导热和对流换热过程的强化与优化
换热器的强化传热
换热器的强化传热所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。
换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F）；加大传热温差；提高传热系数（K）。
1 换热器强化传热的方式1.1 扩展传热面积F扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。
在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。
现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。
1.2 加大传热温差Δt加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。
在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。
但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。
例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受限制的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。
所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。
1.3 增强传热系数（K）增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
工程热力学与传热学 第十八章 传热过程分析与换热器计算
Q = kA(t1 − t 2 ) = kA∆t m
热流体放出的热量 冷流体吸收的热量
′ ′ Q1 = q m1c1 (t1 − t1′) ′ ′ Q2 = q m c 2 (t 2′ − t 2 )
′ ′ ′ ′ q m1c1 (t1 − t1′) = q m 2 c 2 (t 2′ − t 2 )
A2 β = A1
肋片越高，肋距越小，肋化系 数就越大。
' 肋片与流体的换热量 α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2 ' α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2η f
ηf 为肋片效率 加肋侧与流体的换热量
' ' Q = α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2' +α 2 (t w 2 − t f 2 2) A2η f ' ' A2' A2 = α 2 (t w 2 − t f 2 ) A2 ( + η f ) A2 A2
图9-6 交叉流换热器示意图
4）板式换热器。板式换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所 组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、 热流体间隔地在每个通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平 板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式， 图9-7所示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体 都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的 流体(如牛奶等有机流体)的换热。
图9-4 简单的壳管式换热器示意图
为了提高管程流体的流速，在图9-4所示的换热器中，一端的封头里 加了 一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程 数，2表示管程数)。图9-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。
高温下金属冶炼的传热过程
STEP 03
掌握熔融物料的凝固特性 和传热规律对于优化冶炼 工艺和提高产品质量具有 重要意义。
凝固过程中，热量主要通 过热传导的方式传递，同 时伴随着相变潜热的释放 。
Part
03
影响金属冶炼传热过程的因素
温度和压力的影响
温度
高温下，物质的热传导系数增大，传 热速率加快。适当提高温度可以促进 传热过程，但过高的温度可能导致设 备损坏或引起其他问题。
Part
04
金属冶炼传热过程的优化与控 制
强化传热的方法
STEP 02
提高流体流速
STEP 01
增加传热面积
通过增加换热器的换热面 积或采用强化传热表面， 如翅片、波纹管等，提高 传热效率。
STEP 03
采用热管技术
利用热管的高导热性能， 将热量快速传递到需要加 热或冷却的部位。
通过增加流体的流速，增 强流体与换热器表面的对 流换热，从而提高传热速 率。
压力
压力对传热过程的影响主要体现在流 体流动和相变过程中。在高压下，物 质的热传导系数可能会发生变化，影 响传热效果。
物料特性的影响
密度与比热容
物料的密度和比热容越大 ，吸收或释放的热量越多 ，传热过程越强烈。
导热系数
导热系数高的物料具有较 好的传热性能，导热系数 低的物料则相反。
相变温度
物料的相变温度会影响传 热过程，如熔点、沸点等 。
02
当热量在物质内部传递时，不同温度的物质之间会产生温差， 热量会从高温处向低温处传递，导致温度逐渐均匀化。
03
在金属冶炼过程中，热传导主要发生在熔融金属、炉渣和耐火 材料之间，以及熔融金属与坩埚、炉壁之间的接触面上。
对流换热
传热导热传热导热教程
而是流体与固体壁直接接触时的换热过程，即 对流换热，它是对流和导热两种方式的联合 作用的结果。
2.1 热传递的基本知识
2.1 热传递的基本知识
2、 传热的三种基本方式
(3)、热辐射和辐射换热：
物体以电磁波方式向外传播热量的过程称热辐射。 被传递的热量称为辐射热。
2.2 导 热
3、无内热源稳定态导热量的计算
将d式代入c式中得：
t1 C 2
t2 C 1 C 2
C1
t1
t2
2.2 导 热
3、无内热源稳定态导热量的计算
将C积分常数代入上式得：
t
t2
t1
x
t1
平壁内温度分布方程，是一根直线
传热量：
2.2 导 热
3、无内热源稳定态导热量的计算
上式可写成： q t
3) 导热系数与温度的关系为：
t o bt
或
t o (1 t )
式中：λt 、λo 分别为材料在t℃、0℃
的导热系数 ，w/m·℃
2.2 导 热
1、导热的基本概念及定律
说明
在实际计算时，导热系数值常取物体两极端温度
的算术平均值。即：
av
o
bt1
t2 2
4)气体或的：导热系数：表a2v-1o(1t12t2)
它是矢量，其正方向是朝温度升高的方向。
2.2 导 热
1、导热的基本概念及定律 (4) 热流和传热量：
单位时间内通过单位面积上所传递的热量称热流。 用“q”表示，单位W/m2 热流是矢量，其正方向朝温度降低方向，与温 度梯度的正方向相反。 单位时间内，通过总传热面积上所传递的热量称 传热量。用“Q”表示，单位W
第十一章 传热过程
三、传热实例分析
3、省煤器传热分析 最大热阻在管外的灰垢层导热热阻
省煤器
三、传热实例分析
4、凝汽器传热分析
凝汽器传热总热阻 1 1 1 rk Rf K 1 2
增强凝汽器传热的措施：
污垢热阻
① 减小铜管内侧冷却水对流换热热阻1/α1；如提高流速等。 ② 减小污垢热阻Rf；如定期清洗等。
三、传热实例分析
1、锅炉水冷壁传热分析
传热特点：
烟气与灰垢层外表面的复
合换热热阻较大（主要热
阻），而管壁导热热阻及 管内沸腾换热热很小。 火焰温度高，而管壁温度 不高，它只比管内水温高 10～20 0C.
三、传热实例分析
2、汽缸壁传热分析
主要热阻在保温层； 缸壁本身导热热阻和缸内壁与蒸汽的换热热阻很小， 温差小，不必担心热变形。 但保温层损坏或脱落时，会产生热变形和热损失。
热过程；如过热器的传热，水冷壁的传热；冷油器中的换热， 特点：
① 传热过程有时存在三种基本传热方式； ② 一个传热过程至少由三个环节组成； ③ 传热过程中，放热和吸热同时进行。
电厂中换热设备传热过程
过热器传热过程
图 管壁
对流
烟 气
导热 辐射
对流
蒸 汽
烟 气
蒸 蒸 汽 汽
烟 气
对流 辐射 烟气
1
10 ～ 100 10 ～ 30 340 ～ 910 60 ～ 280 115 ?40 2000 ～ 6000 30 ～ 300
455 ～ 1140 2000 ～ 4250
455 ～ 1020
11-2 平壁和圆筒壁的传热
一、通过平壁的传热 1、单层平壁的传热 传热过程的三个环节
对流、辐射
传热的强化途径简述
传热的强化途径简述换热器广泛运用在化工，制药，冶金，能源，石油，动力等工业领域在生产中占有重要的地位，在一般的化工工业建设中，换热器建设投资金额往往可以占到总工业建设投资的10%~20%，目前在化工领域我国的能源利用率与发达国家仍有较大的差距，这与目前我国发展的绿色化工方向有所不符，因此如何强化传热便成为化工生产实践中必须要骄傲考虑的大问题。
以下我将从换热器原理出发，分析影响换热器换热效率的较大因素，并通过查询文献对这些问题给出较为可行的意见，同时对未来可能发展做出展望。
一、影响换热的主要因素目前化工生产中的换热器多为间壁式换热器，通常而言，间壁式换热器冷、热流体的传热进程主要含有三个阶段，一，基于对流方式使热量向管壁进行传递；二，通过热传导方式，让热量从管壁一侧向另一侧完成传递；三，传递到另一侧位置的热量又通过对流方式向冷流体实现传递。
间壁换热器换热的三个步骤里，热传导存在于管壁内部其热阻相对较小，进而不会对传热造成较大影响。
总结可得，在换热器的传热过程中对与换热影响较大的为对流传热。
影响对流传热速率因素包括多个方面，一，流体本身性质，由于流体的粘度，导热系数，热容，密度等都不相同，故不同流体流经同样的换热器其导热速率也不尽相同。
二，流动形式，流体在换热管路中的流动大致可以被分为两种形式，层流与湍流，层流形态中起导热作用的中介主要为流体分子，而湍流中起导热作用的主要中介为流体质点与流体微团，由于质点与微团热运动剧烈程度要比流体分子高许多，因此湍流时流体的热阻要比层流时的热阻小得多。
三，流体种类与相变，若流体传热过程中发生相变化其传热机理将发生变化，这也将体现在流体的传热系数的差异上。
四，传热面位置、形状及大小，包括板，管，翅片以及环隙等在内的传热面的形状、管径与管长等都为影响传热速率因素。
传热面布置与方位等均会使对流传热系数备受直接影响。
五，流体流动成因，流体流动可被分为强制对流和自然对流，在化工生产中一般采用泵等做功设备使流在换热器内发生体强制对流，强制对流传热系数比自然对流要高得多。
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。
但管壁导热热阻较小，对传热影响不大.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中影响较大的有以下几方面。
1)流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。
流体有相变的传热过程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。
2)流体的特性:对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度以及体积膨胀系数。
对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦不同。
3)流体的流动状态:由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层流状态，对流传热系数较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系数大。
4)流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对流和强制对流。
强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至几十倍。
5)传热面的形状、位置和大小:传热面的形状(如管、板、环隙、翅片等)、传热面方位和布置(水平或垂直放置，管束的排列方式等)及管道尺寸(如管径和管长等)都直接影响对流传热系数。
6)流体的温度:流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。
此外，由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子排列情况等有关。
此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低其对传热效果的影响。
2·间壁式换热器传热过称的强化路径换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。
其意义在于:在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率;在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料，降低成本:在某种特定技术过程中使某些特殊工艺要求得以实施等。
管内对流换热影响因素及其强化分析
管内对流换热影响因素及其强化分析摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。
介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。
对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。
关键词：管内；对流；换热；强化换热Influencing Factors and Enhancing Methods ofConvective Heat Transfer in TubesLei ChangkuiSafety Engineering Class 1002 1003070210Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems.Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing0 引言管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
仿生优化：从简单到复杂过程
导热和对流换热过程的强化与优化
本章小结
1、 理论意义。为导热优化提出了新思想: 从简 单到复杂、自然选择、自组织等。 2、 工程意义。就如何在导热空间内布置一定体 积的高导热材料，来取得最大的导热强化效 果，提供了新的工程寻优方法。
导热和对流换热过程的强化与优化
导热系数分布的优化
导热和对流换热过程的强化与优化
仿生优化的意义
关 键：确 定 性 的 、 唯 一 的 简 单 原 则 : 温度梯度全场均匀化 实 质：高 导 热 材 料 的 自 我 复 制 和 自 我 组 织 过 程
数值模拟：自 复 制 和 自 组 织 过 程 的 复 现 工程技术：自 组 织 成 的 最 优 结 构 的 工 程 实 现
导热和对流换热过程的强化与优化
传热强化理论研究
Bergles(1997): 长期以来，传热强化是经验性质的技术学科，
理论研究进展缓慢。
导热：降低热阻 对流换热：牛顿冷却定律（Newton，1701）
边界层理论 （Prandtl，1904） 数值传热学（Spalding&Patankar，1970）
导热和对流换热过程的强化与优化
数值模拟
● 整体：流动总阻力一定下的传热性能 → 最优 ● 要素：速度矢量 → 协同方程 ● 结构：流态 →是什么？
数值模拟： 复现 流态（流体运动结构）的自组织过程
导热和对流换热过程的强化与优化
实例1：封闭腔体内的对流换热
L
Th
x
Tc
H
机械功 T
0
T 0 x
导热和对流换热过程的强化与优化
：质量流动 ：热量流动
收益(整体)：
场协同方程
最优速度场满足： u const ATx p x 0
v const ATy p y 0 w const ATz p z 0
1.5
填充体积一 定的高导热 材料，使得 传热量达到 最大。
2
2
5
导热和对流换热过程的强化与优化
数值计算模拟演化过程
导热和对流换热过程的强化与优化
仿生构造的最优高导热材料结构
较大导热系数的生命体
较小导热系数的生命体
导热和对流换热过程的强化与优化
演化前后的温度场（k=10）
5 5
4
4
y coordinate
c
导热区域
2、“体点”问题
热源 点 体 绝热
导热和对流换热过程的强化与优化
自然界的启发
☆ 植物根系分布 ──吸收水和养分 ☆ 肺叶支气管分布 ──向血液供氧 ☆ 树叶、神经和血管系统、流域分布、放电 现象等
肺叶
根系
导热和对流换热过程的强化与优化
本文的构造：仿生优化
自然选择
● 优胜劣汰 ● “最大收益”或最小阻力 ── 树状结构是自然选择的结果
对流换热：场协同理论 (过增元, 1999至今)
场分析： Re x Pr
U
1 0
T cos dy Nu x
三个标量场： U ,
1
T , cos
场协同：三个标量场的协同,可以提高热源的强度
U T dy ,从而提高 Nu
0
x
。
理论意义：为对流换热强化的理论研究指 出了基本思路和方向
温差下的热传递 热 势 损 失：热耗散过程 机械能损失：粘性耗散过程
导热和对流换热过程的强化与优化
从整体到局部的优化问题
n
dA
设计导热系数在区域内分布 使得：在整体导热能力一定 下，传热整体性能达到最 优。
局部行为： 付出(整体)： 导热系数分布 整体的导热能力 导热系数的体积分 不变 最优的传热性能 总传热量一定下， 最小的热势损失
导热和对流换热过程的强化与优化
演化准则
生命体的进化：
任何时刻生命体的生长首先在温度梯度最大的 部位上进行.
生命体的退化：
生命体首先废弃那些承担导热任务最小的组织, 也就是说温度梯度最小的“单元”
演化的结果是温度梯度全场均匀化。
导热和对流换热过程的强化与优化
实例2：二维导热优化问题
绝热壁面
0.5 基体(导热系数为1)
任意形状，有内热源，变 的传 导热系数，边界为 热区域
速度场为，纯导热问题； 速度场不为，对流换热问题；
收益(整体)：
导热和对流换热过程的强化与优化
导热的温度梯度均匀化原则
原则：对于纯导热过程，整个区域内温度 梯度保持常数(均匀化)。 2 T const 。 应用：高导热材料应首先布置在温度梯度 最大处。
导热和对流换热过程的强化与优化
对流换热速度场的优化
☆ 各种各样的对流换热强化技术和手段。 ☆ 共同特征：改变速度场。 ☆ 如何掺混流体，何处掺混流体？ ☆ 协同。如何协同？ ☆ 速度场优化问题。
从整体到局部的优化问题
设计区域内的速度场，使流动 总阻力一定下的传热整体性能 达到最优。
局部行为： 付出(整体)： 速度矢量空间分布 流体流态 流动总阻力一定 机械能损失一定 最优的传热性能 总传热量一定下，最 小的热势损失
3
y coordinate
0 1 2 3 4
3
2
2
1
1
0
0
0
1
2
3
4
x coordinate
x coordinate
演化前
演化后
导热和对流换热过程的强化与优化
性能对比 仿生构造 垂构造
优化枝条的 宽度比：2.2
导热和对流换热过程的强化与优化
同温差下的传热量对比
20~25％ 的提高
自然选择 优于 人工构造
近年来，传热强化理论研究取得了长足的发展。
导热和对流换热过程的强化与优化
导热：树网构形理论(Bejan, 1997至今)
P
0
q H 0 L0W
k 0 , q
k0 , q
L0
D0
kp
H0
P
基本单元
树形构造
理论意义：提出以基本单元为基础的，从大 到小逐步细化的构造思想。
导热和对流换热过程的强化与优化
☆ 仿生优化过程：从简单到复杂 ☆ 优化原则？？？ ☆ 探求优化原则：从复杂到简单
过程优化概念
优化：设计某种系统或过程，使得： 付出一定时，取得最大的收益； 或者，收益一定时，只需最小的付出。
过程优化：设计系统或过程内部的局部行为， 优化其整体性能 (总付出和总收益)。
局部行为： 导热系数分布或高导热材料的布置形式； 速度矢量分布(大小和方向)； 翅片系统中翅片的结构形状；
导热和对流换热过程的强化与优化
先要解决的问题
如何描述整体性能？
即：如何表达传热过程中的“付出” 和“收益”？ 需定义一个评判物理量： ☆ 具有统一和普适意义 ☆ 能判别热量输运性能的优劣 ☆ 能在传热整体性能与局部行为之 间建立“桥梁”关系
导热和对流换热过程的强化与优化
热势损失
伴随热量输运过程的热势迁移： 热流×温度，即：Q T
w
U
w
插入扰流物,改变速度场,强化传热
扰流物形状？如何布置？
导热和对流换热过程的强化与优化
H
两种制定的方案(Re=100)：他组织结构
紧贴平板 中心处悬浮
PDI Nu 0.96 2.76, Nu 0 PDI0
2
PDI Nu 1.39 4.48, Nu 0 PDI0
导热和对流换热过程的强化与优化
理论研究涉及的基本问题
强化目标： 温差一定下，提高总传热量 定义在传热过程整体性能的描述和评判上 强化途径： 改变热量输运过程的局部行为 布置高导热材料、改变导热系数分布、改变 速度场、加装翅片 理论研究：从整体到局部的设计过程 基本问题：考虑约束条件时，如何设计传热过程的局部行 为，以使整体性能达到最优？
h c
导热区域
1 2 因此，热势为： E mc pT 2
输进的热势：Q Th 传出的热势：Q Tc 热势的损失： J Q Th Q Tc Q T , J 0
导热和对流换热过程的强化与优化
传热性能的评判标准
传统的： T 一定下，考察传热量 Q 的 大小
仿生优化
── 用生命演化过程来模拟高导热材料布 置形式的寻优过程 。
导热和对流换热过程的强化与优化
什么是仿生?
生 命 体 ── 呈现一定有序结构的高导热材料 自然环境 ── 空间及其特征 (几何形状和边界
条件, 源的大小和分布, 基体的导热性能等)
遵循特定的准则,生命体演化出的最终组织 结构就是高导热材料的最优布置形式。 演化准则 ── ？
4、 工程意义： 协同的速度场对具体的工程强化技术的选择
和实施具有重要的理论指导意义。是自组织，不是他组 织。
导热和对流换热过程的强化与优化
对流换热翅片结构的优化
☆ 翅片是强化对流换热的另外一种途径 ☆ 改变热量在传热空间的输运过程 ☆ 是单根型式？还是类似“树”的自然构形？ ☆ 如何设计高效的翅片结构？
前言
☆ 概述 ☆ 研究现状 ☆ 本文内容
概述
传热强化：促进和适应高热流 (Bergles)
●动力、石油、冶金、化工、制冷以及食品等传统工业
●航空、航天及核聚变等尖端科技领域 ●能源、环保、微电子和生物技术等高新科技领域
最 现
早：冷凝器水侧换热强化, 焦耳(1861) 今：每年可检索400多篇，约占10%以上
5 6 7
(PDI/PDI0)
导热和对流换热过程的强化与优化