微通道内气泡扰流强化换热研究
Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2016, 4(5), 174-183 Published Online October 2016 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/f57481403.html,/journal/aepe https://www.sodocs.net/doc/f57481403.html,/10.12677/aepe.2016.45023
文章引用: 余同谱, 吴文煜, 肖小康, 刘国华. 微通道内气泡扰流强化换热研究[J]. 电力与能源进展, 2016, 4(5): 174-
Study on Heat Transfer Enhancement of Bubble Disturbed Flow in Microchannel
Tongpu Yu, Wenyu Wu, Xiaokang Xiao, Guohua Liu
School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Ma’anshan Anhui
Received: Sep. 30th , 2016; accepted: Oct. 21st , 2016; published: Oct. 24th
, 2016
Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
https://www.sodocs.net/doc/f57481403.html,/licenses/by/4.0/
Abstract
In order to effectively solve the problem of high-heat-flux heat transfer caused by the micro in-tegration of electronic devices, in this paper, we propose to strengthen the heat transfer by us-ing the idea of bubble flow. Specific approach is to use water and air bubble as fluid medium in the microchannel with periodic saw tooth structure, inertial confined flow over the zigzag micro structure surface, resulting in periodic bubble bouncing motion disturbance near the wall thermal boundary layer, so as to achieve the purpose of strengthening heat transfer. In this pa-per, we will systematic study the dip angle of the zigzag structure, effects of foaming frequency and main flow velocity on the movement and heat transfer of air bubbles, and reveal the cha-racteristics of coupled flow and heat transfer between zigzag micro structure and air bubble, providing a new perspective to study the multiphase fluid-solid coupling efficient heat transfer. Keywords
Microchannel, Thermal Boundary Layer, Bubble Bouncing Motion, Fluid-Solid Coupling
微通道内气泡扰流强化换热研究
余同谱，吴文煜，肖小康，刘国华
安徽工业大学能源与环境学院，安徽 马鞍山
收稿日期：2016年9月30日；录用日期：2016年10月21日；发布日期：2016年10月24日
Open Access
余同谱等
摘要
为有效解决电子器件微集成化带来的高热流散热问题，本文提出用气泡扰动流思想来强化换热。具体做法是在带周期性锯齿结构的微通道内，以水与空气泡两相流为流体介质，惯性受限流动过锯齿微结构表面，产生周期性气泡弹跳运动扰动近壁区热边界层，从而实现强化换热的目的。本文将系统研究锯齿结构倾角、发泡频率以及主流流速对气泡弹跳运动与换热的影响，以揭示锯齿微结构与气泡弹跳运动的耦合流动换热特性，为多相流流固耦合高效换热研究提供新视角。
关键词
微通道，热边界层，气泡弹跳运动，流固耦合
1. 引言
近年来，能源危机和环境污染问题日益突出，使得清洁能源的使用及提高能源使用效率得到空前关注。如热光伏电池、电动车和LED灯等的推广和使用。其中动力电池热管理及LED等电子器件的散热问题成为这些技术发展的瓶颈，传统的散热方式无法满足日益攀升的散热需求。此外，石油化工产业、空调产业以及食品医疗产业等领域也需要严格的热管理，因此，研究热量的疏散和冷却有重要的科学意义和工程应用价值。
微通道散热器具有比表面积大，结构简单和散热能力强等优点，已经被广泛地用于微电子器件的冷却。目前，解决微电子器件冷却热管理问题最具潜力的方法是微尺度两相沸腾换热[1] [2]，利用液体蒸发相变移除芯片中的热量，从而使得器件能够安全可靠地运行。然而，沸腾两相流很容易产生流动不稳定性而导致传热恶化，国内外研究学者对此进行了精彩的研究[3]-[8]。强化换热的主要思路就是促进微通道内流动扰动分离，使边界层得不到充分发展，从而增强流体扰动来强化换热。因此，经常通过改变散热表面结构如：弯曲微通道、在通道表面加核化穴、凹槽或肋片等来实现流动扰动。
Tuckerman和Pease [9]最早提出了微通道换热器的概念，其核心思想是在芯片底部加工微通道，流经微通道的流体通过对流换热方式带走热量。他们采用化学刻蚀与精密加工方法在0.5 mm厚的硅基板上加工出槽宽和壁厚均为50 μm、通道高宽比约为10 μm、深300 μm的平行矩形通道，以水为冷却介质，在温升为71℃、压力降为350 kP的条件下获得了790 W/cm2散热量。Xu等人[10] [11]设计出基于热边界中断的交错结构微通道散热器，与传统微通道不同的地方在于，向平行微通道中加入了横断通道，阻碍边界层在流动方向上的充分发展，产生连续的入口热边界层，以达到强化传热目的。Xia等人[12] [13]研究了周期性变截面扩张–收缩–扩张和更复杂结构的微通道散热器，与传统结构对比，发现这两种结构具有更好的散热效果。此外，Chai等人[14]在微通道两侧有规律地布置扇形凹槽表面结构，Ali等人[15]设计出一种倾角为20?的锯齿形结构微通道，以及Xie [16]建立的波纹形微通道等等，它们都在一定程度上实现了流动扰动，显著提升了换热效率。
本文基于气泡扰流强化换热思想，设计出一种带周期性锯齿结构的微通道。根据数值模拟结果对微通道内气泡扰流强化换热的原理进行了验证分析，得到锯齿结构的倾角、气泡频率以及主流流速对气泡弹跳运动与换热的规律。从本质上揭示了锯齿微结构与气泡弹跳运动的耦合流动换热特性，为进一步实验研究提供了依据。
余同谱 等
2. 物理模型
2.1. 计算模型和冷却介质特性
以锯齿状表面作为弹跳运动的接触面，设计出带周期性锯齿结构的微通道，底部加热面和锯齿结构由铜材料制造，结构如图1所示，几何参数为：当量直径550 μm ，长度12.1 mm ，底部固体换热面厚度为10 μm ，锯齿的高度h 为350 μm ，而锯齿倾角α为需要研究的重要控制参数。
模拟中，以水与空气两相流为冷却介质，在标准大气压下，水、空气和铜的热物理性质列于表1。为了简化计算，对模型做出以下假设：(1) 微通道雷诺数极小，流动模型为层流不可压缩流体，气相和液相的物性参数(密度、比热)为常数，不随时间改变；(2) 气相整体均为饱和相，其内部不存在温度梯度和热传导；(3) 微通道尺寸非常小，Bo 尺寸效应数远大于1，忽略重力影响，且默认表面张力在流动过程起到主要作用；(4) 为了单独定性研究气泡流的碰撞弹跳对换热的影响，假定液相不发生相变换热，主要讨论气泡运动对流动和传热的影响；(5) 微通道内表面光滑，无滑移产生。
2.2. 控制方程和边界条件
气液两相在相间面上发生的传热和传质过程使得两相流动异常复杂，这给气液两相流的模拟带来了困难。目前关于气液界面的追踪方法主要有Level Set 方法和Volume of Fluid (VOF )方法。Level Set 方法不需要显示追踪相界面的运动，界面通过LS 函数进行捕获和追踪，缺点是难以保持体积守恒。VOF 方法是计算和追踪每个计算单元中特定相的体积分数而不是相界面本身，因此具有体积守恒性，它能够容易地处理具备复杂界面的拓扑变化的两相流动及传热。
本文采用VOF 法对微通道中气液两相流进行数值模拟研究，通过求解区域内的动量和体积分数来模拟两相流流动，并且在每个计算单元中，相的体积分数和为1。控制方程如下：
连续性方程
()0v t
ρρ?+?=? (1-1) 动量方程
()()()
-T vol v vv p v v F t ρρμ? +?=?+??+?+ ? (1-2) 式中，v 为速度矢量，m ?s ?1；ρ为流体密度，kg ?m ?3；μ为流体粘度，Pa ?s ；p 为压力，Pa ；g 为重力加速度；FF vvvvvv 表示区域表面张力的体积力形式，N ?m ?3。在水平微通道中表面张力占主要作用影响，同时可以
忽略重力作用。 体积分数方程
()0g
g v t αα?+?=? (1-3)
()0l l v t
αα?+?=? (1-4) 1l g αα+= (1-5)
式中，α为相体积分数，下标g 表示气相，l 表示液相。
表面张力方程
余同谱 等
Figure 1. Zigzag microchannel structure model
图1. 锯齿形微通道结构模型
Table 1. Physical property parameters of each material saturation state in a standard atmospheric pressure
表1. 一个标准大气压下各物质饱和状态的物性参数
类别
状态 密度ρ kg/m 3 热熔C P kJ/(kg·k) 导热系数λ W/(m·K) 运动粘度ν 10?6 m 2/s 水
液态 995.7 4.12 0.62 0.805 空气
气态 1.165 1.00 0.027 16 铜 固态 8930 0.38 395.33 -
()0.5g g g g l l l l
vol g l k k F ρααραασρρ?+?=+ (1-6)
g g l g k k αα ? =?=?? ?
(1-7) 式中，σ为表面张力，N ?m ?1；k 为界面曲率，m ?1。
混合物物性方程
g g l l ρραρα=+ (1-8)
g g l l μμαμα=+ (1-9)
计算域内的所有固定表面均采用无滑移壁和光滑壁边界条件。入口采用速度入口边界条件(velocity-inlet )，速度值为常数。入口水温设为300 K 。出口采用压力出口边界条件(pressure-outlet )，出口表压设为0 Pa 即自由出流。在铜衬底的背面沉积有一层铂薄膜，提供了一个均匀的热流密度为50 kW/m 2，有效加热区域的长度覆盖1、2、3和4区域，有效加热区域的宽度比微通道的宽度略窄。使用表面连续张力模型，表面张力设为定值71.2 dy/cm 。由于在本研究的气泡弹跳模型中，气泡与壁面属于弹性碰撞，并且通过查阅文献发现[17]，当壁面处气泡与液体的接触角θ > 4.67?时，气泡在倾斜壁面上运动是滚动运动，并始终与壁面存在一层液膜。因此，将气、液和固三相交界面的接触角设为0?。在微通道入口处设置种子气泡发生器，以一定的频率向微通道发射微气泡，从而在时间序列上产生可控的气泡。
2.3. 网格划分和数值方法
基于CAD 软件创建的二维模型，使用前处理软件GAMBIT 进行网格划分。对于锯齿结构表面，计算域采用结构化的三角形网格。其余部分的计算域采用结构化的四边形网格。具体的网格划分如图2所示。
然后把网格导入FLUENT 软件中进行计算，该软件能够准确描述气液两相流换热模型。非稳态项用一阶隐式时间步进法进行处理，时间步长设定为2 × 10?6 s 。压力和速度的耦合采用PISO
算法，压力项
余同谱等
Figure 2. Grid system
图2. 网格系统
采用PRESTO!格式，动量方程采用二阶迎风格式，气液相界面的处理采用几何重构方案(Geo-Reconstrcut)。
通过调节亚松弛因子以达到计算收敛。模拟结果用FLUENT自带的后处理器、Tecplot软件以及Origin 软件进行分析。
3. 结果与讨论
3.1. 气泡弹跳扰流原理
微通道中气泡沿壁面发生周期性弹跳是复杂的运动及传热过程。在不考虑相变的前提下，气泡主要通过扰动温度边界层来强化换热，而气泡本身运动则受到液相流体的影响。为了研究气泡弹跳运动及强化换热的规律，本节将对气泡弹跳运动过程进行简单的介绍。以单个气泡弹跳运动过程加以说明，如图3所示，将单个气泡的运动周期分为冲撞段和弹跳段，其中冲撞段对于强化传热起着关键性作用。在液相流体的惯性推动下，气泡与锯齿壁面发生碰撞，然后沿壁面向下滑移一段距离，对凹槽底部的热边界层产生强烈的扰动，从而强化了液膜内的对流换热(冲撞段)。随后在凹槽底部涡流的作用下上升进入主流区，与上表面发生碰撞后，继续与下一个锯齿壁面发生碰撞，对应的过程称为弹跳段，如此弹跳循环，周而复始，单位时间内与锯齿壁面发生碰撞的气泡数目越多，对流换热效率越高。
3.2. 锯齿结构倾角对气泡弹跳运动与换热的影响
为了验证锯齿结构微通道的换热特性，以矩形直微通道作为比较对象，它们的深度和平均水力直径相同。在同样的工况下(u = 0.25 m/s, q = 50 kW/m2)，比较它们的流动与换热能力，图4给出了两种类型
余同谱等
Figure 3. The process of single bubble bouncing motion
图3. 单气泡弹跳运动过程
Figure 4. Temperature distribution along the axial direction
of the rectangular microchannel and zigzag microchannel
图4. 两种微通道沿轴向的加热面温度分布
微通道加热面温度的变化曲线。可以看出，相对于矩形直微通道，周期性锯齿结构微通道的加热面的温升要缓和些，这是因为锯齿结构在流向上阶段性的阻碍了热边界层的充分发展，从而温升呈现阶段性增长。因此，周期性锯齿结构微通道的换热效率比一般矩形直微通道要好。
为了研究两相流中气泡弹跳运动对上述温升阶段性增长的规律，我们对单个气泡进行模拟研究。在不改变锯齿高度h的情况下，依次改变不同锯齿结构倾角α，在上述同样的工况下，得到相应的微通道加热面温度分布曲线，如图5所示，并从中找出合适的锯齿倾角作为模拟对象。本研究选取了四种倾角的锯齿结构进行数值模拟，分别是15?、20?、25?、30?。分别记录了对应锯齿倾角下的气泡运动轨迹，可以发现，15?的锯齿倾角下的单气泡与锯齿壁面的碰撞次数较多，与锯齿壁面的耦合程度最好，换热效率最高。同时，该结果也为下面多气泡流模拟起到重要的基础作用。
3.3. 发泡频率对气泡弹跳运动与换热的影响
在通道入口时间序列上产生一连串的气泡，这些气泡连续不断地与锯齿壁面发生碰撞，使得近壁面
余同谱等
Figure 5. Single bubble motion trajectory under different saw
tooth inclination angle
图5. 不同锯齿倾角下单气泡的运动轨迹
热边界层处于持续扰动状态，从而强化了对流传热。本节讨论四种发泡频率(250 Hz, 167 Hz, 143 Hz, 125 Hz)时微通道内对流换热状况。
图6所示为不同发泡频率下微通道压降随时间的变化曲线。可以发现，微通道压降呈周期性脉动变化，并且随着发泡频率的增加，脉动幅度有效降低。当气泡流经微通道锯齿壁面狭窄的顶端位置时，就会对冷却介质的流动产生阻碍作用，因而压力骤增，这对应曲线图中的波峰。而当气泡流经冲撞段时，由于该区段底层漩涡区流速较低，因而压力也是最低的，即对应曲线图中的波谷。此外，在靠近微通道出口处压力迅速升高，这是由于气泡内高压气体对出口边界产生高压冲击所致的。图7为不同发泡频率下微通道加热面的平均温度随时间的变化曲线。其中在初始段0～0.01 s内，由于传热过程存在响应时间，加热面的平均温度变化趋势不大，对应的为多气泡流入口发展阶段。发现，在四种不同频率下，加热面的平均温度近似呈线性下降趋势，并且随着发泡频率的增加，温度下降得越快，在0.06 s后加热面的平均温度下降了1 K以上。此外，经实验研究发现，发泡频率太大或太小都不能很好起到强化传热的效果。
太小则产生的气泡数较少，与锯齿壁面发生碰撞的次数随之减少，从而达不到理想的效果。过大则产生大量的气泡，由于气泡间的融合变成长长的气弹，严重影响换热效率。因此，只有在一定范围内提高发泡频率才能起到强化传热的目的。
3.4. 主流流速对气泡弹跳运动与换热的影响
在气泡弹跳运动过程中，气泡是在流体推动下运动的，因而冷却介质的流速对气泡的弹跳运动影响较大。为了比较不同主流流速对对流传热的影响，设置了四种不同的主流流速(0.2 m/s, 0.22 m/s, 0.27 m/s,
0.3 m/s)，并给出不同主流流速下加热面的温差分布曲线(初始温度与某时刻温度之差，大于0说明加热面
温度在下降，反之，加热面温度在上升)，如图8所示。可以发现，增加主流流速对于降低加热面温度的效果十分显著。其中最大的温差波峰，即加热面温度下降幅度最大，换热效率最高，对应的是锯齿壁面底部旋涡区域。这是由于增加主流流速，单位时间内与锯齿壁面发生碰撞的气泡数目增多，对近壁面热边界层的扰动加强所致。因此，适当提高主流流速，强化的气泡流的冲撞过程，对于强化对流传热非常重要。
余同谱等
Figure 6. The pressure drop of the inlet and outlet of the microchannel varies with time at different foaming frequencies
图6. 不同发泡频率下微通道进出口压降随时间的变化
Figure 7. The average temperature of the heating surface changes
with time at different foaming frequencies
图7. 不同发泡频率下加热面的平均温度随时间的变化
4. 结论
本文针对带周期性锯齿结构的微通道内气泡周期性弹跳扰动流强化换热的物理机制进行模拟研究，
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Figure 8. Temperature change curve of microchannel heating surface
at different main velocity
图8. 不同主流速度下微通道加热面的温差变化曲线
建立并验证了锯齿表面结构与气泡弹跳运动耦合特性。重点介绍了气泡弹跳运动强化传热的原理，同时说明了锯齿结构倾角、发泡频率以及主流流速对气泡弹跳运动与换热的影响。主要结论如下：
1) 对于带周期性锯齿结构的微通道，近壁面热边界层的发展呈间断性中断，壁面温升相对平缓。锯
齿微结构与气泡弹跳运动的耦合程度较好，强化换热效率显著。
2) 通过比较不同倾角的锯齿结构中气泡弹跳运动轨迹，发现在15?锯齿倾角模型中，气泡的运动轨
迹与冲撞段耦合最佳。因此本文选择15?锯齿倾角模型作为多气泡流模拟对象。
3) 经实验研究发现，发泡频率太小或太大都不能起到很好的换热效果。因此，只有在一定发泡频率
范围内适当提高发泡频率，才能达到强化传热的目的。
4) 对比不同主流流速对气泡扰流换热的影响，发现温差下降最大的区域位于气泡冲撞段。适当提高
主流流速有利于提高冲撞段换热，提高微通道换热效率。
基金项目
国家自然科学基金项目(No. 51576002)，安徽工业大学青年科研基金(QZ201415)。
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微通道换热器研究进展
微通道换热器研究进展 更新时间：2011-06-13 13:53:26 微通道换热器研究进展 钟毅尹建成潘晟旻 (昆明理工大学) 摘要：从微通道换热器的发展历史出发,介绍其制造方式、结构和材料,重点介绍对微通道换热器发展和降低成本有重要影响的全铝微通道管材成形加工技术。对微通道传热的特征进行述评,从微电子微机械高效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现微通道换热器的应用前景。 关键词：微通道;换热器;传热特性;压力降;空调;制冷 10~50mm, 3~10mm,0.6~2mm,10~600μm,这既是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求,也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。 1 微通道换热器的发展历程 微通道换热器(见图1[1-2])的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981 年,Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念;1985年,Swife,Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展, 10~1 000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器,体积换热系数达到 7MW/(m3·K);1994年Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/(m3·K);2001年,Jiang等提出了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实
际上是一个微散热系统,由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的高速运行[3]。 在汽车空调方面,由于传统的氟利昂系列制冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用,已被《蒙特利尔议定书》禁止。R134a作为一种过渡型替代品,由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势[5],若采用合适的制冷循环,CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当,甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环为超临界循环,压力很高[6],在空调系统中高压工作压力要到13MPa以上,设计压力要达到42.5MPa,这对压缩机和换热器的耐压性均提出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的前提下,微通道气体冷却器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好准备,将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。 在家用空调方面,当流道尺寸小于3mm时,气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸,通道越小, 0.5~1mm时,对流换热系数可增大50%~100%。将这种强化传热技术用于空调换热器,适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施,预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。 与最高效的常规换热器相比,空调器的微通道换热效率可望提高
换热器的研究现状及应用进展
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
(完整word版)强化传热技术
1、强化传热的目的是什么？ （1）减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；（2）提高现有换热器的能力；（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。 2、采用什么方法解决传热技术的选用问题？ （1）在给定工质温度、热负荷以及总流动阻力的条件下，先用简明方法对拟采用的强化传热技术从使换热器尺寸大小、质轻的角度进行比较。这一方法虽不全面，但分析表明，按此法进行比较得出的最佳强化传热技术一般在改变固定换热器三个主要性能参数（换热器尺寸、总阻力和热负荷）中的其他两个，再从第三个性能参数最佳角度进行比较时也是最好的。（2）分析需要强化传热处的工质流动结构、热负荷分布特点以及温度场分布工况，以定出有效的强化传热技术，使流动阻力最小而传热系数最大。（3）比较采用强化传热技术后的换热器制造工艺、安全运行工况以及经济性问题。 3、表面式换热器的强化传热途径有哪些？ （1）增大平均传热温差以强化传热；（2）增加换热面积以强化传热；（3）提高传热系数以强化传热。 4、何为有功和无功强化传热技术？包括哪些方法？ 从提高传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、无源强化技术。有功强化传热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的；无功传热强化技术则无需应用外部能量即能达到强化传热的目的。有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；无功强化传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动流体法等。 5、单项流体管内强制对流换热时，层流和紊流的强化有何不同？ 当流体做层流运动时，流体沿相互平行的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动方向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进行，因而换热强度较低。因此，对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态为主要手段。当流体做湍流运动时，流体的传热方式有两种：在层流底层区的热量传递主要依靠导热；而在底层以外的湍流区，除热传导以外，主要依靠流体微团的混合运动。除液态金属以外，一般流体导热率都很小，湍流换热时的主要热阻在层流地层区。因此对于强化湍流流动的换热，主要原则应是减薄层流底层的厚度。 6、管式换热器一般采用圆管还是矩形通道？为什么？ 在管子数目、工质流量及管道横截面周界均给定的情况下，圆形管道的流通截面积最大，矩形的最小，而流速恰好相反。在个管道中温度条件相同时，矩形管道能增加换热系数，但同时阻力也剧增，这就是管式换热器一般采用圆管而不用换热效果横好的矩形管道的原因。 7、采用扩张-收缩管式如何强化传热的？ 流体在扩张段中产生的强烈漩涡被流体带入收缩段时得到了有效利用，从而增强了传热。此外，在收缩段中由于流体流过收缩截面时流速增高，使流体边界层中流速也相应增高，从而也增进了传热效应。
微通道换热器流体流动传热研究
微通道换热器流体流动传热研究 刘庆荣，山东豪迈化工技术有限公司 摘要:微小型化是当代科技发展的重要方向之一。近些年来微小通道紧凑式产品在汽车、宇航、电子和制冷等行业内的应用越来越广，但是对于微小型通道内的流动传热机理等问题仍然还存在着很多争论，这方面的基础研究仍然处于初步阶段。本文从流体流动角度总结了近年来学者对微通道内的流动和传热的研究成果，适当分析了不同结构的微通道内流动传热机理的差异。为设计出比较适合的微通道产品，提供了流动特性的定性分析; 引言 微尺度科学中物质和能量的输运均发生在一个受限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换，据热力学第二定律可知，任何不可逆过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。因此，不仅在微通道中的流动、传热方面，对于其他所有微系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺寸内的行为已经成为迫在眉睫的任务。 一般来讲，所谓“微尺度”并没有严格的界定，只是一个相对大小的概念。随着研究对象的不同，出现微尺度效应的空间尺度范围也不相同。通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:微米—亚微米—纳米—团簇—原子。 在微尺度中的流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热，换言之，当研究对象微细到一定程度以后，出现了流动和传热的尺度效应。目前需要着重讨论研究的是尺度微细化后出现的力学、热学等现象和规律的变化，以及微细到什么程度才出现变化等。 尺度效应中下列情况值得注意: （1）由于尺度的微细，面体比增大，从而使表面作用增强，表面作用包括粘性力、表面张力和换热等。 （2）对于微尺度的物体，流动和传热的边缘效应和端部效应特别明显，其三维效应不能忽略，所以一般情况下，微细尺度物体不能简化为二维、一维问题来处理。 1.通道结构型式 根据常规换热器的结构以及微通道换热器研究的文献资料，微通道换热器结构形式可以归纳为两种:一是单一通道（类似于蛇形盘管，不需要对流体工质进行分液处理，如图1)，二是并排通道(须考虑对流体工质的分配问题)。为了能有效地找到一种比较实用的、可靠通道结构，这里借助Fluent软件对不同通道结构形式进行了流动特性的定性分析，以便确认一个流动特性较好的通道结构形式。Fluent定性分析的前提是对所有结构而言流体的初始条件是一样的;通过分析他们之间的压力降、流动的均匀性以作比较，从而确定较为理想的通道结构形式。 就单一通道的微通道换热器来说，优势在于不存在流体有效分配的问题，而且由于通道较长有利于制冷剂的相变换热的完全进行，不过其存在的不利因素有：
国外换热器新进展
国外换热器新进展 【关键词】强化传热,传热元件,壳程设计,新型高效换热器 【摘要】简述了国外近年来换热器的发展概况，介绍了强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计以及国外推出的各种新型高效换热器的有关情况。 Recent advances on foreign heat exchangers Abstract The recent progress of foreign heat exchangers in lasted years is outlined, research of enhanced heat transfer, development of heat transfer elements and structural design of new type shell side are introduced,and new high-effective heat exchangers abroad are commented. Key words:enhanced heat transfer,heat transfer elements, shell side design,new high-effective heat exchangers 1概述 70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。 最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，
简析强化传热技术及一些典型的应用应
简析强化传热技术及一些典型的应用 论文摘要：本文阐明了强化传热技术的重要性及其发展趋势；包括强化传热的分类、强化传热的途径、强化传热的应用场合等；列举了一些强化传热的典型应用，包括表面增强型蒸发管、采用波纹换热管管内强化传热、采用超声波抗垢强化传热技术、采用螺旋槽管的强化传热技术、采用小热管的强化传热技术等。通过分析得出强化传热应注意的一些问题。 论文关键词：强化传热典型应用 由于生产和科学技术发展需要强化传热从80年代起就引起了广泛的重视和发展。表现在设计和制造各类高性能热设备，航空，航天及核聚变等尖端技术，计算机里密集布置电子元件的有效冷却。正是上述原因促使人们对强化传热进行及为广泛的研究和探讨，从80年代到现在近20多的时间里，世界各国的科学领域里，有关强化传热研究报告举不胜数。 一、强化传热技术的分类 (一）导热过程的强化 导热是热量传递的三种基本方式之一，它同样也存在着强化问题。导热是依靠物体中的质童（分子，原子，或自由电子）运动来传递能量。固体内部不同温度层之间的传热就是一种典型的导热过程，但固体之间接触存在着接触热阻，降低了能量的传递，在高热流场合下，为了尽快导出热量必须设法降低接触热阻，一般可采用以下方法： 1、提高接触面之间光洁度或增加物体间的接触压力以增加接触面积 2、在接触面之间填充导热系数较高的气体（如氦气） 3、在接触面上用电化学方法添加软金属涂层或加软技术垫片 (二）辐射换热的强化 辐射换热普遍存在于自然界和许多生产过程中，只要物体温度高于绝对零度，它就能依靠电磁波向外发射能量，所以物体之间总是存在着辐射换热，在物之间温度差别不是很大的情况下，辐射换热可以忽略，但在高温设备中辐射却是换热的主要方式。而影响辐射换热的因素主耍有：表面粗糙度，固体微粒，材料。 (三）对流换热强化 对流强化传热与流体的物理特性，流动状态，流道几何形状，有无相变发生以及传热壁面的表而状况等许多因素有关。其中对流换热的有源强化又可分为：利用机械搅动加强流体与壁面间的传热，流体脉动和传热面震动时的对流换热，电磁场作用下的对流换热，经过多孔壁有质量透过时的壁面换热。而对流换热的无源换热又可分为：管内插入物对传热的增强，涡旋流动的强化传热，添加物对流换热，流化床与埋管间的传热，射流冲击。 二、强化传热的途径 在热设备中应用强化传热技术的目的一般有：（1)增加输热量；（2)减少换热面积和缩小设备体积；（3)降低载热剂输送功率的消耗；（4)降低高温部件的温度。在表面式换热器中，单位时间内的换热量Q与冷热流体的温度差At及传热面积F成正比，即Q=KFAt，式中K为传热系数，是反映传热强弱
强化传热技术
强化传热技术研究进展 1概述 由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪80年代以来获得了广泛的重视和发展。 首先，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。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。 其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。 最后，随着计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。 正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近40年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。 20世纪80年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著的成绩。1980年到2000年中国经济年平均增长9.7% 而能源消耗的年增长仅为4.6% 节能降耗年平均达5%。“九五”期间我国每万元国内生产总值GDP能耗1990年价由1995年的3.97吨标准煤下降到2000年的2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达4.1亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约660亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫820万吨二氧化碳计1.8亿吨。当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。 纵观强化传热技术的发展传热强化的研究自始至终有着明确的目标和广泛的应用背景表现出高速度、实用性以及不断迎接高技术发展的挑战等三个突出特点。现代科学技术的飞速发展和能源的严重短缺对传热强化不断提出新的要求，使得研究深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，甚至成为某些高新科技中的关键。随着世界能源出现短缺和人们环保意识的增强，节能已成为经济可持续发展的重大需求。我国的节能技术的应用远落后于发达国家，实用的高效强化传热技术，在工业应用中具有广阔的前景。强化传热技术在石油、化工和能源等领域的应用，将带来巨大的经济和社会效益。在未来的几十年，能源环境、微电子和生物技术等领域必将成为传热强化研究和应用的重要舞台。 2强化传热技术研究现状 Bergles在总结强化技术及其发展时，将强化换热技术划分为三代。从19世纪末开始，人们开始关注传热强化的研究，但是由于当时的工业生产水平对传热强化的要求不是很迫切，所以对于强化传热的研究基本上属于实验科学，还很不成熟，相应的传热强化技术属于第一代。从20世纪70年代石油危机开始，国际传热界加强了传热传质过程的机理研究，
微通道换热器前景
微通道换热器研究进展 微通道换热器研究进展 钟毅尹建成潘晟旻 (昆明理工大学) 摘要：从微通道换热器的发展历史出发,介绍其制造方式、结构和材料,重点介绍对微通道换热器发展和降低成本有重要影响的全铝微通道管材成形加工技术。对微通道传热的特征进行述评,从微电子微机械高效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现微通道换热器的应用前景。 关键词：微通道;换热器;传热特性;压力降;空调;制冷 换热器工质通过的水力学直径从管片式的 10~50mm,板式的 3~10mm,不断发展到小通道的 0.6~2mm,微通道的 10~600μm,这既是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求,也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。 1 微通道换热器的发展历程 微通道换热器(见图1[1-2])的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念;1985年,Swife,Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展,人们已经能够制造水力学直径 10~1 000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器,体积换热系数达到7MW/(m3·K);1994年Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/(m3·K);2001年,Jiang等提出了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实际上是一个微散热系统,由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的高速运行[3]。 在汽车空调方面,由于传统的氟利昂系列制冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用,已被《蒙特利尔议定书》禁止。R134a 作为一种过渡型替代品,由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势[5],若采用合适的制冷循环,CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当,甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环为超临界循环,压力很高[6],在空调系统中高压工作压力要到13MPa以上,设计压力要达到42.5MPa,这对压缩机和换热器的耐压性均提出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的前提下,微通道气体冷却器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好准备,将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。
微通道换热器-why
微通道换热器综述 1 前言 换热器工质通过的水力学直径从管片式的φ10-50mm，板式的φ3-10mm，不 μ，这既是现代微电子机械快断发展到小通道的φ0.6-2mm，微通道的φ10-600m 速发展对传热的现实需求，也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。 微通道换热器的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90 年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年，Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念；1985年，Swife，Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展，人们已经能够制造水力学μ通道所构成的微尺寸换热器。1986年，Cross和Ramshaw研直径φ10-1000m 制了印刷电路微尺寸换热器。体积换热系数达到7MW/(m3·K)；1994年，Friedrich 和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/ ( m3·K)；2001年，Jiang 等提出了微热管冷却系统的概念。该微冷却系统实际上是一个微散热系统，由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器，可实现主动冷却，支持高密度热量电子器件的高速运行。在汽车空调方面，由于传统的氟利昂系列制冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用。已被《蒙特利尔议定书》禁止。R134a作为一种过渡型替代品，由于其温室效应指数很高(约为CO2的1300倍)，也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势。若采用合适的制冷循环，CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当，甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环为超临界循环，压力很高。在空调系统中高压工作压力要到13MPa以上，设计压力要达到42.5MPa，这对压缩机和换热器的耐压性均提出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的前提下，微通道气体冷却器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好准备，将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。 在家用空调方面，当流道尺寸小于3mm时，气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸。通道越小，这种尺寸效应越明显。当管内径小到φ0.5-1mm 时，对流换热系数可增大50%-100%。将这种强化传热技术用于空调换热器，适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施，预计可有效增强空调换热器
板式换热器的研究进展
板式换热器的研究进展 发表时间：2020-04-03T14:58:53.603Z 来源：《建筑实践》2019年38卷第22期作者：陈厶玮1 陆明伟2 [导读] 近年来，随着现代化建设的发展，我国的能源建设发展也有了改善摘要：近年来，随着现代化建设的发展，我国的能源建设发展也有了改善。换热器的出现是人类社会发展中对热量交换管理作出的一次重要改进。通过换热器应用，能够满足人们对于热量交换的处理需求，对于人们日常生活水平提升具有重要意义。由于换热器构成方式不同，整个器件运行过程中形成的热量交换方式也有所不同。一般情况下，换热器构成类型有管式换热器和板式换热器两种，不同类型换 热器能够最大限度上满足人们对于热量交换处理的需求。本文针对换热器应用现状及进展展开讨论研究，希望能够对换热器未来发展方向做出分析，提升换热器应用研究水平。 关键词：板式换热器；研究进展；措施引言 我国能源需求刚性增长，消费水平居世界前列并仍在快速增长，其中工业能耗约占总能耗的70%，节能减排形势严峻、意义重大。换热器广泛应用在化工、石油、冶金和电力等领域，其性能对提高能效具有显著价值，国内外研究人员都非常重视强化换热技术，通过不断开发新型的换热器结构、优化设计参数、选用特殊材料来提高换热效率、减少流动阻力、改善环境适应性，从而提高换热能力，提升设备在行业的竞争水平。其中，板式换热器市场发展迅速。它具有传热系数高、对数平均温差大、占地面积小、重量轻、污垢系数低等优势，同时便于拆卸、清洗，不同结构型式的板片间可灵活组合，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种工业应用。然而在实际使用板式换热器时会出现流动阻力大、耐高温高压能力差等不足之处，缩减了板式换热器的应用范围。为改善提升板式换热器的传热效果，国内外研究人员通过实验研究和数值模拟等手段，在传热、流动、结构和材料等方面开展了大量工作，本文即对相关工作进行总结概述，以期分享板式换热器的研究成果，进一步了解其研究进展及未来发展方向。 1换热器的研究现状 1.1管式换热器 管式换热器作为当前市场上流通性较强的一种换热器类型，在换热器应用和发展中具有重要地位。由于管式换热器具有结构简单以及耐高温性强等特性，使得人们对于管式换热器的应用越来越重视。按照管式换热器构成方式，在现有换热器行业发展中，管式换热器已经形成了以螺旋槽文管换热器、管内插入物换热器、折流杆式换热器和管翅式换热器为主的管式换热器应用形式。由于每种管式换热器构成方式和应用方式不同，在换热器应用过程中，热量交换以及热量传导效率出现了显著差异。以管内插入物换热器为例，在现有换热器应用处理中，其能够在换热交换中借助传热系数变换，将整体传热效率提升30%，对人们换热处理需求起到重要保障作用。 1.2板式换热器 板式换热器是在当前换热器市场发展中较为常见的一种换热器类型，由于板式换热器由不同间隔薄板构成，在进行换热交换过程中，各个薄板中的热量会随着换热方式调整出现热量迁移和转换；并且在相同污垢系数下，板式换热器换热效率能够提升至传统换热器应用效率的2～3倍，这对于换热器的应用而言是非常重要的。在板式换热器应用过程中，由于其占有体积和占地面积较小，使得换热器的应用灵活性较高，所以被很多工厂以及浴池所青睐。同时，由于板式换热器构成中具有较为明显的螺纹板式，能够按照螺纹板式构成中的要求，进行相关数值模拟计算，提升了板式换热器内部换热效率控制水平；尤其是在山东大学文孝强等人研究下，通过对板式换热器内部材料改进，提升了整个换热器换热性能，满足了人们换热处理需求。 2概述 随着可持续发展战略的实施，国家对GDP能耗控制指标不断细化，作为重要过程设备的换热器在暖通、冶金、核电、石油、化工等行业的热量回收和综合利用中发挥着越来越大的作用。根据结构特征换热器主要分为：管式、板式、扩展表面式以及再生式换热器四类。板式换热器因其独特的结构设计，与其它类型的热交换器相比，具有传热效率高、质量轻、占用空间小、结构紧凑、易维修维护等诸多的优点，近几十年来被广泛研究与应用。为适应不断变化的市场需求，全面提高板式换热设备的传热能力，众多企业和学者对板式换热器做了许多卓有成效的研究。未来板式换热器的发展，主要包括三个方面的内容：板式换热器大型化技术、可靠结构和传热性能兼顾的板片开发、流场精细化CFD分析。 3板式换热器的研究进展 3.1板式换热器的结构设计与优化 板式换热器结构设计与优化的目的是强化换热、降低流阻，使换热器的性能达到最佳，其设计基本原则是将换热器的压力损失降到最低从而得到最佳的换热效率。所以，主要从总传热系数与压损的大小两方面来体现板式换热器的性能优越性，并通过选择评相应价标准，对换热器的综合性能进行评价，从而下获得所运行参数下的最优板形。按照设计需求，换热器有若干性能评价标准。早期常用的评价标准是根据单一参数进行评价，比如给定参考流速下对比换热器传热系数和压降两个数值来评价。后续研究人员还提出使用无量纲化的努谢尔特数比和流动阻力比进行评价。板式换热器的流道形状复杂，叠放形式多样，研究者多通过实验和数值模拟对比分析板片的波纹倾角、波高、间距等不同结构参数的影响，以期得到性能最优的波纹结构。 3.2板片结构参数对换热性能影响的CFD研究进展 板片结构参数对板式换热器的换热性能有直接的影响。人字纹板同平板换热器相比，能较早地促使瑞流产生，其临界雷诺数Re为400-800。当Re>1000时，在任何情况下都具有湍流特性。人字形波纹板片的波纹倾角是影响流体在换热器流动状态的主要因数，并且深刻影响着流体的传热与压降等特征。除波纹倾角外，对于人字形波纹板片影响换热器性能的因数还有波纹深度、法向截距（波长）、表面展开系数、波纹截面形状等。近几年，国内学者采用组合通道内局部可视化结合传热机理预测推断板式换热器的传热及流阻特性；特别在板式换热器CFD方面的研究取得很大的进展。然而由于目前国内相关实验研究所用的板片的波纹形状、流道组合、Pr（普朗特数）的选取、黏度的修正等各不相同，故结果也不尽一致。板式换热器CFD分析手段使得新产品的开发和相应流场的分析变得轻松，然而目前国内各方学者的研究出发点多有重复，并且模型简化使得其精确性受限，因此，进一步的系统的CFD精细化研究实验是分析和提高其传热性能重要的方向。同时针对超大型板式换热器的传热及流场研究很少。板式换热器的大型化发展，使得开发可靠结构和传热性能兼顾的板片已是板式换热器优化与改进的主要方向。
新型换热技术
换热器最新换热技术 换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。 换热器的种类繁多，有多种分类方法。 一、按原理分类： 1、直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。 2、蓄能式换热器(简称蓄能器)，这类换热器用量极少，原理是热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之到达传热量的目的。 3、间壁式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质，这类换热器我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。 二、按传热种类分类 1、无相变传热 一般分为加热器和冷却器。 2、有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。 三、按传热元件分类 1、管式传热元件： (1)浮头式换热器 (2)固定管板式换热器 (3)填料函式换热器 (4)U型管式换热器 (5)蛇管式换热器 (6)双壳程换热器 (7)单套管换热器 (8)多套管换热器 (9)外导流筒换热器 (10)折流杆式换热器
微通道换热器的特性分析及应用
苏尚美,张亚男,成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002) 摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性,通过换热器火用效率的分析,发现微通道具有高传热系数,高表面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择,微通道结构的优化及加工方法,分析了微通道换热器的应用前景. 关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构 引言2O 世纪5O 年代末,著名的物理学家Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品,是工艺过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油,化工,动力, 核能,冶金,船舶,交通,制冷,食品及制药等工业部门及国防工程中.其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提高换热器的紧凑度,以达到在单位体积上传递更多的热量,一直是换热器研究和发展应用的目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效,更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生. 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元.当前关于微通道换热器的确切定义,比较通行,直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm 换热器称为微通道换热器. 早在二十世纪八十年代, 美国学者Tuckerman 和Pease 报道了一种如图 1 所示的微通道(Micro-channel) 换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成,其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平,成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的"热障"问题. .随后Wu 和Little,Pfahler 等,Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微通道换热器于1985 年由Swift 研制出来,研究表明,其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十. 美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O 年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH) 也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件,将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器. 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内,使它不仅涉及空间尺度的微小化,还涉及更为复杂的尺度效应. 2.1 微尺度效应 对于气体单相流动,当通道直径当小于200 时,即努森数≥0.001 时(其中为分子的平均自由程, 为水力当量直径) ,流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响. 对于液体单相流动,当微通道直径为381 时,宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例,微通道换热器的最高达到了9.20,而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应(表面效应) . 对于两相流,微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著,导致流型分布及转换准则发生变化.由于表面张力的影响,流动中不存在非球形泡沫.表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段,随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减
微通道换热器的探讨
微通道换热器的探讨 微通道换热器是近一两年提得比较多的新式换热器，它是指由0.05-0.1in.(1—2.5mm)厚，0.5-1 in.(12-25mm)宽，内部有许多0.5-1mm的微小通道的换热管组成的换热器。虽然这种换热器在汽车空调（单冷型）及水箱上已经使用了很多年，但是在家用和商用空调与制冷产品上的应用却不多，开利在它的风冷螺杆冷水机30XA系列上使用了微通道换热器作为冷凝器，改进如下： 1．换热量增加10%； 2．制冷剂充注减少30%； 3．风侧阻力减少50%。 现在微通道换热器的优点总结如下： 1．强化了传热，提高了传热效率； 2．缩小了换热器体积； 3．减小了制冷剂的充注； 4．空气侧阻力减小，所需风机，电机规格减小； 5．因为是全铝材料做成，成本下降（但因为没有规模效应，仅指材料成本，单个产品仍比同规格翅片管式贵） 6．有更好的抗腐蚀性； 7．管内压力损失小； 8．容易现场修补泄露点。 缺点如下： 1．对于蒸发器，分液是一个重要问题，现在还不能很好解决； 2．对于蒸发器，冷凝水的快速排出还没有很好解决，这又衍生出结霜化霜问题； 3．因为空气侧阻力减小，使气流的不均匀性更加恶化； 4．设计灵活性减小，如部分负荷，过冷管段的设计等。
微通道换热器作为冷凝器时，经过 实验研究： 1．体积可以缩小约25%； 2．制冷剂充注可以减小约 20%-40%； 3．换热效率提高约10% 对比测试： 原型机规格： KFR-72LW：制冷量：7200W；制冷剂：R22 充注量：2.3kg 制热量：8200W（10300W）电源：220C/50Hz 功率：2630W/2600W（电加热4700W）毛细管：OD2.5x630x3 从表1可以看出，整体结构比原来小了，因为测试是借用原型机结构，所以微通道换热器的设计是主要是从安装方面考虑大小，所以迎风面减速小并不多，但从换热面积减小可以看出结构比原来小了。从表2可以看出，因为对蒸发器的设计和应用还有一些问题，所以对于蒸发器使用微通道换热器效果并不比原来好，但对只使用微通道冷凝器的机组，性能有所改善，特别是制冷剂充注。 以下是另一组只更换冷凝器的测，：
换热器的研究发展现状
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷增刊·338· 化工进展 换热器的研究发展现状 支浩，汤慧萍，朱纪磊 （西北有色金属研究院，陕西西安 710055） 摘要：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。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。 换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。本文主要介绍了现有换热器的分类，各种换热器的特点工作原理及应用情况，对目前换热器的存在问题和发展趋势进行分析。 关键词：换热器；强化换热；研究现状 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。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现[1-4]。 1 换热器的分类方式 随着科学和生产技术的发展，各种换热器层出不穷，难以对其进行具体、统一的划分。虽然如此，所有的换热器仍可按照它们的一些共同特征来加以区分[5-6]，具体如下。 按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。 按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。 按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。 按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。 2 管式换热器 管式换热器主要有套管式换热器和管壳式换热器两种。 2.1套管式换热器 套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。套管式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流体。他的主要缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多，易发生泄露；而且体积大，占地面积大，故多用于传热面积不大的换热器[5,7]。 2.2管壳式换热器 管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，
国外换热器新进展
国外换热器新进展 国外换热器新进展 原作者：曹纬 出处： 【关键词】强化传热,传热元件,壳程设计,新型高效换热器 【论文摘要】简述了国外近年来换热器的发展概况，介绍了强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计以及国外推出的各种新型高效换热器的有关情况。 分类号TQ 051.5 Recent advances on foreign heat exchangers Senior Translator Cao Wei (Lanzhou Petroleum Machinery Reseach Institute, Lanzhou 730050) Abstract The recent progress of foreign heat exchangers in lasted years is ou tlined, research of enhanced heat transfer, development of heat transfer elements a nd structural design of new type shell side are introduced,and new high-effective h eat exchangers abroad are commented. Key words:enhanced heat transfer,heat transfer elements, shell side design,new high-effective heat exchangers 1概述 70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备［1］。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高［2］。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。 最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系［3］。 2强化传热技术 所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使温度边界层减薄和调换传热面附近的