強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理研究

由于傳統(tǒng)換熱介質的熱容量和導熱系數較小以及普通換熱設備的換熱效率低下，嚴重影響換熱設備換熱效率的提升。本項目將納米流體與不同強化結構的換熱面相結合應用于光熱轉換、換熱器、電子元件冷卻等領域的換熱設備中，對納米流體與強化傳熱面的耦合傳熱特性及強化機理進行研究。針對光熱轉換的腔體，本項目建立了納米流體流動與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機理和納米顆粒在腔體內的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對流動與傳熱的影響規(guī)律，結果發(fā)現布朗力的數量級遠遠大于顆粒間其它的作用力，在強化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強化傳熱，這對光熱轉換腔體內傳熱介質及工況的選擇、傳熱機理的解釋及強化傳熱的方向提供了一定的指導意義。針對換熱器，本項目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計的穩(wěn)定性檢測方法-透過比法，該方法是一種定量檢測方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準確的優(yōu)勢。本項目將配制的納米流體與各種強化結構的換熱管相結合，研究了不同結構的強化換熱面、納米顆粒組分對流動與傳熱的影響，發(fā)現強化結構與納米流體的結合大大提升了換熱效果，同時也大大增加了其流動阻力。為了能夠客觀、綜合地評價這些強化技術，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對每一個物理問題進行模型建立及公式推導，過程繁瑣。本項目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評價準則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評價相比，本項目的火用效率評價準則圖適用范圍更廣，只要涉及到強化手段，該評價準則均可適用，并且不再需要單獨推導和建模，這對于以后新的強化技術在能的品質上的綜合評價有一定的指導意義。針對電子元件冷卻，本項目研究了不同的強化換熱面與納米流體的結合，結果發(fā)現最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個臨界組分，這對于電子元器件冷卻表面結構的設計、傳熱介質及工況的選擇提供了一定的指導意義。

由于傳統(tǒng)換熱介質的熱容量和導熱系數較小以及普通換熱管道的換熱效率低下，嚴重影響換熱設備換熱效率的提升。本項目將不同顆粒結構的納米流體與強化換熱管相結合應用于換熱設備中，對強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理進行研究，用于提高換熱設備的換熱效率。研究內容主要包括：將納米顆粒微觀結構的影響引入顆粒間相互作用力模型中，建立更高精度的納米流體顆粒間相互作用力模型；耦合納米顆粒間主要相互作用力和強化換熱管主要結構參數，完成高階復雜湍流模型的降階處理，建立強化換熱管內納米流體湍流流動與傳熱的格子Boltzmann模型；研究納米顆粒間的相互作用機理和納米顆粒的分布規(guī)律；揭示納米顆粒間相互作用力與強化換熱管結構的耦合強化換熱機理；分析納米顆粒的微觀結構對納米流體穩(wěn)定性和湍流流動與傳熱特性的影響，建立傳熱學與動力學特性的評價體系。該項目對于豐富納米流體強化換熱機理的研究、推動其應用有重要意義。

多向擾流強化換熱管高傳熱系數

多向擾流強化換熱管的秘密在于表面對凝結水膜的作用，以及形成對污垢的光滑與對水流粗糙的對立統(tǒng)一的具有菱形花紋的壁面，從而提高凝汽器的總體傳熱系數，在凝汽器常用的換熱管中多向擾流強化換熱管的傳熱系數最高。

多向擾流強化換熱管低熱阻

凝汽器由四大熱阻構成，不銹鋼多向擾流強化換熱管的凝結熱阻、污垢熱阻、對流熱阻均較銅合金管低，這是因為多向擾流強化換熱管能通過表面菱形花紋破壞凝結水膜，變低效的膜狀凝結為高效的珠狀凝結，以此降低凝結熱阻；同時通過內壁花紋破壞掉水流與管壁之間影響對流傳熱的附面層，同時防止或延緩附面層中污垢在管壁附著的傾向，從而有效地降低了污垢熱阻和對流熱阻，此外，多向擾流強化換熱管的光潔度可達2B級，且能長期保持，因此清潔系數更高，雖然管壁材料的導熱熱阻較銅合金管高，但在總體傳熱熱阻中所占比例只有近5%，因此不銹鋼多向擾流強化換熱管的總體傳熱熱阻只相當于銅管的70%。

多向擾流強化換熱管低成本

凝汽器的成本構成有一次性成本和運行維護成本，對于管子來說，一次性成本就是指購買管子的成本，由于不銹鋼的比重比銅管小，加之強度和硬度高，不銹鋼多向擾流強化換熱管的壁厚可以減薄至銅管的50%-70%，因此一次性投入大約只相當于黃銅管的60%；對于運行維護成本，由于不銹鋼管不需要鍍膜，不需要頻繁清洗，即便清洗也很容易，因此運行維護成本也較黃銅管低很多；不銹鋼多向擾流強化換熱管的使用壽命長達30年，幾乎是黃銅管的3倍，綜合起來，不銹鋼多向擾流強化換熱管的年均成本只相當于黃銅管的15%。

多向擾流強化換熱管抗污垢

首先不銹鋼多向擾流強化換熱管表面的光潔度可達2B級，而且能長期保持，污垢不易附著，附著后清洗也很容易；其次是多向擾流強化換熱管的多向擾流線不僅破壞了污垢生成的附面層，因為附面層相對管壁是靜止的，雖然很薄，但其中也溶解有雜質和鈣鎂等能形成硬垢的鹽類，靜態(tài)水中的雜質很容易沉積附著于管壁，加之管壁溫度較高，因此附面層中的鈣鹽很容易出現飽和而析出，并附著于管壁，多向擾流強化換熱管的擾流線不僅破壞了附面層，消除了污垢生成的先決條件，同時也破壞了污垢的連續(xù)性，即使有污垢附著，多向擾流強化換熱管的多向擾流線能將污垢分散成離散的鱗片狀，便于清洗和剝離。

多向擾流強化換熱管抗腐蝕

凝汽器中最大的危害是氨腐蝕，而不銹鋼多向擾流強化換熱管正好耐氨腐蝕，而且耐沖刷磨損和其它常見腐蝕。

多向擾流強化換熱管抗振

同樣激振條件下，冷凝管的一階固有頻率越高、最大振幅越小，其抗振性能越好。再加上管子表面網狀的花紋相當于工字鋼的加強筋，增加了抗振性能。

在20世紀70年代初期采用的是光滑管，換熱管水平放置，制冷劑蒸汽走管內,管外走空氣，主要用于空調器中制冷劑蒸汽的冷凝。為了強化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對于光滑管內的冷凝換熱的機理進行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，制冷劑為純質制冷劑、近共沸混合物制冷劑及非共沸混合物制冷劑。

研究證實，冷凝換熱的強度與流動狀態(tài)密切相關，光滑管內的冷凝過程一般可分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、團狀流和柱狀流，團狀流和柱狀流在冷凝過程的末端出現，不同的流動狀態(tài)，冷凝換熱系數的大小不同。而流動狀態(tài)是由蒸汽的剪切力和重力的大小決定的，當蒸汽剪切力起主要作用時，流動表現為環(huán)狀流，當重力起主要作用時，流動表現為分層流、波狀流和團狀流。

多向擾流強化換熱管是一種新型高效換熱管，兼有銅管良好的傳熱性能和不銹鋼管優(yōu)異的耐腐蝕能力，總體傳熱系數高于普通管，具有一高、二低、三抗、自潔的特性，即傳熱系數高、熱阻低、成本低、抗污垢、抗腐蝕、抗振和自潔作用，凝汽器采用不銹鋼多向擾流強化換熱管可節(jié)能、節(jié)省材料，實現經濟性、安全性和可靠性的完美統(tǒng)一。