强化传热技术及应用.ppt

强化传热技术及应用李李 科科 群群上海理工大学热工程研究所主要参考文献1 林宗虎等，强化传热技术，北京：化学工业出版社，2007。2 顾维藻等，强化传热，北京：科学出版社，1989。3 钱颂文等，管式换热器强化传热技术，北京：化学工业出版社，2003。4 辛明道，沸腾传热及其强化，重庆：重庆大学出版社，1987。传热的三种方式1.导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或热传导）。2.对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混，从而引起的热量传递称为对流。3.热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。导热及其强化导热现象发生时，物体内部的热量会从温度较高的部分传递到温度较低的部分，温度较高的物体会把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体。固体、液体、气体内部或之间都可能发生导热现象。导热及其强化傅里叶定律面积热阻导热热阻强化导热方法一：使用导热系数较高的材料作为导热介质。纯银、纯铜、纯铝等。导热及其强化接触热阻：两个固体之间发生导热时，由于两固体表面实际接触面积不大以及两者之间气体层的的导热系数很低，因此在两固体表面之间将产生接触热阻。接触热阻与表面加工精度及光洁度（表面不平度与粗糙度）、表面硬度、作用于物体上的接触压力、物体材料和气层的导热系数、及表面上是否形成氧化膜等因素有关。当热流密度不高时，可以略去接触热阻；但当热流密度很高时，则接触热阻必须考虑。在常规压力及表面粗糙度下的接触热阻：不锈钢/不锈钢:(2.2-5.88)10-4(m2k/w);铝/铝:(0.833-4.55)10-4(m2k/w);不锈钢/铝:(2.22-3.33)10-4(m2k/w);铜/铜:(0.25-2.5)10-4(m2k/w);导热及其强化强化导热方法二：减小接触热阻接触热阻：名义接触面积与实际接触面积。接触点平均距离为b，接触点平均半径为a。导热及其强化降低接触热阻的方法：1.提高接触表面光洁度或增加物体间的接触压力，以增加接触面积；2.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）；3.在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片。导热及其强化作为涂层或衬垫用的材料应该具有较低的硬度、适当的熔点、及较高的导热系数。垫片硬度必须低于基体材料。垫片厚度应该与表面粗糙元高度相当，最好不要超过粗糙元高度均方根值的两倍。导热及其强化涂层或衬垫材料的物理特性导热及其强化铜和铝的导热性能良好，并且价格便宜，在温度不很高的情况下可用作垫片或涂层材料。银的导热性能更好，但价格较贵，故只用于重要场合。在高温情况下可用镍或铬作垫片或涂层材料。导热及其强化涂层接触热导（kw/(m2k)）的变化导热及其强化 由上图可知：随着接触压力与涂层厚度的增加，接触热导不断提高；但是过分增加涂层厚度，热导的增加速率不大（比较t=与t=18）；在无涂层时，表面粗糙度高的接触热导较低；在同样涂层厚度下，具有高粗糙度表面的接触热导比具有较低表面粗糙度的热导要低；为了在同样接触压力下达到规定的接触热导值，对于高粗糙度表面需要有较大的涂层厚度。导热及其强化银垫片（虚线）和银涂层（实线）接触热导随其厚度的变化导热及其强化 上图实验条件：随着厚度的增加，接触热导不断提高，但增加趋势减缓；当涂层厚度大于10 ，垫片厚度大于5 后，热导变化很小。导热及其强化不锈钢基体上的铜涂层：可使表面接触热阻最多降至1/20。导热及其强化涂层或垫片降低接触热阻试验:不同基体材料在不同机加工方法下与银、铜、镍等涂层（或垫片）相配合，在不同接触压力和不同温度下的实验结果。导热及其强化 上述实验图表明：无论是否有无涂层或垫片，接触热阻都随着接触压力的增加而降低；加设涂层或铜箔可以在较低接触压力下有效地降低接触热阻。加设涂层或铜箔可以降低接触热阻至1/2-1/10。在氦气中基体表面间的接触热阻比真空要低到1/15-1/20，此时主要是依靠气层导热，因此加设铜箔对降低接触热阻作用不大，相反，可能增大两者之间的辐射热阻。导热及其强化电子产品散热：导热（电子产品散热：导热（+电绝缘）电绝缘）。导热胶粘剂，特别适合于不规则形状界面。导热及其强化导热及其强化导热及其强化导热及其强化导热及其强化小结1）减少导热热阻：使用导热系数较高的材料作为导热介质。如纯银、纯铜、纯铝等。2）减少接触热阻：.a.提高接触表面光洁度或增加物体间的接触压力，以增加接触面积；b.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）；c.在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片。3）导热胶粘剂的应用。辐射换热及其强化 辐射换热：0K以上物体都具有发射辐射能的能力；波长由短到长依次分为射线，射线，紫外线，可见光，红外线，无线电波；同温下黑体的辐射能力最大。辐射换热及其强化 太阳辐射：组成银河系的有大约两千亿颗恒星，而太阳只是其中中等大小的一颗；太阳已的年龄有五十亿岁，正处在它一生中的中年时期；地球上所有生物的生长都直接或间接地需要它所提供的光和热。太阳 日饵美国天空实验室1973年拍摄 日饵摄于H-alpha波段的太阳日饵照片辐射换热及其强化在高温设备中，辐射换热是换热的主要形式。比如在锅炉炉膛、工业窑炉、燃烧室和发动机等高温能源转换系统中，辐射换热占有主导地位。辐射换热及其强化斯蒂芬-玻尔兹曼定律：式中辐射换热及其强化普朗克定律辐射换热及其强化维恩位移定律：太阳表面5762K,处于可见光范围；地球表面288K，处于红外线区域。辐射换热及其强化实际物体辐射能力辐射换热及其强化不同表面处理后的辐射率辐射换热及其强化表面粗糙化及氧化膜：增加固体表面辐射率能够有效地提高物体表面的散热或吸热能力；物体表面粗糙化可以引起物体辐射率的增大；真正由于物体表面上的沟槽而引起的辐射率的增加是很有限的，导致其值增大的主要原因是表面粗糙化后随之而发生的表面氧化。辐射换热及其强化表面氧化膜对辐射率的影响：A.其实在自然条件下金属表面总是覆盖着不同厚度的氧化膜。但当其厚度小于时，它基本上是透明的，对表面辐射率没有什么影响。辐射换热及其强化表面氧化膜对辐射率的影响：B.随着氧化膜厚度的增加，它对物体表面辐射率的影响也逐渐增大。当氧化膜厚度为时，室温下的表面辐射率虽然比洁净光滑面增加不大，但它随温度升高而急剧增大。辐射换热及其强化表面氧化膜对辐射率的影响：C.当氧化膜厚度超过后，由于金属表面的反射率急剧降低，因而表面辐射率增加很快。辐射换热及其强化表面氧化膜对辐射率的影响：D.当氧化膜厚度大于后，表面反射率在所有波长范围内都变得很低。辐射换热及其强化辐射换热及其强化应用：有些高温设备（如火箭发动机和高温气冷反应堆），常常采用壳体辐射冷却，以保证安全运行。为了增强辐射冷却效果，散热面通常进行粗糙化或氧化处理以增强表面的辐射能力。PW-XSPW-XS型多功能热吸收强化剂型多功能热吸收强化剂：是一种无毒无味、不脱落、抗急冷急热、防氧化的高科技涂料，它喷涂于锅炉火管内壁、水管外壁，适用于各种燃料在400-1400下的环境下使用，节约能耗可达5%-10%。高吸收率热辐射强化剂的节能效果，主要表现在通过锅炉内各处烟气与水冷受热面之间的辐射换热效率的提高。强化热源与受热面之间的辐射热交换，提高炉膛热效率和出力，减少热能损失，达到节约能源的目的。目前国内外类似产品对热辐射的吸收率仅为0.800.90，而杭州帕沃科技（PW）系列多功能热辐射强化剂对热辐射的吸收率则高达0.93，属世界领先水平（有宣传吸收率可达0.98的，实属误导）。杭州帕沃科技（PW）系列多功能热辐射强化剂，由于其内含10%左右的纳米级颗粒，再加上采用特殊的粘结籍，很好的解决了与金属材料的结合。目前在电站锅炉、工业锅炉、民用锅炉等领域得到了广泛的应用，节能效果十分显著，其中在燃煤锅炉上使用时节能率达到了48，在燃气、油锅炉上使用时节能率达到了510。辐射换热及其强化固体微粒对辐射换热的强化：.在气流内掺加固体微粒，不仅可以增加流体的热容量，而且微粒在边界层内的运动可以减少气流粘性底层的厚度，因此可以提高气流对于壁面的换热系数；此外，在高温壁面和高热流密度情况下，辐射换热占有重要地位，掺加固体微粒可以增加悬浮体内的辐射换热作用。辐射换热及其强化固体微粒对辐射换热的强化机理辐射换热及其强化机理：高温壁面一方面通过边界层与气体进行对流换热，另一方面它还以热辐射的形式向弥散于气流中的固体微粒传热，提高固体微粒的温度，使整个流动体系的平均温度升高。弥散于气流中的微粒通过导热和对流将热量迅速地传给气流，从而使得由壁面向气流的传热强度提高几倍甚至几十倍。辐射换热及其强化固体微粒对辐射换热强化的程度，与微粒在气流中的载荷比（微粒质量流量与气体质量流量之比）、微粒尺寸及其传热特性、气流运动状况以及流道几何形状等因素有关。辐射换热及其强化A.适当增大微粒在气流中的载荷比（微粒质量流量与气体质量流量之比），能使微粒更多地吸收来自壁面的辐射能，并且增大微粒对气流散热的表面积；但是过密的微粒云又会使处于流道核心部分的微粒因其他微粒的屏蔽作用而接受不到来自壁面的辐射能，因此确定能使总传热率为最高的微粒最佳载荷比十分重要。辐射换热及其强化B.在一定微粒载荷比情况下，气固弥散体在管内的光学厚度反比于微粒的平均尺寸。微粒直径越小，强化辐射换热的效果越好。辐射换热及其强化C.当微粒材料的熔点较低时，微粒可能在吸收辐射能后被熔化，而后又在与气流进行对流换热时放出熔融热而重新凝固，这一过程可增强换热效果。辐射换热及其强化D.气体性质对于气固弥散系统的传热也有一定的影响。对于透明气体（如空气、氢、氮等），因为它们不会吸收来自高温壁面的辐射能，掺加固体微粒使换热增强的效果比在二氧化碳或水蒸汽等这类非透明气体中掺加微粒要更好一些。辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面：某些光谱选择性辐射表面能够比较完全地吸收来自高温物体短波长的辐射能，同时在自身较低温度下（因而辐射波长较大）保持不高的发射率，所以可获得较大的净辐射能。辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用铝面上的氧化硅涂层；铜表面上的氧化硅锗涂层；白漆。辐射换热及其强化光谱选择性辐射表面应用：太阳能利用通常，太阳能集热器采用价格便宜且容易获得的黑漆作为传热管的涂层。但黑漆并非光谱选择性涂料，它对太阳能辐射的吸收率和在集热器壁面温度下的辐射率都很高，可达.。为了减少集热器壁面的散热损失，集热器外要加装一种廉价的选择性材料玻璃。辐射换热及其强化利用辐射板增强高温通道内的传热。例如在高温气冷管中插入一块沿轴向放置的高粗糙度烧结板，烧结板接近黑体，几乎可以完全吸收来自高温管壁的辐射能，使板温迅速升高，而且还由于它是粗糙壁面，对流换热系数很高，即使板面温度略低于管壁温度，也能使高温壁面的输热量增加一倍左右，但压降将增加倍左右。辐射换热及其强化 辐射板辐射换热及其强化利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用。炉膛中的烟气在加热工件后，温度仍然较高，为了减少能耗，应设法降低排烟温度。可用多层丝网叠合组成的多孔体把工件和燃烧器都包围起来。由于丝网所包围的体积远小于炉膛体积，因此增加了火焰对工件的直接辐射；而多孔体吸收火焰辐射能后温度较高，也将向工件发射较多的辐射能并反射火焰的辐射能，工件区域的温度提高更快，工件受热更为均匀。而流过多孔体后的烟气温度将比原来没有多孔体时明显降低。辐射换热及其强化利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用。另外，加装多孔体后，可以减少高温燃气对炉壁的辐射和对流换热，降低壁面温度，减少炉膛壁面散热损失。实验表明，单是一层不锈钢丝网即可使壁面对流换热系数降低25-50%，辐射换热降低20左右。辐射换热及其强化利用热辐射特性减少能量损失：多孔体应用辐射换热及其强化辐射翅片的应用：设置辐射翅片以增大辐射散热面积。太阳集热器1.平板型太阳集热器太阳集热器1.平板型太阳集热器太阳集热器1.平板型太阳集热器美国美国Silicon Solar公司的公司的FP型平板集热器型平板集热器 德国德国Sonnenkraft公司公司SK500型平板集热器型平板集热器 常州康寿公司常州康寿公司CONSOL平板型集热器平板型集热器 太阳集热器2.真空管集热器太阳集热器2.真空管集热器太阳集热器3.热管式真空管集热器太阳集热器3.热管式真空管集热器太阳集热器4.同心套管式真空集热管太阳集热器5.U形管式真空集热管太阳集热器6.储热式真空集热管太阳能海水淡化系统 太阳塔电站太阳能热发电站：塔式、槽式、碟式航天器温控辐射换热及其强化小结1）表面粗糙化及形成氧化膜。2）通道流体内加入固体微粒。3）使用光谱选择性辐射表面。4）通道内设置辐射板。5）炉膛中中设置多孔体。6）散热表面加装辐射翅片。谢谢大家！谢谢大家！