强化传热技术(研究生用)

强化传热技术沈阳化工大学研究背景当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界各国的普遍关注。由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。强化传热技术的发展近20年来，石油、化工等过程工业得到了迅猛发展。各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，因此要求提供尺寸小、重量轻、换热能力大的换热设备。特别是始于20世纪60年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。强化传热已发展成为第二代传热技术，并已成为现代热科学中一个十分引人注目的、蓬勃发展的研究领域。传热的三种方式1.导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或热传导）。2.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称为对流。3.热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。传热的三种方式一、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。一、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一、导热及其强化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。接触热阻与表面加工精度及光洁度（表面不平度与粗糙度）、表面硬度、作用于物体上的接触压力、物体材料和气层的导热系数、及表面上是否形成氧化膜等因素有关。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。在常规压力及表面粗糙度下的接触热阻：不锈钢/不锈钢:(2.2-5.88)×10-4(m2k/w);铝/铝:(0.833-4.55)×10-4(m2k/w);不锈钢/铝:(2.22-3.33)×10-4(m2k/w);铜/铜:(0.25-2.5)×10-4(m2k/w);一、导热及其强化强化导热方法二：减小接触热阻接触热阻：名义接触面积与实际接触面积。接触点平均距离为b，接触点平均半径为a。一、导热及其强化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。一、导热及其强化作为涂层或衬垫用的材料应该具有较低的硬度、适当的熔点、及较高的导热系数。垫片硬度必须低于基体材料。垫片厚度应该与表面粗糙元高度相当，最好不要超过粗糙元高度均方根值的两倍。一、导热及其强化涂层或衬垫材料的物理特性一、导热及其强化铜和铝的导热性能良好，并且价格便宜，在温度不很高的情况下可用作垫片或涂层材料。银的导热性能更好，但价格较贵，故只用于重要场合。在高温情况下可用镍或铬作垫片或涂层材料。导热及其强化涂层接触热导（kw/(m2k)）的变化一、导热及其强化由上图可知：随着接触压力与涂层厚度的增加，接触热导不断提高；但是过分增加涂层厚度，热导的增加速率不大（比较t=∞与t=18）；在无涂层时，表面粗糙度高的接触热导较低；在同样涂层厚度下，具有高粗糙度表面的接触热导比具有较低表面粗糙度的热导要低；为了在同样接触压力下达到规定的接触热导值，对于高粗糙度表面需要有较大的涂层厚度。导热及其强化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。一、导热及其强化小结1）减少导热热阻：使用导热系数较高的材料作为导热介质。如纯银、纯铜、纯铝等。2）减少接触热阻：.a.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；b.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）；c.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。3）导热胶粘剂的应用。二、辐射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；波长由短到长依次分为γ射线，Χ射线，紫外线，可见光，红外线，无线电波；同温下黑体的辐射能力最大。二、辐射换热及其强化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。二、辐射换热及其强化斯蒂芬-玻尔兹曼定律：式中)/(24mWTEb)/(1067.5428KmW二、辐射换热及其强化不同表面处理后的辐射率二、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。二、辐射换热及其强化A.其实在自然条件下金属表面总是覆盖着不同厚度的氧化膜。但当其厚度小于时，它基本上是透明的，对表面辐射率没有什么影响。m05.0B.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。当氧化膜厚度为时，室温下的表面辐射率虽然比洁净光滑面增加不大，但它随温度升高而急剧增大。mm2.005.0C.当氧化膜厚度超过后，由于金属表面的反射率急剧降低，因而表面辐射率增加很快。m2.0表面氧化膜对辐射率的影响：D.当氧化膜厚度大于后，表面反射率在所有波长范围内都变得很低。m5二、辐射换热及其强化应用：有些高温设备（如火箭发动机和高温气冷反应堆），常常采用壳体辐射冷却，以保证安全运行。为了增强辐射冷却效果，散热面通常进行粗糙化或氧化处理以增强表面的辐射能力。二、辐射换热及其强化固体微粒对辐射换热的强化：１.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。二、辐射换热及其强化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。二、辐射换热及其强化固体微粒对辐射换热强化的程度，与微粒在气流中的载荷比（＝微粒质量流量与气体质量流量之比）、微粒尺寸及其传热特性、气流运动状况以及流道几何形状等因素有关。二、辐射换热及其强化2.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。•光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用二、辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用１－铝面上的氧化硅涂层；２－铜表面上的氧化硅－锗涂层；３－白漆。二、辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用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。二、辐射换热及其强化2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。二、辐射换热及其强化3利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用。炉膛中的烟气在加热工件后，温度仍然较高，为了减少能耗，应设法降低排烟温度。可用多层丝网叠合组成的多孔体把工件和燃烧器都包围起来。由于丝网所包围的体积远小于炉膛体积，因此增加了火焰对工件的直接辐射；而多孔体吸收火焰辐射能后温度较高，也将向工件发射较多的辐射能并反射火焰的辐射能，工件区域的温度提高更快，工件受热更为均匀。而流过多孔体后的烟气温度将比原来没有多孔体时明显降低。加装多孔体后，可以减少高温燃气对炉壁的辐射和对流换热，降低壁面温度，减少炉膛壁面散热损失。实验表明，单是一层不锈钢丝网即可使壁面对流换热系数降低25-50%，辐射换热降低20％左右。二、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。三、对流传热——强化传热（EnhancedHeatTransfer）由于换热器在工业部门中的重要性，因此从节能的角度出发，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，必须用各种办法来增强换热器内的传热。强化传热指的是用较小的设备传递较多的热量,也就是说要使热交换器单位传热面积的传热速率Q越大越好。1换热器的强化传热技术换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。应用强化传热技术的目的是：提高现有换热器的换热能力；减小设计传热面积，以减小换热器的体积和重量；使换热器能在较低温差下工作。传热方程式为：式中K—传热系数；A—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。TKAQ2、强化传热的途径1）.增加冷热液体的平均温差ΔT在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流、混合流。在冷热流体进出口温度相同时，逆流的平均温差ΔT最大，顺流时ΔT最小，因此为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。当然可以用增加冷热流体进出口温度的差别来增加ΔT。比如某一设备采用水冷却时传热量达不到要求，则可采用氟里昂来进行冷却，这时平均温差ΔT就会显著增加。但是在一般的工业设备中，冷热流体的种类和温度的选择常常受到生产工艺过程的限制，不能随意变动；而且这里还存在一个经济性的问题，如许多工业部门经常采用饱和水蒸气作加热工质，当压力为15.86×105Pa时，相应的饱和温度为437K，若为了增加ΔT，采用更高温度的饱和水蒸气，则其饱和压力亦相应提高，此时饱和温度每增高2.5K，相应压力就要上升105Pa。压力增加后换热器设备的壁厚必须增加，从而使设备庞大，笨重，金属消耗量大大增加，虽然可采用矿物油，联苯等作为加热工质，但选择的余地并不大。综上所述，用增加平均温差ΔT的办法来增加传热只能适用于个别情况。2、强化传热的途径2）.扩大换热面积F扩大换热面积是常用的一种增强换热量的有效方法，如采用小管径。管径越小，耐压越高，而且在金属重量相同的情况下，表面积也越大。采用各种形状的肋片管来增加传热面积其效果就更佳了。这里应特别注意的是肋片（扩展表面）要加在换热系数小的一侧，否则会达不到增强传热的效果。一些新型的紧凑式换热器，如板式和板翅式换热器，同管壳式换热器相比，在单位体积内可布置的换热面积多得多。如管壳式换热器在1m3体积内仅能布置换热面积150m2左右。而在板式换热器中则可达1500m2，板翅式换热器中更可达5000m2，因此在后两种换热器中其传热量要大得多。这就是它们在制冷、石油、化工、航天等部门得以广泛应用的原因。当然紧凑式的板式结构对高温、高压工况就不宜应用。对于高温、高压工况一般都采用简单的扩展表面，如普通肋片管、销钉管、鳍片管，虽然它们扩展的程度不如板式结构高，但效果仍然是显著的。采用扩