通常，太阳能集热器采用价格便宜且容易获得的黑漆作为传热管的涂层。但黑漆并非光谱选择性涂料，它对太阳能辐射的吸收率和在集热器壁面温度下的辐射率都很高，可达０.９５。为了减少集热器壁面的散热损失，集热器外要加装一种廉价的选择性材料－玻璃。辐射换热及其强化•利用辐射板增强高温通道内的传热。•例如在高温气冷管中插入一块沿轴向放置的高粗糙度烧结板，烧结板接近黑体，几乎可以完全吸收来自高温管壁的辐射能，使板温迅速升高，而且还由于它是粗糙壁面，对流换热系数很高，即使板面温度略低于管壁温度，也能使高温壁面的输热量增加一倍左右，但压降将增加４倍左右辐射换热及其强化小结•1）表面粗糙化及形成氧化膜。•2）通道流体内加入固体微粒。•3）使用光谱选择性辐射表面。•4）通道内设置辐射板。•5）炉膛中中设置多孔体。•6）散热表面加装辐射翅片。强化传热的原则式中K—传热系数；F—换热面积；△T—平均传热温差。强化传热主要有3种途径：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。当今换热器的发展以计算流体力学、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发而形成了一个高技术体系。TkFQ传热技术有功强化(亦称主动式强化)传热技术包括:机械强化法,振动、电场、磁场、光照射、喷射冲击等。有功强化(亦称主动式强化)传热技术包括:机械强化法,振动、电场、磁场、光照射、喷射冲击等。有相变的传热过程的强化膜状冷凝：冷凝液在壁面上形成一层连续不断的液膜。在重力的作用下，液膜不断地沿壁面流动，通过液膜传递给壁面，传热热阻主要集中在冷凝液膜上。强化冷凝传热：减薄或消除冷凝液膜；疏导冷凝液膜迅速流开壁面；减小冷凝传热热阻等等。一、冷凝过程冷凝传热强化传热系数:珠状冷凝＞＞膜状冷凝滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠长大后，受重力的作用不断地携带着沿途的其他液珠沿壁面流下。与此同时，新的液珠又会在原来的途径上重新复生。实现滴状冷凝的途径有：在金属表面涂上憎水基有机化合物涂层；金属硫化物涂层；贵金属涂层；高分子聚合物涂层；往蒸汽中注入不润湿性介质等。有相变的传热过程的强化二、沸腾强化传热核沸腾传热的强化有三种基本方法：降低表面的润湿性应用带有凹陷形的核化空穴的传热表面；形成小通道内的液膜蒸发。沸腾强化传热措施：◎表面多孔管，烧结型、电镀型、化学腐蚀和机械加工型；◎T形翅片管或Y形管，机加工管型；◎整体内螺旋翅片管，强化管内沸腾传热的机加工管型；◎椭圆管用于强化降膜蒸发器的传热；◎管内加金属丝网强化管内沸腾传热。采用机械搅拌法强化容器中的对流换热采用振动方法强化单相流体对流换热采用添加剂法强化单相流体对流换热采用抽压法强化单相流体对流换热采用复合强化传热方法强化单相流体对流换热此法主要应用于强化容器中的对流换热。容器中的单相介质对流换热主要是自然对流，这时换热系数低，温度分布很不均匀，采用机械搅拌法可以得到很好的效果。容器中的介质粘度较低时，通常采用小尺寸的机械搅拌器。搅拌器的直径d一般为容器直径D的1/4~1/2，搅拌叶片的高度，从底部算起约为液体总高度H的1/3。容器中为高粘度介质时，则应用比容器直径略小的低速螺旋式或锚式搅拌器。在进行搅拌器计算时应区分容器中的介质是牛顿流体还是非牛顿流体，它们的计算方法是不同的。有两种振动法，一种是使换热面振动，一种是使流体脉动或振动，这两种方法均可强化传热。换热面的振动对于自然对流，实验证明，对静止流体中的水平加热圆柱体振动，当振动强度达到临界值时，可以强化自然对流换热系数（未达到前换热系数不变）。实验还证明圆柱体垂直振动比水平振动效果好。对于强制对流，许多研究者证明，根据振动强度和振动系统的不同，换热系数比不振时可增大20%~400%。值得注意的是，强制对流时换热面的振动有时会造成局部地区的压力降低到液体的饱和压力，从而有产生汽蚀的危险。利用换热面振动来强化传热，在工程实际应用上有许多困难，如换热面有一定质量，实现振动很难；且振动还容易损坏设备，因此另一种方法是使流体振动。流体的振动对于自然对流，许多人研究了振动的声场对换热的影响，一般根据具体条件的不同，当声强超过140分贝使可使换热系数增加1~3倍。对于强制对流，由于强制对流换热系数已经很高，采用声振动时其效果并不十分显著。在流动液体中加入气体或固体颗粒，在气体中喷入液体或固体颗粒以强化传热是此法的特点。在流体中添加固体想变材料（PCM），当流体温度升高并达到相变材料的熔点时即开始融化，添加剂相变材料融化后的潜热使得传热得以强化在静止的液体中加入气泡，所发生的现象类似于换热面上的核态沸腾工况，由于气泡的扰动作用使得换热面上的液体产生扰动，从而强化传热•这种强化技术主要用于单相流体管内强制对流换热,使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可使贴近壁面的流体速度增加,同时还改变了流体的流动结构,加速了边界层流体的拢动及边界层流体和主流流体的混合,强化传热过程。•在实际应用中,能使流体旋转且在工艺上可行的方法有:在管内插入各种可使流体旋转的插入物,诸如扭带、错开扭带、静态混合器、螺旋片及金属线圈等;在换热管内壁上开设内螺纹;采用滚压成型的螺旋槽管及内肋管等。美国在这方面的研究处于领先地位。•在流动液体中加入气体或固体颗粒、在气体中喷入液体或加入固体颗料,都可起到强化单相流体强制换热的作用。这些强化传热的方法统称为添加剂法。添加剂用于强化液体传热效果并不显著,在水流中加入氮气的试验,发现传热系数仅增大了50%;在油中加入聚苯乙烯小球的试验也只是使换热系数增大了40%左右。•对空气中喷入液滴时的传热工况进行的研究表明,如能在换热面上形成连续液膜,则换热系数最多可增加30倍。•在气体中加入少量固体颗粒可以强化气体侧的传热。固体颗粒随气体一起流动,可以减薄热阻最大的边界层厚度。添加剂强化技术的研究,英国、美国居领先地位。关鼎张晓林石洋康建敏邱磊特别感谢：赵树男同学对于制作PPT的帮助