强化换热及其研究进展

1前言当今世界，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。本文将从强化传热技术的发展过程、强化传热新技术以及强化传热技术的实际应用状况几个方面对近几年来强化传热技术的总体进展进行介绍。[1]2正文热量传递方式有导热、对流以及辐射三种，因此，强化传热方法的研究也势必从这三个方面来进行。由于导热和辐射传热的强化受到的限制条件较多，所以对流换热的强化受到重视。因此，强化换热方法中研究最多，涉及面最广的是对流换热的强化。强化传热的研究从50年代中期开始增多，近几十年来发展迅速，并成为传热学中重要的研究方向和组成部分。[2]2.1强化传热的意义在现代科学技术的许多领域,如动力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空间、电子、核能等,均涉及到加热、冷却和热量传递的问题。换热器是不可缺少的工艺设备,而且在金属消耗和投资方面也占有较大的比例。目前,能源危机越来越突出,开发新能源及余热回收显得特别重要。而在这些工作中,通常都要求采用有效的强化传热措施,以提高传热量来减小换热器的体积和重量。可以说,研究各种传热过程的强化问题,设计新颖的紧凑式换热器,不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题,同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。[3]传热学的目的是研究热传播速率的问题,而强化传热研究的主要任务是改善、提高热传播的速率,以达到用最经济的设备来传递规定的热量,或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行,或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。2.2强化传热的目的和任务不同场合对于强化传热的具体要求各不相同,但归纳起来应用强化传热技术可达到下列任一目的:(1)减小换热器的传热面积,以减小换热体积和重量;(2)提高现有换热器的换热能力;(3)使换热器能在较低温差下工作;(4)减少换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗。上述目的和要求是相互制约的,要同时达到这些目的是不可能的,因此,在采用强化传热技术前,必须首先明确要达到的主要目的和任务,以及为达到这一目的所能提供的现有条件,然后通过选择比较,才能确定一种合适的强化传热技术。换热器在工业生产中的用途多种多样，换热流体在其内的流动形式众多，且其种类，物性与流态差别很大，因此很难定出一种适用于各种情况的强化传热技术，或者得出一些可确定各种强化传热技术的传热系数及流动阻力的通用计算公式。一般可采用下列方法解决强化换热技术的选用问题。(1)在换热流体温度、热负荷及总流动阻力给定后，先从使换热体积、尺寸小，重量轻的角度，确定几种强化传热技术并进行比较。(2)研究强化传热表面上传热流体的流动结构、热负荷与温度场的分布特点，选定最佳强化传热技术。(3)强化传热技术选定后，确定换热器制造工艺和安全运行的可行性，从而最后定出适宜于某一换热工艺要求的最佳传热技术。[4]2.3强化换热技术的新进展随着强化传热技术的研究和发展，近几年来出现了很多强化换热的新方法，本文主要介绍近年来发展应用的强化换热新工质，并对其他强化换热新方法做简要介绍。2.3.1新型强化换热材料及介质的应用(1)多孔材料的发展应用[5,6]多孔材料是20世纪初出现，二战以后发展较快的一类材料。由于孔隙的存在及孔隙与环境的交互作用引发出各种功能特性，是一种集结构和功能于一体的功能结构一体化材料，广泛应用于各行业的过滤分离、流体渗透与分布控制、高效燃烧、强化传热传质等领域。根据材料中孔洞形式的不同，多孔材料可分为蜂窝材料、泡沫金属材料和点阵材料。多孔材料具有质量轻、强度大、刚度高、韧性强的特点，同时由于多孔材料中存在大量有随机性或方向性的孔洞，孔洞中充满低导热系数的空气介质，因此闭孔多孔材料具有优良的隔热性能，而通孔多孔材料应用于强制对流可显著提高对流换热能力。文献[4]指出，利用多孔材料调整流场分布，可以减薄边界层厚度，有效增强换热。其中点阵材料不但具有较高的热导率而且强度很大，当传热设备同时要求具有一定的承载能力时，点阵材料是一种很好的选择。由于多孔材料具有上述优良的机械性能和良好的热性质，因此，近年来被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。我国对多孔材料的研究工作近几年来发展迅速：2006年在西安交通大学启动了由国内多所高校和科研院所参与的《超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究》973计划，该项目计划通过五年的实施完成建立超轻多孔材料的结构设计、制备及应用一体化的完整的科学理论和技术体系，为超轻多孔材料微观构型与宏观结构的一体化多学科协同设计与制造以及其服役寿命与可靠性预测提供技术支撑。2007年7月，科技部公布了首批“企业国家重点实验室”名单，金属多孔材料与技术实验室名列其中，该实验室依托西北有色金属研究院进行筹建，重点进行金属多孔材料孔结构基础理论、制备理论及技术、性能表征以及应用的研究。上述项目的启动和实验室的建立反映了国家对于多孔材料研究的重视。(2)低熔点液体金属及其合金的发展应用[7]将低熔点液体金属及其合金作为散热工质是2002年由中国科学院理化研究所刘静[7]所在的实验室提出的，同年该实验室在我国申请了这一技术的首项专利。由于传统的风冷散热手段已无法满足日益增大的电子器件功率的散热要求，液冷被认为是解决这一问题的有效手段。液冷散热虽然效率较高，但是在运行中一旦发生泄露或蒸发会导致器件老化、腐蚀，一旦驱动装置故障，液体流动停止，有可能会导致芯片烧毁，后果不堪设想。基于液冷散热的上述特性产生了将低熔点液体金属应用于芯片散热液冷系统中的想法。在这种新型散热技术中，流动于流道中的并非传统的水，有机溶液或其他功能流体而是在室温附近即可熔化的低熔点液态金属。由于液体金属具有远高于水、空气及其他非金属介质的热导率且具有流动性，导热量和对流散热量都增大，因而可以进行快速高效的热量输运。采用低熔点液态金属后散热器可以做的很小且仅使用小功率电磁泵就可进行驱动，可实现整体集成化的微型散热器。虽然可供选择的低熔点液态金属很多，但是目前我国及国外一些相应研究机构的主要目标集中在金属镓上。自然界中，镓是一种柔软无毒的银白色金属，其熔点仅为29.77℃，在熔点时的导热系数为29.23W⋅m-1⋅℃-1，远高于空气和水。而且镓的蒸发温度很高，约为2000℃，不像其他液体工质容易在运行中因蒸发而散失。因此，镓适合作为低熔点液体金属散热工质。除了金属镓之外，国内外研究者也在努力寻找其他适合的低熔点液态金属及其合金。由于低熔点液态金属散热装置具有散热能力强、噪音低、性能稳定可靠的优点因而具有良好的发展空间。目前该技术的出现已引起计算机及半导体芯片业界的广泛关注，低熔点液态金属渴望作为一种理想冷却工质在芯片散热领域发挥关键作用。(3)纳米流体的发展应用1995年，Choi等[8]首次提出了纳米流体(nanofluids)的概念：即以一定方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中，形成一类新的换热工质即纳米流体。固体颗粒的热导率比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体颗粒的两相流液体比纯液体的热率大得多。纳米颗粒很细，有很大的表面积，因而更适合传热。大的比表面积不仅改善传热能力，而且增加悬浮液的稳定性。悬浮在液体中的纳米粒子在布朗力的作用下做无规则的扩散运动，这种扩散运动使纳米粒子所携带的能量发生了迁移，增强了纳米粒子内部的能量传递，增强了传热，同时，在纳米粒子和液体间还有微对流运动存在，进一步加强了热量传递[9]。影响纳米流体换热性能的因素包括颗粒尺度、表面形状、体积份额以及分布等，文献[9]指出纳米流体一旦发生颗粒聚集，随着颗粒聚集度的增加，纳米流体的换热性能降低。纳米流体可应用于钢铁冶金生产过程中作为冷却工质保护某些设备不被烧毁，减少电能消耗和冷却水消耗，保证生产正常进行。除了在钢铁冶金领域的应用，纳米流体也可应用于余热锅炉的能量回收过程，大幅度提高余热回收率，降低能耗。2.3.2各种异型强化换热管的应用目前应用的主要异型强化管有螺旋槽纹管，横纹槽管，波纹换热管以及翅片管。异型强化换热管的强化换热原理是利用各种管的特殊结构产生涡旋，扰动来减薄边界层厚度，增大低热阻区，加强传热。除波纹管由于加工工艺的特殊性，选材及规格受到限制外，其他三种强化换热管在选材和规格上一般均无限制。螺旋槽纹管和横纹槽管广泛应用于各种形式的换热器、余热锅炉中，翅片管主要应用在管壳式换热器及空冷器中。[2]除了以上介绍的四种常用的异型强化换热管外，还有旋流管、螺旋扁管、缩放管等异型管，在实际中也有一些应用，在此不作一一介绍。2.3.3内插物强化换热研究内插入物技术是比较方便的一种强化换热技术，它的最大优点是适合旧换热器的改造设计，且加工制造方便，可避免额外增加换热器。大大节省投资，同时内插物有助于清除管内污垢。管内插物的种类很多，扭带、螺旋线圈以及绕花丝是三种较常用的管内插物强化换热技术。内插物技术是通过内插物的作用使流体产生涡流和二次流，促进核心流体与边界层流体的混合，减薄层流底层，达到强化换热效果。2.4不同强化传热方法的应用及在实际推广中存在的问题2.4.1不同强化传热方法的应用情况前面提到的那些强化传热技术，有的只适用于某些特定传热介质及传热过程，有些则对所有传热过程有不同程度的强化作用。从强化传热各类方法来看，无源技术中研究最多，应用最广的是各种发展表面，粗糙表面及涡旋强化。传热流体中添加物也引起了广泛的重视。机械搅动是有源强化技术中应用最广的一项。对于有相变换热的过程，正在引起人们日益广泛关注。2.4.2强化传热方法在实际推广中存在的问题及解决办法[2]强化传热方法在实际应用过程中主要存在以下问题：(1)生产工艺相对落后，不能实现产品的系列化；(2)强化传热方法在实际应用中缺乏必要的寿命实验资料；(3)对于强化传热技术的研究还不够深入。解决办法：在强化传热方法的应用中，一定要从实际出发，根据不同强化换热方法的自身特点，通过对强化换热目的，具体条件等的分析比较，确定适宜的方法，以达到预期效果。我们相信，随着强化传热研究深度和广度的不断提高，有效利用能源及积极开发新能源工作的开展，尤其对于有发展前景的强化传热技术的研究和一系列比较成熟的强化换热措施的推广，强化换热技术必然蓬勃开展下去并取得可喜成果。3小结本文通过对强化换热技术发展过程的回顾以及近几年出现的强化换热新技术新方法及新工质的介绍，对强化换热技术的进展进行了分析总结，希望通过本文对从事强化换热技术研究的工作者提供一定的参考。参考文献[1]蒋凌波王国栋Author贺岩峰Author.强化传热及其工程应用途经探讨(Ⅱ).工业技术经济.1994，01):65-67.[2]徐之平韩冰Author.强化换热的方法及新进展.能源研究与信息.2008，04):233-237.[3]李洪亮.强化传热技术及其应用.化工设备与防腐蚀.2002，02):111-113.[4]贺岩峰王国栋Author蒋凌波Author.强化传热及其工程应用途径探讨(Ⅰ).工业技术经济.1993，04):67-68.[5]曹玉荣公维平Author.多孔介质强化传热的理论与实验研究.水动力学研究与进展(A辑).2003，03):276-282.[6]明廷臻刘伟Author.管内核心流分层填充多孔介质的传热强化分析.中国电机工程学报.2008，32):66-71.[7]周一欣刘静Author.芯片强化散热研究新领域——低熔点液体金属散热技术的提出与发展.电子机械工程.2006，06):9-12.[8]张玉柱郝素菊Author蒋武锋Author.纳米流体——一种强化换热工质.冶金能源.2006，03):36-38.[9]闵敬春薛文胥Author王玮Author.颗粒聚集对纳米流体强化换热影响浅析.工程热物理学报.2006，01):115-117.