传热学中的状态图及其应用

鉴于热力学状态图能够直观分析热力循环的性能,提出热流是热量运动的状态量,明确了相应的热量运动状态方程,并引入传热学中的二维状态图:T-q图,它可以从传热过程不可逆性的角度直观分析传热过程的性能,便于换热设备及其系统的优化分析和工程设计.利用传热学中的状态图,分析换热器可以直观得出换热面积、流体热容量流和流动形式对其传热性能的影响;分析集中供暖系统中的换热器网络可以方便得出:当每条支路的总换热量以及室内空气温度都相等时每条支路所需的总换热面积、热水流量以及回水温度都相等,但当各支路中的室内空气温度不一致时,经过换热支路后的热水温度并不相同,这就意味着等温回水混合过程并非获得最优供热管网设计的必需条件.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

水喷射泵在一、二次网直连中的应用

针对末端换热站,一次网侧流量不足、供水温度低、换热效果差、不能满足末端用户热量需要等问题,利用一、二次网间的大压差,在一、二次网间安装水喷射泵,取代换热器和二次网循环水泵,既增加了一、二次网的换热效果,也增大了一次网的供回水温差,从根本上解决了一次网流量不足带来的热量不足问题.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

水喷射泵在一、二次网直连中的应用

针对末端换热站,一次网侧流量不足、供水温度低、换热效果差、不能满足末端用户热量需要等问题,利用一、二次网间的大压差,在一、二次网间安装水喷射泵,取代换热器和二次网循环水泵,既增加了一、二次网的换热效果,也增大了一次网的供回水温差,从根本上解决了一次网流量不足带来的热量不足问题。     

强化对流换热中的热量加权温差分析与应用

以电子器件对流散热为背景,提出热量加权温差综合评价传热量一定的多热源的平均温度和传热系统的传热效率.通过分析对流传热中控制体内"(火积)"的构成,结合变分原理推导了对流换热中的热量加权温差,讨论了温差均匀性、传热效率以及热量加权温差三者的关系,即热量加权温差越小,传热系统温差均匀程度越高;另外,从热量加权温差减小的方向来优化传热,设计一种开缝与翻折相结合的散热翅片,计算开缝和多翻折翅片与常规直翅片的热量加权温差大小,并用热量加权温差分析两种传热系统的多热源平均温度大小和温差均匀程度高低的原因,结果表明:传热系统的热量加权温差越小,冷却多热源物体平均温度效果越好.即对流换热总传热量一定时,热量加权温差可评价对流换热的传热效率和温差均匀性.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

转角正方形管束降膜蒸发时的传热温差损失

实验测量并获得饱和蒸汽水平方向流经铝黄铜管管束的压降数据,基于实验数据拟合出来的压降系数,以转角正方形排列的管束为物理模型,计算水平管束降膜蒸发时压降造成的传热温差的变化,分析饱和温度、喷淋密度和管列数等对传热温差损失的影响.在管束排列方式一定、蒸汽流量相同下,计算结果表明,传热温差损失随喷淋密度的增加而增大,喷淋密度为0.02 kg/(m s)时的传热温差损失值约是0.08 kg/(m s)时的一半;饱和温度越低,传热温差损失越大,50℃条件下的传热温差损失值约是70℃时的3.5倍.计算还表明,当管束为转角正方形排列时,传热温差损失随管列数的增加呈抛物线型升高.     

板式热交换器能效评价方法

热交换器内的冷热流体实现热量传递需要消耗泵功.如何科学定量评价其能源效率,是学术界和行业都迫切需要解决的问题,对提升工业节能减排有重要意义.本文通过理论分析热交换器水水无相变流动与传热综合特性,提出了一种能效评价指标EEI(=k/?pn,总传热系数k与压力梯度?p).EEI反映了热交换器的固有能效属性,代表热交换器消耗单位折合流动压降获得的传热系数.当温差与流体流量相同时,对于相同换热面积和相同流体流动长度的热交换器而言,能效指标EEI越大,消耗单位折合泵功获得的热流量越大.换热面积变化对能效指标无影响,通过合理选取指数n,可使EEI与流速无关或为弱相关关系.能效指标具有良好的稳定性,依据性能测试国标获得的热交换器能效评价结果可以代表热交换器的能效水平.结合板式热交换器水水无相变流动传热性能数据库,得到了该类热交换器能效评价指标的指数n,以及行业总体的能效指标分布,为划分板式热交换器能效水平提供了依据.     

部分压扁槽道热管实验研究

针对11种不同压扁形式的小型轴向槽道热管进行实验研究, 分析了压扁形式、压扁厚度和工作温度对轴向温度分布、热阻、极限传输功率以及蒸发段和冷凝段的相变换热系数的影响. 实验研究表明, 各种形式的槽道热管在正常工况下, 均可以保持良好的等温性. 热管的几何结构对极限传输功率的影响较明显. 对于蒸发段2 mm厚的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加81%; 而对于蒸发段厚度为3 mm的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加134%. 对于冷凝段4 mm厚的热管, 蒸发段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加26%. 蒸发段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加9%~26%, 而冷凝段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加20%~86%. 冷凝段厚度对热管传热性能的影响要比蒸发段厚度大. 本文的研究内容对了解槽道热管传热性能及电子热设计过程将会有所帮助.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实际应用过程有利.     

基于变截面单元体的火积耗散率最小导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对变截面外形和变高导热通道的单元体进行了构形优化, 结果表明, 当增加控制体内部复杂程度时, 并不总能降低其平均传热温差, 而是存在最佳的构造级数, 使平均传热温差达到最小. 因为变截面高导热通道内的热流密度不符合线性分布, 所以基于火积耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形是不同的. 基于火积耗散率最小的最优构形相比基于最大温差最小的最优构形可以较大程度地降低平均传热温差, 明显地改善了传热性能. 由于火积更能反映对传热能力的要求, 因此基于此可对各种导热构形问题进行进一步的研究.     

基于磁性纳米流体的中温太阳能吸收与光热转换性能

纳米流体基直接式吸收器被认为是进一步提高太阳能热利用效率的重要替代方案,但针对具有较高能源品位的中温太阳能吸收与光热转化性能的研究却较少.为促进中温太阳能光热的规模化应用,本文提出一种较为实用的中温磁性纳米流体基直接式吸收器吸收体系的使用方法.首先,通过"两步法"制备一种导热油基Co@NC中温磁性纳米流体,并利用其优异的光学吸收性能,在大功率模拟太阳光照射下获得较高温度的流体;然后,基于磁分离技术将Co@NC纳米颗粒与导热油基液分离,获得具有较高温度的纯基液;再经过换热器热交换过程得到所需要的各种较高温液体,在5个太阳辐射下,纳米流体最高温度可达120.37°C.该方法实现了较高的光热转换效率,同时可有效解决因纳米流体的不稳定性而引发沉降的问题,为促进纳米流体在太阳能中温热利用中的新发展提供了一种方案.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

集成吸收-压缩复合热泵的微燃机热电联产系统

针对生产蒸汽的微燃机热电联产系统的排烟温度较高的问题,本文提出集成吸收-压缩复合热泵的微燃机热电联产系统.该系统以微燃机热电联产系统排烟为驱动热源,可生产0.5 MPa的饱和蒸汽,一次能源利用率为67.3%,相对节能率为23.56%,同典型的微燃机热电联产系统进行热力学性能对比分析,一次能源利用率和相对节能率分别提高约11.2%和14.76%.该系统中增加的吸收-压缩复合热泵系统,使系统的排烟损失降低约78%.此外,还研究了发生压力、基础溶液浓度、精馏塔塔顶温度、精馏塔釜温度对吸收-压缩复合热泵系统性能的影响,为系统的实验设计提供了理论依据.本研究为微燃机热电联产系统的余热回收利用提供了新的思路和方法.     

换热器分段设计方法的理论分析

在换热器设计中, 由于各设计目标之间存在的矛盾性及某些不确定性, 使得构造目标函数最优点集的隶属函数非常困难, 流体物性参数的变化是产生某些不确定性的主要因素, 而传统的换热器设计方法未能从根本上解决这些问题. 基于传统的对数平均温差法, 考虑冷、热流体的定压比热随温度的变化, 提出一种新的换热器设计方法—— 分段设计方法, 将换热器分成有限段,利用初始条件及各段之间的连接条件获得各段的入口和出口温度, 应用对数平均温差法确定各段的传热面积, 完成换热器热力设计.     

工程酸露点——锅炉低温余热利用极限的新判据

在某电厂建立积灰试验台,研究积灰对换热器的传热特性的影响.试验系统安装在某电厂300 MW机组空气预热器和电除尘器之间的烟道旁,双层试验套管插入烟道之中,冷却水先后流经内管和外管.数据表明:当煤质一定时,试验段Nu随着外壁温的变化而变化,在某一特定外壁温区间内骤降,此时换热元件积灰和腐蚀情况加剧,这个骤降温度区间被定义为工程酸露点.工程酸露点可以用来指导锅炉低温余热系统的设计,保持余热系统入口水温高于工程酸露点,换热器不但可以保持较高传热性能,同时避免了严重的低温腐蚀.就经济性和设备可靠性来说,工程酸露点是余热利用系统设计的新判据.试验表明:工程酸露点比传统热力学酸露点至少低30℃,具有更高的实用价值.     

微孔膜管显著强化R123冷凝传热

新能源和低品位能源利用需要高效相变换热器,将微孔膜插入管内(以下简称调控管)可提高近壁区质量含气率,从而显著强化传热.本文进行了R123在水平管内的冷凝传热研究,比较了光管与调控管的冷凝传热特性.研究表明,微孔膜管可显著强化冷凝传热.在实验参数范围内,强化传热因子EF达到1.118~2.124,综合评价因子PEC在0.71~1.66的范围内,大部分实验工况的综合评价因子大于1.当实验段出口为气液混合物时,强化传热因子EF随入口蒸气质量流速Gxin的增大而增大.当实验段出口为过冷液体时,强化传热规律与之相反.通过可视化图像及管内压力和速度分布的讨论,本文分析了微孔膜管冷凝传热强化机理.     

最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.     

换热量和换热面积给定时的火积耗散最小原则

在换热量和换热面积给定的条件下, 当换热系数不固定时, 首先, 对火积耗散均匀分布原则(EoED)、温差均匀分布原则(EoTD)和热流密度均匀分布原则(EoHF)的优化结果进行对比, 结果表明, EoTD与EoED所得结果的误差很小, 且远小于EoHF与EoED所得结果的误差. 根据3种原则比较的结果, 选择适当的优化原则, 在给定热负荷和换热面积的两流体换热器中, 分别对冷热流体侧的参数进行优化, 结果表明, 选择恰当流体侧的参数进行优化对于最小火积耗散优化原则的成功应用十分重要, 在优化过程中应当选择以能提高总体换热系数的流体, 或按照优化原则优化后能使温度分布平行并同时减小温差驱动力的流体为准则.