強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理研究結(jié)題摘要

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將納米流體與不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對(duì)納米流體與強(qiáng)化傳熱面的耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。針對(duì)光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項(xiàng)目建立了納米流體流動(dòng)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(jī)理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間其它的作用力，在強(qiáng)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(qiáng)化傳熱，這對(duì)光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機(jī)理的解釋及強(qiáng)化傳熱的方向提供了一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)換熱器，本項(xiàng)目配制了不同種類(lèi)的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計(jì)的穩(wěn)定性檢測(cè)方法-透過(guò)比法，該方法是一種定量檢測(cè)方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目將配制的納米流體與各種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱面、納米顆粒組分對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時(shí)也大大增加了其流動(dòng)阻力。為了能夠客觀、綜合地評(píng)價(jià)這些強(qiáng)化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對(duì)每一個(gè)物理問(wèn)題進(jìn)行模型建立及公式推導(dǎo)，過(guò)程繁瑣。本項(xiàng)目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評(píng)價(jià)相比，本項(xiàng)目的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖適用范圍更廣，只要涉及到強(qiáng)化手段，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則均可適用，并且不再需要單獨(dú)推導(dǎo)和建模，這對(duì)于以后新的強(qiáng)化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)電子元件冷卻，本項(xiàng)目研究了不同的強(qiáng)化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個(gè)臨界組分，這對(duì)于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱管道的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將不同顆粒結(jié)構(gòu)的納米流體與強(qiáng)化換熱管相結(jié)合應(yīng)用于換熱設(shè)備中，對(duì)強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，用于提高換熱設(shè)備的換熱效率。研究?jī)?nèi)容主要包括：將納米顆粒微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)化換熱管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成高階復(fù)雜湍流模型的降階處理，建立強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體湍流流動(dòng)與傳熱的格子Boltzmann模型；研究納米顆粒間的相互作用機(jī)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(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的耦合強(qiáng)化換熱機(jī)理；分析納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)納米流體穩(wěn)定性和湍流流動(dòng)與傳熱特性的影響，建立傳熱學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)價(jià)體系。該項(xiàng)目對(duì)于豐富納米流體強(qiáng)化換熱機(jī)理的研究、推動(dòng)其應(yīng)用有重要意義。

多向擾流強(qiáng)化換熱管高傳熱系數(shù)

多向擾流強(qiáng)化換熱管的秘密在于表面對(duì)凝結(jié)水膜的作用，以及形成對(duì)污垢的光滑與對(duì)水流粗糙的對(duì)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(shù)，在凝汽器常用的換熱管中多向擾流強(qiáng)化換熱管的傳熱系數(shù)最高。

多向擾流強(qiáng)化換熱管低熱阻

凝汽器由四大熱阻構(gòu)成，不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的凝結(jié)熱阻、污垢熱阻、對(duì)流熱阻均較銅合金管低，這是因?yàn)槎嘞驍_流強(qiáng)化換熱管能通過(guò)表面菱形花紋破壞凝結(jié)水膜，變低效的膜狀凝結(jié)為高效的珠狀凝結(jié)，以此降低凝結(jié)熱阻；同時(shí)通過(guò)內(nèi)壁花紋破壞掉水流與管壁之間影響對(duì)流傳熱的附面層，同時(shí)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(duì)流熱阻，此外，多向擾流強(qiáng)化換熱管的光潔度可達(dá)2B級(jí)，且能長(zhǎng)期保持，因此清潔系數(shù)更高，雖然管壁材料的導(dǎo)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(qiáng)化換熱管的總體傳熱熱阻只相當(dāng)于銅管的70%。

多向擾流強(qiáng)化換熱管低成本

凝汽器的成本構(gòu)成有一次性成本和運(yùn)行維護(hù)成本，對(duì)于管子來(lái)說(shuō)，一次性成本就是指購(gòu)買(mǎi)管子的成本，由于不銹鋼的比重比銅管小，加之強(qiáng)度和硬度高，不銹鋼多向擾流強(qiáng)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(dāng)于黃銅管的60%；對(duì)于運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行維護(hù)成本也較黃銅管低很多；不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年，幾乎是黃銅管的3倍，綜合起來(lái)，不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的年均成本只相當(dāng)于黃銅管的15%。

多向擾流強(qiáng)化換熱管抗污垢

首先不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管表面的光潔度可達(dá)2B級(jí)，而且能長(zhǎng)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(qiáng)化換熱管的多向擾流線不僅破壞了污垢生成的附面層，因?yàn)楦矫鎸酉鄬?duì)管壁是靜止的，雖然很薄，但其中也溶解有雜質(zhì)和鈣鎂等能形成硬垢的鹽類(lèi)，靜態(tài)水中的雜質(zhì)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(xiàn)飽和而析出，并附著于管壁，多向擾流強(qiáng)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(shí)也破壞了污垢的連續(xù)性，即使有污垢附著，多向擾流強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化換熱管正好耐氨腐蝕，而且耐沖刷磨損和其它常見(jiàn)腐蝕。

多向擾流強(qiáng)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(wǎng)狀的花紋相當(dāng)于工字鋼的加強(qiáng)筋，增加了抗振性能。

在20世紀(jì)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(nèi),管外走空氣，主要用于空調(diào)器中制冷劑蒸汽的冷凝。為了強(qiáng)化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對(duì)于光滑管內(nèi)的冷凝換熱的機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，制冷劑為純質(zhì)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(shí)，冷凝換熱的強(qiáng)度與流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，光滑管內(nèi)的冷凝過(guò)程一般可分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、團(tuán)狀流和柱狀流，團(tuán)狀流和柱狀流在冷凝過(guò)程的末端出現(xiàn)，不同的流動(dòng)狀態(tài)，冷凝換熱系數(shù)的大小不同。而流動(dòng)狀態(tài)是由蒸汽的剪切力和重力的大小決定的，當(dāng)蒸汽剪切力起主要作用時(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)為環(huán)狀流，當(dāng)重力起主要作用時(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)為分層流、波狀流和團(tuán)狀流。

多向擾流強(qiáng)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(shù)高于普通管，具有一高、二低、三抗、自潔的特性，即傳熱系數(shù)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(qiáng)化換熱管可節(jié)能、節(jié)省材料，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的完美統(tǒng)一。