強化傳熱技術(shù)

1、概述 只要存在著溫度差，熱量就會自發(fā)地由高溫傳向低溫，因此傳熱過程是自然界最基本的物理過程之一。它廣泛見諸如動力、化工、冶金、航天、空調(diào)、制冷、機械、輕紡、建筑等部門。大致單機功率為130萬kw的汽輪發(fā)電機組，小至微電子器件的冷卻都與傳熱過程密切相關(guān)。導(dǎo)熱對流換熱輻射換熱熱傳遞過程可以分為導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱三種基本方式，它們各自有不同的傳熱規(guī)律，實際中遇到的問題都常常是幾種傳熱方式共同作用。實現(xiàn)熱量由熱流體傳給冷流體的設(shè)備稱之為換熱器。換熱器的重要性：在工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，以電廠為例，如果把鍋爐也算作換熱設(shè)備，再加上冷凝器，除氧器，高低壓加熱器等設(shè)備，換熱器的投資約占電廠的7

2、0%。在煉油企業(yè)四分之一的設(shè)備投資適用于各種換熱器；換熱器的重量占總設(shè)備重量的20%。在制冷設(shè)備中，蒸發(fā)器、冷凝器的重量也要占整個機組的3040%大家可以思考一下，在實際應(yīng)用中，針對這三種換熱方式都有哪些強化技術(shù)？導(dǎo)熱及其強化導(dǎo)熱現(xiàn)象發(fā)生時，物體內(nèi)部的熱量會從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，溫度較高的物體會把熱量傳遞給與之接觸的溫度較低的另一物體。固體、液體、氣體內(nèi)部或之間都可能發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象。導(dǎo)熱及其強化 傅里葉定律 面積熱阻 導(dǎo)熱熱阻 強化導(dǎo)熱方法一：使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)。純銀、純銅、純鋁等。dxdtA)/(AxtxAx強化導(dǎo)熱方法一：使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料作為導(dǎo)熱介質(zhì)。純

3、銀、純銅、純鋁等。強化導(dǎo)熱方法二：減小接觸熱阻接觸熱阻接觸熱阻：兩個固體之間發(fā)生導(dǎo)熱時，由于兩固體表面實際接觸面積不大以及兩者之間氣體層的的導(dǎo)熱系數(shù)很低，因此在兩固體表面之間將產(chǎn)生接觸熱阻。 當(dāng)熱流密度不高時，可以略去接觸熱阻；但當(dāng)熱流密度很高時，則接觸熱阻必須考慮。 降低接觸熱阻的方法： 1.提高接觸表面光潔度或增加物體間的接觸壓力， 以增加接觸面積； 2.在接觸面之間充填導(dǎo)熱系數(shù)較高的氣體（如氦氣）； 3.在接觸表面上用電化學(xué)方法添加軟金屬涂層或加軟金屬墊片。電子產(chǎn)品散熱：導(dǎo)熱（電子產(chǎn)品散熱：導(dǎo)熱（+ +電絕緣）電絕緣）。導(dǎo)熱膠粘劑，特別適合于不規(guī)則形狀界面。對流：由于流體的宏觀運動，使流

4、體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混，從而引起的熱量傳遞過程稱為對流換熱。分為自然對流和強迫對流。3/12/1PrRe664. 0Nu3/1PrRenCNumCNuRe外掠平板圓管中流動橫掠管束通過平壁的傳熱21111hhK在 時，當(dāng)增大 ，K值增加很快，直至變成等于 ；在 時，當(dāng)增大 ，K值增加的速度很慢，進(jìn)一步增加 ，K值幾乎不變。21hh 1h2h21hh 1h1h可以得出：強化換熱，可以得出：強化換熱，減小熱阻減小熱阻 R R 較大一側(cè)（較大一側(cè)（hAhA較小一側(cè)）的熱阻，較小一側(cè)）的熱阻，強化換熱的效果最好。強化換熱的效果最好。對流強化的方式：增大換熱面積，各種延展面積的應(yīng)用;

5、增大流動的紊流程度，從而增大對流換熱系數(shù).oooiiifofiAhAAhtt11ofoAAA/ )(21 輻射換熱：0K以上物體都具有發(fā)射輻射能的能力；波長由短到長依紅外線，無線電波；同溫下黑體的輻射能力最大。 太陽輻次 組成銀河系的有大約兩千億顆恒星，而太陽只是其中中等大小的一顆； 太陽已的年齡有五十億歲，正處在它一生中的中年時期； 地球上所有生物的生長都直接或間接地需要它所提供的光和熱。在高溫設(shè)備中，輻射換熱是換熱的主要形式。比如在鍋爐爐膛、工業(yè)窯爐、燃燒室和發(fā)動機等高溫能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，輻射換熱占有主導(dǎo)地位。 可見，想要強化輻射換熱，可以增大物質(zhì)表面的發(fā)射率)/(24mWTEb)/(24m

6、WTEEb輻射換熱及其強化表面粗糙化及氧化膜：增加固體表面輻射率能夠有效地提高物體表面的散熱或吸熱能力；物體表面粗糙化可以引起物體輻射率的增大；真正由于物體表面上的溝槽而引起的輻射率的增加是很有限的，導(dǎo)致其值增大的主要原因是表面粗糙化后隨之而發(fā)生的表面氧化。表面氧化膜的厚度決定了輻射率的大小，隨著氧化膜厚度的增加，它對物體表面輻射率的影響也逐漸增大。高吸收率熱輻射強化劑的節(jié)能效果，主要表現(xiàn)在通過鍋爐內(nèi)各處煙氣與水冷受熱面之間的輻射換熱效率的提高。強化熱源與受熱面之間的輻射熱交換，提高爐膛熱效率和出力，減少熱能損失，達(dá)到節(jié)約能源的目的。 PW-XS PW-XS型多功能熱吸收強化劑型多功能熱吸收強

7、化劑：是一種無毒無味、不脫落、抗急冷急熱、防氧化的高科技涂料，它噴涂于鍋爐火管內(nèi)壁、水管外壁。 目前在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、民用鍋爐等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，節(jié)能效果十分顯著，其中在燃煤鍋爐上使用時節(jié)能率達(dá)到了48，在燃?xì)?、油鍋爐上使用時節(jié)能率達(dá)到了510 在氣流內(nèi)摻加固體微粒，不僅可以增加流體的熱容量，而且微粒在邊界層內(nèi)的運動可以減少氣流粘性底層的厚度，因此可以提高氣流對于壁面的換熱系數(shù)。此外，在高溫壁面和高熱流密度情況下，輻射換熱占有重要地位，摻加固體微?？梢栽黾討腋◇w內(nèi)的輻射換熱作用。機理：高溫壁面一方面通過邊界層與氣體進(jìn)行對流換熱，另一方面它還以熱輻射的形式向彌散于氣流中的固體微粒傳熱，提

8、高固體微粒的溫度，使整個流動體系的平均溫度升高。彌散于氣流中的微粒通過導(dǎo)熱和對流將熱量迅速地傳給氣流，從而使得由壁面向氣流的傳熱強度提高幾倍甚至幾十倍。輻射換熱及其強化 光譜選擇性輻射表面：某些光譜選擇性輻射表面能夠比較完全地吸收來自高溫物體短波長的輻射能，同時在自身較低溫度下（因而輻射波長較大）保持不高的發(fā)射率，所以可獲得較大的凈輻射能。 通常，太陽能集熱器采用價格便宜且容易獲得的黑漆作為傳熱管的涂層。但黑漆并非光譜選擇性涂料，它對太陽能輻射的吸收率和在集熱器壁面溫度下的輻射率都很高，可達(dá).。為了減少集熱器壁面的散熱損失，集熱器外要加裝一種廉價的選擇性材料玻璃。輻射換熱及其強化 利用輻射板增

9、強高溫通道內(nèi)的傳熱。 例如在高溫氣冷管中插入一塊沿軸向放置的高粗糙度燒結(jié)板，燒結(jié)板接近黑體，幾乎可以完全吸收來自高溫管壁的輻射能，使板溫迅速升高，而且還由于它是粗糙壁面，對流換熱系數(shù)很高，即使板面溫度略低于管壁溫度，也能使高溫壁面的輸熱量增加一倍左右，但壓降將增加倍左右輻射換熱及其強化小結(jié) 1）表面粗糙化及形成氧化膜。 2）通道流體內(nèi)加入固體微粒。 3）使用光譜選擇性輻射表面。 4）通道內(nèi)設(shè)置輻射板。 5）爐膛中中設(shè)置多孔體。 6）散熱表面加裝輻射翅片。強化傳熱的原則 式中 K 傳熱系數(shù)； F 換熱面積； T平均傳熱溫差。 強化傳熱主要有3種途徑：提高傳熱系提高傳熱系數(shù)數(shù)、擴大傳熱面積擴大傳熱

10、面積和增大傳熱溫差增大傳熱溫差。 當(dāng)今換熱器的發(fā)展以計算流體力學(xué)、模型化技術(shù)、強化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)而形成了一個高技術(shù)體系。TkFQ傳熱技術(shù)有功強化(亦稱主動式強化)傳熱技術(shù)包括:機械強化法,振動、電場、磁場、光照射、噴射沖擊等。有功強化(亦稱主動式強化)傳熱技術(shù)包括:機械強化法,振動、電場、磁場、光照射、噴射沖擊等。有相變的傳熱過程的強化膜狀冷凝：冷凝液在壁面上形成一層連續(xù)不斷的液膜。在重力的作用下，液膜不斷地沿壁面流動，通過液膜傳遞給壁面，傳熱熱阻主要集中在冷凝液膜上。強化冷凝傳熱：減薄或消除冷凝液膜；疏導(dǎo)冷凝液膜迅速流開壁面；減小冷凝傳熱熱阻等等。一、冷凝過程冷凝傳熱強化傳熱系數(shù):

11、珠狀冷凝膜狀冷凝 滴狀冷凝:冷凝液不能潤濕壁面，只能在壁面上形成液珠。液珠長大后，受重力的作用不斷地攜帶著沿途的其他液珠沿壁面流下。與此同時，新的液珠又會在原來的途徑上重新復(fù)生。實現(xiàn)滴狀冷凝的途徑有：在金屬表面涂上憎水基有機化合物涂層；金屬硫化物涂層；貴金屬涂層；高分子聚合物涂層；往蒸汽中注入不潤濕性介質(zhì)等。有相變的傳熱過程的強化二 、沸騰強化傳熱核沸騰傳熱的強化有三種基本方法：降低表面的潤濕性應(yīng)用帶有凹陷形的核化空穴的傳熱表面；形成小通道內(nèi)的液膜蒸發(fā)。沸騰強化傳熱措施：表面多孔管，燒結(jié)型、電鍍型、化學(xué)腐蝕和機械加工型；T形翅片管或Y形管，機加工管型；整體內(nèi)螺旋翅片管，強化管內(nèi)沸騰傳熱的機加工

12、管型；橢圓管用于強化降膜蒸發(fā)器的傳熱；管內(nèi)加金屬絲網(wǎng)強化管內(nèi)沸騰傳熱。采用機械攪拌法強化容器中的對流換熱采用振動方法強化單相流體對流換熱采用添加劑法強化單相流體對流換熱采用抽壓法強化單相流體對流換熱采用復(fù)合強化傳熱方法強化單相流體對流換熱 此法主要應(yīng)用于強化容器中的對流換熱。容器中的單相介質(zhì)對流換熱主要是自然對流，這時換熱系數(shù)低，溫度分布很不均勻，采用機械攪拌法可以得到很好的效果。 容器中的介質(zhì)粘度較低時，通常采用小尺寸的機械攪拌器。攪拌器的直徑d一般為容器直徑D的1/41/2，攪拌葉片的高度，從底部算起約為液體總高度H的1/3。容器中為高粘度介質(zhì)時，則應(yīng)用比容器直徑略小的低速螺旋式或錨式攪拌

13、器。在進(jìn)行攪拌器計算時應(yīng)區(qū)分容器中的介質(zhì)是牛頓流體還是非牛頓流體，它們的計算方法是不同的。 有兩種振動法，一種是使換熱面振動，一種是使流體脈動或振動，這兩種方法均可強化傳熱。換熱面的振動p 對于自然對流，實驗證明，對靜止流體中的水平加熱圓柱體振動，當(dāng)振動強度達(dá)到臨界值時，可以強化自然對流換熱系數(shù)（未達(dá)到前換熱系數(shù)不變）。實驗還證明圓柱體垂直振動比水平振動效果好。p 對于強制對流，許多研究者證明，根據(jù)振動強度和振動系統(tǒng)的不同，換熱系數(shù)比不振時可增大20%400%。值得注意的是，強制對流時換熱面的振動有時會造成局部地區(qū)的壓力降低到液體的飽和壓力，從而有產(chǎn)生汽蝕的危險。 利用換熱面振動來強化傳熱，在

14、工程實際應(yīng)用上有許多困難，如換熱面有一定質(zhì)量，實現(xiàn)振動很難；且振動還容易損壞設(shè)備，因此另一種方法是使流體振動。流體的振動p對于自然對流，許多人研究了振動的聲場對換熱的影響，一般根據(jù)具體條件的不同，當(dāng)聲強超過140分貝使可使換熱系數(shù)增加13倍。p對于強制對流，由于強制對流換熱系數(shù)已經(jīng)很高，采用聲振動時其效果并不十分顯著。 在流動液體中加入氣體或固體顆粒，在氣體中噴入液體或固體顆粒以強化傳熱是此法的特點。在流體中添加固體想變材料（PCM），當(dāng)流體溫度升高并達(dá)到相變材料的熔點時即開始融化，添加劑相變材料融化后的潛熱使得傳熱得以強化在靜止的液體中加入氣泡，所發(fā)生的現(xiàn)象類似于換熱面上的核態(tài)沸騰工況，由于

15、氣泡的擾動作用使得換熱面上的液體產(chǎn)生擾動，從而強化傳熱這種強化技術(shù)主要用于單相流體管內(nèi)強制對流換熱,使管內(nèi)流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)可使貼近壁面的流體速度增加,同時還改變了流體的流動結(jié)構(gòu),加速了邊界層流體的攏動及邊界層流體和主流流體的混合,強化傳熱過程。在實際應(yīng)用中,能使流體旋轉(zhuǎn)且在工藝上可行的方法有:在管內(nèi)插入各種可使流體旋轉(zhuǎn)的插入物,諸如扭帶、錯開扭帶、靜態(tài)混合器、螺旋片及金屬線圈等;在換熱管內(nèi)壁上開設(shè)內(nèi)螺紋;采用滾壓成型的螺旋槽管及內(nèi)肋管等。美國在這方面的研究處于領(lǐng)先地位。在流動液體中加入氣體或固體顆粒、在氣體中噴入液體或加入固體顆料,都可起到強化單相流體強制換熱的作用。這些強化傳熱的方法統(tǒng)稱為