强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理研究

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热管道的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将不同颗粒结构的纳米流体与强化换热管相结合应用于换热设备中，对强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理进行研究，用于提高换热设备的换热效率。研究内容主要包括：将纳米颗粒微观结构的影响引入颗粒间相互作用力模型中，建立更高精度的纳米流体颗粒间相互作用力模型；耦合纳米颗粒间主要相互作用力和强化换热管主要结构参数，完成高阶复杂湍流模型的降阶处理，建立强化换热管内纳米流体湍流流动与传热的格子Boltzmann模型；研究纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒的分布规律；揭示纳米颗粒间相互作用力与强化换热管结构的耦合强化换热机理；分析纳米颗粒的微观结构对纳米流体稳定性和湍流流动与传热特性的影响，建立传热学与动力学特性的评价体系。该项目对于丰富纳米流体强化换热机理的研究、推动其应用有重要意义。

多向扰流强化换热管高传热系数

多向扰流强化换热管的秘密在于表面对凝结水膜的作用，以及形成对污垢的光滑与对水流粗糙的对立统一的具有菱形花纹的壁面，从而提高凝汽器的总体传热系数，在凝汽器常用的换热管中多向扰流强化换热管的传热系数最高。

多向扰流强化换热管低热阻

凝汽器由四大热阻构成，不锈钢多向扰流强化换热管的凝结热阻、污垢热阻、对流热阻均较铜合金管低，这是因为多向扰流强化换热管能通过表面菱形花纹破坏凝结水膜，变低效的膜状凝结为高效的珠状凝结，以此降低凝结热阻；同时通过内壁花纹破坏掉水流与管壁之间影响对流传热的附面层，同时防止或延缓附面层中污垢在管壁附着的倾向，从而有效地降低了污垢热阻和对流热阻，此外，多向扰流强化换热管的光洁度可达2B级，且能长期保持，因此清洁系数更高，虽然管壁材料的导热热阻较铜合金管高，但在总体传热热阻中所占比例只有近5%，因此不锈钢多向扰流强化换热管的总体传热热阻只相当于铜管的70%。

多向扰流强化换热管低成本

凝汽器的成本构成有一次性成本和运行维护成本，对于管子来说，一次性成本就是指购买管子的成本，由于不锈钢的比重比铜管小，加之强度和硬度高，不锈钢多向扰流强化换热管的壁厚可以减薄至铜管的50%-70%，因此一次性投入大约只相当于黄铜管的60%；对于运行维护成本，由于不锈钢管不需要镀膜，不需要频繁清洗，即便清洗也很容易，因此运行维护成本也较黄铜管低很多；不锈钢多向扰流强化换热管的使用寿命长达30年，几乎是黄铜管的3倍，综合起来，不锈钢多向扰流强化换热管的年均成本只相当于黄铜管的15%。

多向扰流强化换热管抗污垢

首先不锈钢多向扰流强化换热管表面的光洁度可达2B级，而且能长期保持，污垢不易附着，附着后清洗也很容易；其次是多向扰流强化换热管的多向扰流线不仅破坏了污垢生成的附面层，因为附面层相对管壁是静止的，虽然很薄，但其中也溶解有杂质和钙镁等能形成硬垢的盐类，静态水中的杂质很容易沉积附着于管壁，加之管壁温度较高，因此附面层中的钙盐很容易出现饱和而析出，并附着于管壁，多向扰流强化换热管的扰流线不仅破坏了附面层，消除了污垢生成的先决条件，同时也破坏了污垢的连续性，即使有污垢附着，多向扰流强化换热管的多向扰流线能将污垢分散成离散的鳞片状，便于清洗和剥离。

多向扰流强化换热管抗腐蚀

凝汽器中最大的危害是氨腐蚀，而不锈钢多向扰流强化换热管正好耐氨腐蚀，而且耐冲刷磨损和其它常见腐蚀。

多向扰流强化换热管抗振

同样激振条件下，冷凝管的一阶固有频率越高、最大振幅越小，其抗振性能越好。再加上管子表面网状的花纹相当于工字钢的加强筋，增加了抗振性能。

在20世纪70年代初期采用的是光滑管，换热管水平放置，制冷剂蒸汽走管内,管外走空气，主要用于空调器中制冷剂蒸汽的冷凝。为了强化管外的换热，一般在管外加翅片。许多研究者对于光滑管内的冷凝换热的机理进行了广泛的研究，换热管直径在3~以上，制冷剂为纯质制冷剂、近共沸混合物制冷剂及非共沸混合物制冷剂。

研究证实，冷凝换热的强度与流动状态密切相关，光滑管内的冷凝过程一般可分为环状流、分层流、波状流、团状流和柱状流，团状流和柱状流在冷凝过程的末端出现，不同的流动状态，冷凝换热系数的大小不同。而流动状态是由蒸汽的剪切力和重力的大小决定的，当蒸汽剪切力起主要作用时，流动表现为环状流，当重力起主要作用时，流动表现为分层流、波状流和团状流。

多向扰流强化换热管是一种新型高效换热管，兼有铜管良好的传热性能和不锈钢管优异的耐腐蚀能力，总体传热系数高于普通管，具有一高、二低、三抗、自洁的特性，即传热系数高、热阻低、成本低、抗污垢、抗腐蚀、抗振和自洁作用，凝汽器采用不锈钢多向扰流强化换热管可节能、节省材料，实现经济性、安全性和可靠性的完美统一。