H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 传热学课程报告 报告题目：多孔介质传热学概论 院系： 班级： 姓名： 学号： 二零一二年十月
摘要：本文对多孔介质及其基本结构、传热传质的理论基础做了相关介绍，并对多孔材料的应用进行了说明和预期。 关键词：多孔介质；传热学；孔隙率；渗透率；导热系数 1 多孔介质简介 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，其传热传质过程在自然界和人类生产、生活中广泛存在，它构成了地球生物圈的物质基础。从学科发展的角度看，多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域，包括能源、材料、化学工程、环境科学、生物技术、仿生学、医学和农业工程，是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。因此，多孔介质传热传质研究，是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题。 笼统地说，大部分材料都属于多孔介质，目前还没有对多孔介质各种特性的确定性作出准确的定义。1983年提出多孔介质具有以下特点：(1)部分空间充满多相物质，至少其中一相物质是非固态的，可以是液态或气态。固相部分称为固相基质。多孔介质内部除了固相基质外的空间称为空隙空间。(2)固相基质分布于整个多孔介质，在每个代表性初级单元均应有固相基质。(3)至少一些空隙空间应该是相联通的。 2 多孔介质的基本结构特征 多孔介质的孔隙率 多孔介质的结构是非常复杂的，我们不可能精确地描述这些孔隙表面的几何形状，也很难确切地阐明孔隙空间所包含的流体及其与固体表面相互作用所出现的有关微观物理现象。因此研究者往往引入“容积平均”的假设，并且将复杂多相的多孔体系看成一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，即不同流速层中流体分子间碰撞交换动量，宏观表现为流体是以粘滞形式出现的流动，从而可以利用表观当量参数的唯象方法进行研究，而不必去研究每一个孔隙中流体流动和换热的情况，使一个原本非常复杂的流动问题得以简化。
换热器的研究现状及应用进展 摘要：换热器是一种非常重要的换热设备，是实现不同介质在不同温度下传热 的节能设备。它可以利用低温介质对高温介质进行冷却，达到冷却、预冷的效果，也可以利用高温介质对低温介质进行加热，使工艺温度达到生产的要求。长期以来，换热器强化传热技术受到了世界各国学者的关注，高效节能的新型换热器层 出不穷。 关键词：换热器；研究现状；应用进展； 一、换热器的研究现状 1.管式换热器。管式换热器是最典型的间壁式换热器，它操作可靠、结构简单、可在高温高压下使用，是目前应用最为广泛的换热器类型之一。然而，研究 表明，与以往传统的管壳式换热器不同，新型换热元件和高效换热器的研发已经 进入了一个新时期。从目前诸多的研究成果来看，改善换热器的方法主要有对管 程结构改进和对壳程结构改进两大类。在管程结构改进中主要有改变传热面积和 加入管内插入物两类。在壳程结构改进中主要有改变管子外形及表面特性和改变 壳程管间支撑物结构两种。（1）螺旋槽纹管换热器。螺旋槽纹管是一种高效益 异形的强化传热管件，它通过改变传热面的形状大大强化了流体的换热效果。二 十世纪七十年代，美、日、英等国对螺旋槽纹管换热器进行了大量的研究，基于 螺旋槽纹管的特性，美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计螺旋槽纹管换 热器的传热效率比光管提高了2至4倍。目前，无论是从传热、流阻、阻垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到 实际已达到较高水平。（2）管内插入物换热器。管内插入物换热器是通过在管 内添加插入物增加流体的湍动程度，加强近壁面和流体中心区域的混合程度，从 而达到了强化传热的目的。管内添加物的种类多种多样，常见的有加入纽带、螺 旋线、螺旋片等。试验研究表明，管内插入纽带之后，如果是层流换热，则对流 传热系数可增大2至3倍，压降增加3倍以上。若是紊流换热，传热系数仅增大30%左右，而压降增大2倍以上。管内插入物加工简单，特别适合对已有设备进 行升级改造。（3）折流杆式换热器。传统的管壳式换热器装有折流板，这种结 构的流动阻力大，容易使换热管发生震动而被破坏，为了解决这个问题并强化传 热效果，折流杆换热器应运而生。它通过改变壳程管间支撑物结构强化了传热。 折流杆式结构至少由四片折流栅组成，两横两竖，每个折流栅由若干个相互平行 的折流杆镶嵌在一个折流圈上。折流杆换热器几乎不存在流动死区，从而彻底解 决了传统的折流板换热器中存在的流动死区的问题。另外折流杆换热器不易结垢，流体在经过折流杆时产生文丘里效应对管壁有强烈的冲刷作用使得污垢难以形成。（4）管翅式换热器。管翅式换热器广泛应用于制冷行业，与普通的管壳式换热 器相比，它传热系数高、结构紧凑、使用寿命长、拆装简易，是一种安全可靠的 换热器。管翅式换热器通过在管外加装翅片，强化了壳程的传热。对总结了不同 翅片形式强化传热的机理及翅片参数对传热与流阻的影响规律。对管翅式换热器 进行了优化设计，计算出了特定工况下的最佳换热性能参数，并进行了计算机辅 助优化设计程序的开发。 2.板式换热器。板式换热器是由一系列波纹状的薄板按照固定的间隔并通过 垫片紧压而形成的换热器，板式换热器与管式换热器相比，在相同的污垢系数下，总传热系数是管式换热器的2至3倍，压力损失为其0.5至1倍，重量为其0.25 至0.5倍。体积和占地面积为其的0.3至0.5倍，因此板式换热器的性能更佳。但
纳米流体传热性能研究进展与问题 李新芳，朱冬生 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广州 510641 E-mail xtulxf@https://www.doczj.com/doc/d06856862.html, 摘要：介绍了纳米流体的制备技术，重点阐述了纳米流体传热性能特异性研究进展和存在的问题，同时对今后纳米流体研究的发展方向提出了展望。 关键词：纳米流体；制备；传热性能 1. 引言 随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出[1,2]，热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，低传热性能的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。提高液体传热性能的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得许多。自从Maxwell 理论发表以来，许多学者进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损及堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。 自20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等[3]提出了一个崭新的概念－纳米流体：即将1~100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成的稳定悬浮液，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性研究。研究表明[4-6]，在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。因此，与在液体中添加毫米或微米级粒子相比，纳米流体更适于实际应用。 总之，由于纳米流体在各类科学研究和工程技术部门能够产生新的变革，加上它的运动方式新颖、能耗小、无污染和使用范围广等特点，因此受到人们极大关注。目前我国和世界上许多国家都在积极的开展这项研究，有关其基础理论和应用等方面的报道越来越多。本文简要介绍了纳米流体的制备，重点论述了纳米流体传热性能特异性研究的进展和存在的问题。 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(No.20050561017)和教育部新世纪优秀人才支持计划(No. NCET-04-0826)项目资助. - 1 -
姓名：付杰 学号：14206040667 专业：建筑与土木工程 多孔介质传热传质分形理论初析 [摘要] 对分形理论在多孔介质传热传质过程中的应用进行了初步的分析,求出了基于分形理论的多孔介质固有渗透率和有效导热系数,建立了多孔介质渗流与导热的分形模型。 引言 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质,它构成了地球生物圈的物质基础。多孔介质传热传质在自然界和人类生产、生活中广泛存在.它对国民经济的发展、科学技术的进步以及人民生活水平的提高具有重要的影响.土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程的人工控制,节水农业工程的实施,地下岩层中石油、天然气和地下水资源的开采,地热能的开发利用等,都涉及到多孔介质中能量和物质的传输问题；动植物中的生命过程也是在多孔介质中发生的传热传质和生化反应的复杂热物理过程；与人民生活密切相关的农副产品、食品、建材和纺织品的干燥、建筑物的隔热保温也是典型的多孔介质传热传质过程;现代铸造技术、燃烧技术、冷冻技术、催化反应技术和各类轻工技术的发展,都与多孔介质传热传质过程密切相联。因此,研究多孔介质传热传质过程对于改造自然、造福人类都具有重
大的经济和社会意义。 从学科发展的角度看,多孔介质传热传质学已经渗透到许多学科和新技术领域,包括能源、材料、环境科学、化学工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程,是形成新的交叉和边缘学科的一个潜在生长点。因此,多孔介质传热传质研究,是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远影响的研究课题,已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活跃的前沿研究领域之一。 以期以来,人们对多孔介质中的传热传质过程进行了大量的理论和实验研究,在理论模型和热质迁移机理方面已经发展了能量理论、液体扩散理论、毛细流动理论和蒸发冷凝理论等描述多孔介质中热质迁移过程的单一理论模型之后,Philip,DeVries, Luikov又发展了多孔介质热质迁移的热力学理论和综合理论以及相应的数学描述,对多孔介质传热传质的研究起到了重要的推动作用。 但是,由于多孔介质内部结构十分复杂,一般是由大小颗粒、碎片或小组织聚集而成的结构,没有特征尺度且极不规则,其内部发生的热质传递过程与传统的均匀介质中发生的过程有很大的差异,各类迁移参数随着实际多孔介质内部的几何结构的不规律性而出现容积范围内的不均匀性和不确定性.上述各种现有的多孔介质传热传质理论和模型,都是直接或间接地把新研究的多孔介质看作是一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,在研究中采用“容积平均”的基本方法,即采用平均物性和空隙的平均几何分布来进行过程的研究.显然,这种“容积平均”的假设与实际多孔介质内部状态存在着很大的差异,
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。
多孔介质球体颗粒模型传热传质数值模拟及分析 刘宇卿韩战 （中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，100083） 摘要：针对多孔介质传热传质的复杂性，本文利用非等径球颗粒模型构建了一类由颗粒胶 结而形成的多孔介质，通过Fluent数值模拟对多孔介质热传导机理进行了研究，得出了 多孔介质骨架颗粒的热传导规律，证明了利用局部非热平衡模型研究多孔介质传热的正确 性，得到了孔隙介质颗粒体表面热流密度与内部流速、粒径尺寸有重要的内在联系。其中 对非等径球体颗粒堆积模型的研究证明了在同一多孔介质体内不同粒径尺寸的颗粒流固壁 面热传导系数也存在不同。在对渗流问题进行分析时，提出了等径球规则排列模型的不 足，并分析了其中原因，然后利用非等径球模型再次对砂岩渗流问题进行了研究，得到了 更好的结论。 关键词：多孔介质，球体颗粒模型，数值模拟，传热 一、引言 本文将通过构建的球体颗粒排列的多孔介质模型结合多孔介质传热传质理论来进行数值模拟工作。考虑到砂岩中石英的导热系数相对较小，在传热机理分析时，我们采用传热系数相对大的铜作为骨架颗粒，将模拟结果进行提取、分析，并与经验公式进行比对，验证颗粒排列模型分析方法的可行性，并做出简要总结。之后我们利用石英作为骨架颗粒构建砂岩模型，对不同渗流情况下砂岩模型的传热情况进行分析。得到砂岩模型的导热系数、渗透情况等。最后利用砂岩模型与工程实际进行比对，确定此模型的适用性。 二、研究方法及模型的建立 2.1 模型建立 在低流速情况下，与等径模型相同的是在流速方向上球体颗粒表面热流密度呈递减趋势，不同点是非等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度有些高于等径球颗粒模型第二排球颗粒表面热流密度。原因是低流速情况下由于上排颗粒及周围液体固液面平均温差相对较小，且温穿透层更厚，所以有更多的热流密度通过固体间的接触传递往下排颗粒，加上大球之间又有小球存在，加大了往下层颗粒的导热量，但同时小
多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究 温永刚，陈光奇 （兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃 兰州７３００００） 摘 要：对多孔介质材料在低温下的传热特性进行了实验研究，在填充液氮以后其低温维持时间明显增加，主要 原因是由于多孔材料的参与改变了传热特性；采用连续介质管束模型，用有限元分析软件对其整体温度场分布进行了数值模拟计算，计算结果和实验数据吻合。 关键词：多孔介质；低温传热；管束；有限元中图分类号：ＴＫ１２４；ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－７０８６（２００７）０２－００９８－０４ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹＯＮＨＥＡＴＴＲＡＮＳＦＥＲＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＯＦ ＰＯＲＯＵＳＭＥＤＩＡＭＡＴＥＲＩＡＬＵＮＤＥＲＴＨＥＬＯＷＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＷＥＮＹｏｎｇ－ｇａｎｇ，ＣＨＥＮＧｕａｎｇ－ｑｉ （ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂ．ｏｆＶａｃｕｕｍ＆ＣｒｙｏｇｅｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ， ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｔｉｍｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｄｕｅｔｏｔｈｅｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇｏｆｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅｂｕｎｄｌｅｏｆｔｕｂｅｓｍｏｄｅｌａｎｄａｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｗｈｏｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｕｎｄｅｒｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｂｕｎｄｌｅｏｆｔｕｂｅｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ １引言 随着传热传质学研究的不断深入及其研究领域的不断扩大，已逐渐渗透到微观世界。 研究范围从微米一直到纳米，极大地开阔了人类的视野。然而对于微观结构复杂的多孔介质材料，其传热传质特性的研究还很不成熟，诸多理论的建立都是基于各种各样的假设，造成与实验结果的偏离。 综合多孔介质的结构特征，可对其含义规定如下［１］：多孔介质材料是一种多相物质共存的组合体，在多相物质中至少有一相不是固体，它们可以是气相或液相，固相作为固体骨架，其余部分作为空隙空间，构成空隙空间的孔洞应当相互连通，即空隙内任意两点可以用一条完全位于其中的假想曲线连接起来。按照多孔介质材料的定义，可以认为玻璃纤维、陶瓷纤维、金属丝等毛细材料均属于多孔介质材料范畴。由于其自身的特殊结构，流体在其内部的传热特性相当复杂。 由于多孔介质结构的不均匀性以及各传递过程的相互影响，构成了多孔介质传热过程的复杂性，作者采用实验与数值模拟相结合的研究方法对其传热特性进行了研究。 作者选取玻璃纤维作为多孔介质材料进行实验并测量了实验数据，对其在低温下的某些传热特性做了 收稿日期：２００７－０１－１８． 基金项目：真空低温技术与物理国家级重点实验室基金（９１４０Ｃ５５０８０１）资助。作者简介：温永刚（１９７８－），男，甘肃省陇西县人，硕士研究生，从事低温物理研究。 第１３卷第２期２００７年０６月 真空与低温 Ｖａｃｕｕｍ＆Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ９８
收稿日期:2007-08-09李安军(1979～ ),研究生;114051 辽宁省鞍山市。 换热器强化传热技术的研究进展 李安军 邢桂菊 周丽雯 (辽宁科技大学材料科学与工程学院) 摘 要 介绍了被动式强化传热技术的研究进展,简述了典型和新型传热元件的开发和应用,针对换热器传热管表面处理技术,管的内插件和管束支撑结构的发展状况展开分析和论述;探讨了强化传热技术的发展方向,数值模拟和场协同原理技术的应用使换热器结构趋于最优化,强化传热技术由单一型向复合型方向发展,逐渐形成第三代传热技术。关键词 强化传热 传热元件 管束支撑 换热器 节能技术 P r o g r e s s i n s t u d y o n t e c h n o l o g y o f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t f o r h e a t e x c h a n g e r L i A n j u n X i n g G u i j u Z h o u L i w e n (U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L i a o n i n g ) A b s t r a c t P r o g r e s s i n s t u d y o nt e c h n o l o g y o f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t w a s i n t r o d u c e d ,d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f t y p i c a l a n d n e wt y p e h e a t t r a n s f e r c o m p o n e n t s w e r e d e s c r i b e d b r i e f l y ,a n d t h e d e v e l -o p m e n t s t a t u s o f t h e t e c h n o l o g y o f h e a t e x c h a n g e t u b e 's s u r f a c e t r e a t m e n t ,t u b e p l u g g e d -i n o b j e c t s a n d t u b e b u n d l e s u p p o r t w e r e a n a l y z e da n ds t u d i e d .T h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e -m e n t w a s d i s c u s s e d .T h ea p p l i c a t i o no f n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n df i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e sm a d et h e s t r u c t u r e s o f h e a t e x c h a n g e r o p t i m i z e d ,t h et e c h n o l o g yo f h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t d e v e l o p e df r o m s i n g l e t oc o m p o u n d a n dg r a d u a l l y f o r m e d t h e t h i r d -g e n e r a t i o no f h e a t t r a n s f e r t e c h n o l o g y . K e y w o r d s h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t h e a t t r a n s f e r c o m p o n e n t s t u b eb u n d l es u p p o r t h e a t e x -c h a n g e r e n e r g y c o n s e r v a t i o n t e c h n o l o g y 随着现代工业的迅速发展,以能源为中心的 环境、生态等问题日益加剧,节能是非常重要的,也是当务之急,世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备,广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中,强化传热技术的应用不但节能环保,而且节约了投资和运营成本,所以,换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题,受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。 20世纪80年代以来,强化传热技术被誉为 第二代传热技术〔1〕 ,并得到充分的发展。它是 能够显著改善传热性能的节能技术,其主要内容是强化传热元件和改变壳程的支撑结构,用以提高换热效率,达到生产的最优化。 强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类。主动式强化传热需要消耗外部能量,如采用电场、磁场、光照射、搅拌、喷射等手段。被动式强化传热则不需要消耗外部能量,是换热器强化传热主要采用的方法,如传热管的表面处理、传热管的形状变化、管内加入插入物,改变支撑物等 〔2〕 。这里主要介绍被动式传热。
第26卷,总第148期2008年3月,第2期《节能技术》 E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol 126,Sum 1N o 1148 Mar 12008,N o 12 脉动流动强化传热的研究进展 路慧霞,马晓建,赵 凌 (郑州大学化工学院,河南 郑州 450001) 摘 要:介绍了脉动流动强化传热的机理、方法,分析了脉动频率、脉动振幅、雷诺数、管径、脉 动型式、流体物理性质对传热特性的影响,概括了脉动流动强化传热的国内外研究现状,并提出了进一步研究的建议。 关键词:脉动流动;影响参数;强化传热中图分类号:TK 124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2008)02-0168-04 R esearch Advancements of H eat Transfer E nhancement by Pulsating Flow LU Hui -xia ,MA X iao -jian ,ZH AO Ling (C ollege of Chemical Engineering ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450001,China ) Abstract :The mechanism and the study method of heat trans fer enhancement by pulsating flow are intro 2duced 1The effecting factors such as the pulsating frequency ,pulsating am plitude ,Reynolds number ,inner di 2ameter ,pulsating patterns ,and physical properties of the w orking fluid ,are analyzd 1The present status of the experiments and theoretical investigations is summarized 1Recommendations for further research are presented 1K ey w ords :pulsating flow ;affecting factor ;enhancement heat trans fer 收稿日期 2008-01-05 修订稿日期 2008-03-07作者简介:路慧霞(1981～),女,硕士研究生。 马晓建(1953～),男,教授,博士生导师。 由于电子工业的飞速发展,对电子集成块中各 元件间散热的要求越来越高,脉动流动可以加快电子集成块中各元件的散热,从而延长电子元件的使用寿命。脉动传热现象的研究是伴随着脉动燃烧研究的出现、发展和不断完善而孕育发展起来的。由于脉动流动的复杂性,其传热特性受到多因素的影响,涉及多学科理论知识。脉动流动可以作为一种扰流技术应用于强化传热,国内外对于这方面也已进行了相关的研究,并指出流体的掺混是强化传热主要因素之一,因脉动流动能显著增强通道内流体的相互扰动与混合,破坏热边界层,进而改变热阻, 达到强化传热目的〔1,2〕 。脉动流动强化传热以其独特的优越性一直受到国内外的广泛关注,并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。 1 脉动传热的机理 流体脉动强化传热主要是由于流体的脉动导致了壁面处旋涡的大量生成,使紧贴壁面的粘性底层减薄,增加主流流体的湍流度,并增加了流体的掺 混,破坏了边界层,增大换热面的效果,达到强化传 热的目的〔2〕 。整个强化换热过程分为旋涡的生成、分解和扩散三个紧密相连的环节〔3〕。这一过程中, 生成环节是占主导地位的,旋涡的生成密度越大,换热效果越好,而旋涡的生成是沿壁面径向速度梯度增大的结果,因此造成大的径向速度梯度就能达到增加强化传热效果。 2 流体脉动强化传热的方法 流体脉动流动主要有流道几何形状和流体的速度或流动方向呈周期性变化两种类型。利用流体脉动强化传热也主要从这两方面入手,目前主要有传 ? 861?
67 C H I N A V E N T U R E C A P I T A L TECHNOLOGY APPLICATION |科技技术应用 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，它构成了地球生物圈的物质基础。多孔介质传热传质在自然界和人类生产、生活中广泛存在。它对国民经济的发展、科学技术的进步以及人民生活水平的提高具有重要的影响。土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程的人工控制，节水农业工程的实施，地下岩层中石油、天然气和地下水资源的开采，地热能的开发利用等，都涉及到多孔介质中能量和物质的传输问题；动植物中的生命过程也是在多孔介质中发生的传热传质和生化反应的复杂热物理过程；与人民生活密切相关的农副产品、食品、建材和纺织品的干燥、建筑物的隔热保温也是典型的多孔介质传热传质过程；现代铸造技术、燃烧技术、冷冻技术、催化反应技术和各类轻工技术的发展，都与多孔介质传热传质过程密切相联。多孔介质内对流传热的研究是目前传热传质领域最为热门的方向之一。随着金属材料制造技术的发展，特别是多孔泡沫金属的问世，由于其具有质量轻、极大的比表面积和极高的紧凑性等许多优点，有关以多孔泡沫金属作为换热设备的研究也正迅速开展起来。因此，研究多孔介质传热传质过程对于改造自然、造福人类都具有重大的经济和社会意义。本文主要对多孔材料基本理论进行介绍以及目前多孔介质内部流体流动的传热特性的介绍。 一、多孔材料的概述1. 多孔材料的概念 顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。这种多孔固体材料主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成，其中流体相又可随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况，即介质为气体时的气相和介质为液体时的液相。所谓多孔材料，须具备如下两个要素：一是材料中包含有大量的孔隙；二是所含孔隙被用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标。可见多孔材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能项，它们为材料的性能提供优化作用。 图1 多孔介质示意图 2.多孔材料的类型 在工程中常常用到的多孔材料有：多孔金属材料、多孔陶瓷材料、泡沫塑料。严格分类如下： 表1 按多孔材料的来源和固相骨架的化学成分进行分类 天然多孔材料人工多孔材料 非生物性多孔材料（岩石、土壤、砂土）生物性多孔材料（木材、竹、谷物、珊瑚、动物骨骼、海绵） 金属多孔材料（粉末烧结型、纤维型、铸造 型、沉积型、 复合型） 无机多孔材料（多孔陶瓷、混凝土） 有机多孔材料（泡沫塑料）表2 考虑对传热传质有直接影响的结构特征进行分类 固-气（含气）多孔材料 固-液-气（含水）多孔材料 孔隙封闭孔隙连接 非吸湿性吸湿性非吸附性吸附性 非浸润性浸润性 二、多孔材料传热传质研究内容 多孔材料由于其组成的成分与结构不同及所处外部条件不同，导致其内部发生的传热传质现象极不相同。 1.热传导 热传导是多孔材料传热传质现象中最基本形式之一，它主要存在于固相骨架内。热传导现象不涉及物质的宏观迁移，热量由高温处传向低温处。热传导也称热扩散。如果多孔材料内固相骨架为各向异性，则材料的导热系数为各向异性，相应地， 基于当前多孔材料传热传质分析研究报告 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 李梦源 材料内的传热具有方向性。对于封闭型孔隙的多孔出材料，例如用于隔热的泡沫塑料，其中孔隙内的流体可视为处于静止状态，这样，材料内热量的传递也不涉及物质的宏观迁移，这类多孔材料内的传热从其总体效果来看也可视为热传导，只是对材料的导热系数赋予了新的含义，引入等效导热系数（effective thermal conductivity）这一新概念。以等效导热系数研究多孔材料的导热，这种方法成为等效导热系数法。该方法的关是根据多孔材料的结构以及固相骨架与孔隙中流体的导热系数，在此技术上正确选取或建立计算等效导热系数的公式。 2.渗流、热对流与对流传热 在孔隙相互连通的多孔材料内，当相邻孔隙内流体的压力不相同时，流体会从高压处刘翔低压处。对于有效孔隙率低的材料，其渗透率很低，流体的流动速度很缓慢。流体在孔隙间的缓慢流动称为渗流，渗流服从达西定律，通常用雷诺数Re ≦1.0作为判断渗流的条件。例如，孔隙直径d=30μm，孔隙中空气的运动粘度v = 14.8×10-6m 2/s，取雷诺数 ，则按雷诺数Re = 1.0的定义式可得空气渗流的极限速度 ω为 若在此多孔材料内空气的流动速度不大于0.5m/s 即为渗 流；若孔隙中为液相水，液相水的运动粘度v = 1.01×10-6m 2/s，则水的渗流极限速度为ω = 3cm/s。由于渗流的流动速度很小，孔隙内的流体几乎处于静止状态，因此，多孔材料内固相骨架与流体接触处固体与流体之间的温度差别很小，可以假定相同，称为局部热平衡。 随着流体的渗流，也将其携带的能量由高压处传输到低压处，这种能量传输称为热对流。在流体热对流过程中，由于温 度差别而引起的热传导也同时存在于流体内。在某些条件下，如高含水率，流体的导热系数大于固相骨架导热系数，流体中的热传导也可能超过相固中热传达，在讨论诸如高含水率材料干燥时，必须考虑到水中的导热。但在低含水率条件下，孔隙中的流体的热传导总是小于固相骨架热传导。 当材料处于高温气流环境中，高温的气流向低温的材料表面传输热量，这种传热方式称为表面对流传热，简称对流传热。同样，相反的情形，高温的材料表面向低温的气流传输热量，也是对流传热。就引起流体流动的原因而论，对流传热可区分为自然对流与强制对流两类。自然对流是由于流体内部各部分的密度不同而引起的流体的流动，而强制对流则是由诸如鼓风机、水泵等设备强制产生的流体流动。 热对流与对流传热的差别是，前者是指流动流体内部由于流动引起的热量传输而后者是指流动流体与其相接触的固体表面间由于温度不同引起的热量传输。 三、结语 近年来多孔材料的迅速发展使越来越多的人对其产生了浓厚的兴趣。多孔材料的研究正逐步成为整个材料科学领域中一个非常活跃的分支。在多孔材料的应用方面，传热传质问题在多个领域均有涉及，因此，多孔材料的传热传质问题是一个热点问题，本文介绍了该问题的数值研究方法，使作者受益匪浅。 参考文献： [1]《多孔材料传热传质及其数值分析》 清华大学出版社 俞昌铭 著. [2]《多孔材料引论》 清华大学出版社 刘培生 著. [3]《考虑局部非热平衡的流体层流横掠多孔介质中恒热流平板的传热分析》 李菊香, 涂善东 (1 南京工业大学能源学院, 江苏南京210009 ; 2 华东理工大学机械与动力工程学院, 上海200237. [4]达西定律 由法国水力学家 H.-P.-G.达西在1852～1855年通过大量实验得出。其表达式为Q=KFh/L. 作者简介：李梦源,(1991-),女，福建人，华北电力大学本科生，热能与动力工程专业，实验动09班。
三、传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为： 1、载热体用量计算 2、传热面积计算 3、换热器的结构设计 4、提高换热器生产能力的途径。 解决这些问题，主要依靠两个基本关系。 （1）热量衡算式根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则热流体放出的热量等于冷流体取得的热量。即Q热=Q冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。 （2）传热速率式换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率，以Q表示，其单位［W］。实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差△tm及传热面积S成正比，即： Q=KS△tm(3-1) S=nπd L (3-2) 式中：Q──传热速率，W； S──传热面积，m2； △tm──温度差，0C； K──传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2·℃； n ──管数； d ──管径，m； L ──管长，m。 若将式（3-1）变换成下列形式： Q/S=△tm/(1/K) (3-3) 式中：△tm──传热过程的推动力，℃ 1/K ──传热总阻力（热阻），m2·℃/W。 则单位传热面积的传热速率正比于推动力，反比于热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推动力和降低热阻。 另一方面，从式（3-1）可知，如杲工艺上所要求的传热量Q己知，则可在确定K及△tm的基础上算传热面积S，进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。 本章主要介绍应用这两个基本关系解决上述四个问题。介绍的范围以稳定传热为限。所谓稳定传热是指传热量与时间无关，即每单位时间内的传热量为定值。反之，传热量随着时间而变的则是不稳定传热，一般在化工连续生产中都属稳定传热。 就传热机理而言，任何热量传递总是通过传导、对流、辐射三种方式进行的。传热可依靠其中一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是由高温处向低温处流动
2010 年第3期 能 源研究与利用 研究与探讨 基于高温空气Brayton 循环的太阳能热发电具有热力循环温度高、 发电效率高和节水等优点，被认为是太阳能热发电的有效途径之一，具有非常好的应用前景。其中吸热器是完成光热能源转换的关键设备，太阳辐射被聚集到金属或非金属材质的吸热体表面，将其加热，空气流过该表面时即被吸热体加热，空气出口温度可以高至800~1000℃[1~2]。 近年国内外对吸热器强化传热、传热材料等竞相开展研究和开发[2~7]。由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性的特点，造成了吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高，这是制约Brayton 循环太阳能热发电技术商业化应用进程的主要瓶颈。 碳化硅陶瓷材料的导热系数大、强度高、热膨胀系数低、抗热冲击能力强并且抗高温氧化性能优异，将其制成具有三维网络状结构特征的多孔介质材料，有利于强制对流热交换。将高性能泡沫碳化硅陶瓷用于太阳能高温空气吸热器的研制，有望提高现有吸热器技术性能，推动太阳能热空气发电技术的商用化进程。用于太阳能高温空气吸热器的碳化硅 陶瓷材料见图1。[8~9] 图1多孔介质太阳能吸热器材料 本文建立碳化硅泡沫陶瓷空气吸热器的传热传质模型，利用已有的吸热器传热体积对流换热系数模型，采用数值方法求解吸热器温度场，并研究结构参数与运行参数对吸热器温度场分布的影响。 1传热模型 多孔陶瓷吸热器的吸热表面接受太阳的辐射能量，通过导热形式在固体骨架间向内部传递，而空气穿过多孔介质时，与多孔介质发生强制对流换热，空气被加热，温度上升，同时降低多孔介质固体骨架温度，保护了吸热器的安全性，其传热传质过程见图2。 多孔陶瓷高温空气吸热器的温度场和流场可以简化为某一个纵截面二维模型，下面建立多孔介质中的传热传质相关数学模型。 一种多孔介质太阳能吸热器传热研究 许昌1，2 ,刘德有1,郑源1,张德虎1,吕剑虹3 (1.河海大学,南京210098；2.爱荷华大学,美国爱荷华州爱荷华城52246；3.东南大学,南京210096) 摘要：为了研究塔式太阳能多孔介质吸热器的传热传质特性，建立吸热器稳态传热模型，选 择适合多孔介质太阳能吸热器的体积对流换热系数模型，采用数值方法求解，并分别分析孔隙密度、孔隙率和入口空气速度对温度场的影响。文中技术可以为同类型太阳能吸热器的设计和改造提供参考。 关键词：太阳能塔式发电；吸热器；多孔介质；稳态数值研究Abstract:In order to investigate the heat transfer characteristics of a porous media solar power tower plant receiver,this paper proposes the mass and heat transfer models in the porous media so －lar receiver,chooses the preferable volume convection heat transfer coefficient model,solves these equations by the numerical method,and analyzes the typical influences of the cell density,porosity,air inlet velocity on the temperature distribution.The paper can provide a reference for this type of receiver design and reconstruction. Key words:solar power tower plant ；receiver ；porous media ；steady numerical investigation 中图分类号：TK531文献标志码：A 文章编号：1001-5523（2010）03-01-041··
第五章 对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1．定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2．影响对流换热的因素 （1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 （2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 （3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 （4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 （5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。 3．分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度，t t θ=-。