第1章傳熱學(xué)緒論

陳亞平（教授pgchen@強化傳熱技術(shù)2023/2/41第一章緒論1.1強化傳熱的發(fā)展、分類和應(yīng)用涉及領(lǐng)域：能源、航空航天、動力、發(fā)電、制冷、冶金、石油煤炭、環(huán)保、材料等。出文章、出成果、出大家50年代前每年幾篇論文；60年代每年幾十篇；70年代每年100多篇；80年代每年幾百篇；現(xiàn)在每年幾千篇。2023/2/42中國工程熱物理學(xué)會6個學(xué)科學(xué)術(shù)會議2008年論文數(shù)：傳熱傳質(zhì)學(xué)（499）燃燒學(xué)（296）多相流（219）工程熱力學(xué)與能源利用（175）熱機氣動熱力學(xué)（126）流體機械（82）合并開會2023/2/43國際：AEBergles2023/2/44RLWebb2023/2/45國內(nèi)學(xué)者王補宣，熱能工程系教授，中國科學(xué)院院士。1922年生，江蘇無錫人。1943年西南聯(lián)大工學(xué)士，1949年美國普度大學(xué)科學(xué)碩士。清華大學(xué)熱能工程與熱物理研究所所長。我國工程熱物理學(xué)科的開拓者和傳熱學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人。中國工程熱物理學(xué)會原理事長，國際傳熱傳質(zhì)中心學(xué)術(shù)委員，《國際傳熱傳質(zhì)學(xué)報》國際主編，《國際熱物理學(xué)報》、《國際熱流體學(xué)報》等學(xué)術(shù)刊物編委，并當(dāng)選為美國紐約科學(xué)院院士。

作為學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)人和組織者，參與國家有關(guān)科技發(fā)展規(guī)劃的制定與實施，所主持的多項科研成果獲國家級和部委級獎勵，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，專著或教材10部，編輯出版國際學(xué)術(shù)會議論文集6部。2023/2/46過增元：清華大學(xué)工程力學(xué)系教授，美國密西根州立大學(xué)兼職教授，中國科學(xué)院院士。1936年生，江蘇省無錫市人。1959年畢業(yè)于清華大學(xué)。曾任清華大學(xué)工程力學(xué)系工程熱物理教研室主任、研究生院副院長?，F(xiàn)任清華大學(xué)學(xué)位評定委員會副主席，熱能工程與工程熱物理研究所副所長，中國工程熱物理學(xué)會理事長等。多年來從事傳熱學(xué)、熱流體學(xué)和熱等離子體等方面的研究工作。出版專著《電弧和熱等離子體》、《熱流體學(xué)》，發(fā)表論文140余篇。曾獲國家自然科學(xué)三等獎、國家科技進步二等獎、教委科技進步一等獎等多項獎勵。提出了場協(xié)同理論2023/2/47陳學(xué)俊1939年畢業(yè)于中央大學(xué)，獲工學(xué)學(xué)士；1945年進美國Purdue大學(xué)研究生院學(xué)習(xí),1946年獲機械工程碩士學(xué)位并讀完博士生的有關(guān)課程后1947年回國，1947年任交通大學(xué)教授，1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士)，1996年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士。

1980年-1984年任西安交通大學(xué)副校長、校學(xué)位評定委員會副主席；1982年-1985年任教育部世界銀行中國大學(xué)發(fā)展項目中國審議委員會副主任兼工程組組長；1981年-1991年任國務(wù)院學(xué)位委員會工科評議組組員、國家自然科學(xué)基金委學(xué)科組成員；1989年-1998年擔(dān)任九三學(xué)社中央副主席，1993年當(dāng)選為全國政協(xié)常委。

陳學(xué)俊教授創(chuàng)辦了國內(nèi)第一本熱能工程學(xué)術(shù)刊物《熱工?？?。1948年～1959年11年內(nèi)，他陸續(xù)出版了《燃氣輪機》、《實用汽輪機學(xué)》、《蒸汽動力廠》、《鍋爐學(xué)》、《鍋爐整體》、《鍋內(nèi)過程》等10部專著，1952年,陳學(xué)俊先生負責(zé)籌建了我國高校中的第一個鍋爐專業(yè),開出了鍋爐專業(yè)的全部課程。

70年代初，陳學(xué)俊教授親自主持建立了水/空氣試驗臺、氟里昂試驗臺和高壓水/蒸汽實驗臺，70年代末，他主持籌建了我國高校中第一個工程熱物理研究所，1990年創(chuàng)建了我國第一個動力工程多相流國家重點實驗室。2023/2/48林宗虎

研究領(lǐng)域或方向

熱能工程、氣液兩相流與傳熱以及多相流測量。工作簡歷

1957年交通大學(xué)鍋爐專業(yè)研究生畢業(yè)。1980-1982年曾任美國邁阿密大學(xué)訪問教授?，F(xiàn)任西安交通大學(xué)熱能工程系教授，熱能工程專業(yè)博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金評審組成員，國家科技獎勵機械評委會評委，流體機械國家工程研究中心學(xué)術(shù)委員會主任，鍋爐煤清潔燃燒國家工程研究中心和動力工程多相流國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員，香港評審局專家中國電機工程學(xué)會鍋爐專業(yè)委員會副主任，中國工程熱物理學(xué)會副理事長，中國工程熱物理學(xué)會多相流專業(yè)委員會主任，中國工程熱物理學(xué)報主編，美國《國際工程流體力學(xué)》期刊國際顧問等職。1988年被授予國家級有突出貢獻中青年科技專家稱號；1995年被選為中國工程院院士。2023/2/49陶文銓

研究領(lǐng)域或方向

傳熱強化及數(shù)值模擬方法和應(yīng)用：傳熱與流動的先進數(shù)值計算方法及其應(yīng)用；強化傳熱的基本理論與工程應(yīng)用；電子元器件的冷卻技術(shù)；湍流模型及其工程應(yīng)用，小型低溫制冷機制和冷系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬；高效換熱器的優(yōu)化設(shè)計與研發(fā)；微細尺度流動和傳熱的研究；燃料電池中的關(guān)鍵工程熱物理問題；航空航天技術(shù)中的傳熱與流動問題研究，制冷工質(zhì)相變換熱的強化等。工作簡歷

陶文銓，男，1939年3月生于浙江紹興。1962年西安交大本科畢業(yè)，1966年西安交大研究生畢業(yè)（導(dǎo)師楊世銘教授），1980－1982赴美國明尼蘇達大學(xué)機械系傳熱實驗室進修，師從EMSparrow教授。現(xiàn)為西安交大能源與動力工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2005年被選為中國科學(xué)院院士。

現(xiàn)任教育部高等學(xué)校熱工課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會主任委員，教育部能源動力學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任委員，中國工程熱物理學(xué)會副理事長，傳熱傳質(zhì)專業(yè)委員會委副主任委員，西安交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）主編，InternationalJournalofHeatMassTransfer以及InternationalCommunicationinHeatMassTransfer的負責(zé)中國地區(qū)事務(wù)的副編輯（AssociateEditor），國際雜志NumericalHeatTransfer（A，B）與ProgressinComputationalFluidDynamics的編委。2023/2/4102023/2/411謝華清，陳亞平，何雅玲，陶文銓，梁新剛等2023/2/412陳亞平，吳裕遠，陳聽寬，金蘇敏，彭曉峰2023/2/413

楊世銘，江蘇無錫人。1948年畢業(yè)于交通大學(xué)機械系，1953年獲美國依里諾理大學(xué)博士學(xué)位。歷任美國依里諾理大學(xué)研究工程師，上海交通大學(xué)教師，西安交通大學(xué)副教授、教授，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。中國工程熱物理學(xué)會理事、傳熱傳質(zhì)學(xué)會副主任，教育部熱工教材編審委員會副主任，國家教委熱工課程教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任，國際傳熱傳質(zhì)學(xué)中心學(xué)術(shù)委員會委員、執(zhí)行委員會委員，國際傳熱傳質(zhì)學(xué)雜志榮譽編委。在傳熱傳質(zhì)物理研究方面有相當(dāng)貢獻。著有《傳熱學(xué)》及論文36篇。2023/2/414

程林，1962年生，山東大學(xué)空間熱科學(xué)研究中心主任、山東能源學(xué)會理事長。入選國家百千萬人才工程，是國家有突出貢獻的中青年專家，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者，2005年入選“泰山學(xué)者”。獲國家科技進步二等獎兩項。程林教授擔(dān)任國家“973計劃”項目——“高能耗行業(yè)典型換熱設(shè)備節(jié)能的先進理論與方法”項目首席科學(xué)家。

他與同事田茂誠教授共同研發(fā)的彈性管束系列換熱設(shè)備，較一般換熱器效率提高10%—15%，目前在全國1200余家重要工程中應(yīng)用，產(chǎn)生經(jīng)濟效益數(shù)十億元。2000年已成為國家建筑標準設(shè)計，形成屬于我國的知識產(chǎn)權(quán)。該技術(shù)項目也因此獲得國家科技進步二等獎。

程林1983年畢業(yè)于山東大學(xué)動力工程專業(yè)，繼而在這里獲工學(xué)碩士，在東南大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。山東大學(xué)AMS項目組的首席科學(xué)家。AMS（阿爾法磁譜儀），是由丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的大型國際合作科學(xué)研究，2004年3月山東大學(xué)參與該計劃。根據(jù)NASA（美國航空航天局）提供的簡化模型，山東大學(xué)負責(zé)模擬完成AMS運行過程中189種工況的散熱環(huán)境，現(xiàn)已成功設(shè)計制造了合乎規(guī)格的散熱板。2023/2/415東南大學(xué)從事強化傳熱研究的人員施明恒：多孔介質(zhì)、分形周強泰：鍋爐強化傳熱陳善年：計算傳熱學(xué)史美中：教材張永福：電廠鍋爐空氣預(yù)熱器等，螺旋線圈陳永平：分形傳熱通道陳振乾：泡沫鋁換熱器2023/2/416Two-scalecorrugationplateswithsamedirection

陳亞平：同向雙尺度波紋板：適合冷凝過程

2023/2/417交叉雙尺度波紋板：適合液膜過程Two-scalecrosswisecorrugationplatebundle

2023/2/418分形鋸齒翅片普通鋸齒翅片的板翅式換熱器傳熱面2023/2/419圖3不同分形階數(shù)的鋸齒翅片（上：主視圖；下：俯視圖）2023/2/420三階分形鋸齒翅片雙尺度鋸齒翅片2023/2/421雙面液膜反轉(zhuǎn)Islam,etaldesignedfilminversionschemes

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w:t↓,ξ-2023/2/422Schemeofdouble-sidefilm-invertingabsorber

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2023/2/4242023/2/425液膜分布在壁面上時總有一側(cè)表面藏在內(nèi)部，而如果將液膜在絲網(wǎng)表面分布則可以形成雙面暴露的情況。然而對于吸收過程，由于溶液在吸收水蒸氣的汽化潛熱后，溫度迅速升高，傳質(zhì)驅(qū)動力衰減，需要不斷進行冷卻。因此吸收過程的強化應(yīng)該兼顧傳熱和傳質(zhì)兩方面，采用耦合方式實現(xiàn)。吸收過程液膜的傳熱傳質(zhì)阻力是比較大的，即使是經(jīng)過一次反轉(zhuǎn)，出口端液膜內(nèi)外溫差仍可達5℃左右，而質(zhì)量分數(shù)差則達0.035左右，此時液膜厚度約0.38mm；此外還顯示在液膜反轉(zhuǎn)后初期吸收率可比反轉(zhuǎn)前增大2~3倍。在自由表面附近很薄的一層液膜中產(chǎn)生質(zhì)量分數(shù)下降，而內(nèi)部的溶液的質(zhì)量分數(shù)較高。解決方案：液膜充分暴露；在表面不發(fā)生干涸的前提下盡量減薄液膜；使液膜充分混合和冷卻。2023/2/426圖

可視化試驗裝置圖

雙面液膜反轉(zhuǎn)導(dǎo)流器與上下板片的連接(a)正面(b)側(cè)面2023/2/427圖

吸收試驗臺照片(a)裝置全貌(b)吸收器試驗容器局部2023/2/428絲網(wǎng)翅片板翅式換熱器

雙面液膜熱質(zhì)耦合傳遞吸收過程的強化研究

2023/2/429機理初步分析擴展了傳熱傳質(zhì)面積，絲網(wǎng)表面可形成雙面布膜，凹凸和空心表面使得溶液與冷劑蒸氣的傳質(zhì)接觸面積增大；實現(xiàn)耦合傳熱傳質(zhì)方式，液膜可利用重力沿絲網(wǎng)呈光線反射狀在相鄰兩塊傳熱板之間逐漸曲折向下流動。在絲網(wǎng)與板管連接節(jié)點處，沿板管壁面的和沿絲網(wǎng)表面流動的液膜經(jīng)歷重新混合和分配的過程，可不斷地將新鮮液膜表面暴露并及時地將所吸收的冷劑蒸氣的汽化潛熱帶走，交替完成傳熱傳質(zhì)過程；由于大部分液膜分布到絲網(wǎng)翅片上，板管上的液膜厚度將相應(yīng)減薄，有利于提高蒸氣對板管的膜傳熱系數(shù)；表面張力可使液膜在絲網(wǎng)上分布均勻，且絲網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)還可促進液膜擾動，增強液膜各層之間的混合，避免了傳統(tǒng)方案自由表面外層飽和，貼近壁面的內(nèi)層濃度基本不變，因而出口處總體平均質(zhì)量分數(shù)偏高的情況。2023/2/430捷克的Lutcha,J.等發(fā)明的1/4扇形折流板方案

2023/2/431三分螺旋折流板換熱器1-殼體；2-管束；3-管板；4-折流板；5-進、出口接管三分扇形螺旋折流板管殼式換熱器本體2023/2/432強化傳熱的主要任務(wù)改善、提高熱傳播的速率，以達到用最經(jīng)濟的設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，或用最有效的冷卻來保護高溫部件的安全運行，或用最高的熱效率來實現(xiàn)能源合理利用的目的。2023/2/433強化傳熱方法分類強化傳熱方法分類無源（被動）有源（主動）處理表面粗糙表面發(fā)展表面擾流元件渦流發(fā)生器螺旋管添加物射流沖擊機械攪動表面振動流體振動電磁場噴射或吸出復(fù)合強化：如粗糙管加扭曲帶需要外加輔助動力，增加能源和設(shè)備投入，影響可靠性研究較多研究較多研究較多研究較多旋流強化對層流強化效果好,研究較多適合沸騰和凝結(jié)適合湍流邊界層強化適合氣體側(cè)(控制熱阻)可增強對流和輻射傳熱最好是利用自然存在的電磁場、振動、二次流、脈動等2023/2/434換熱器分類1）按結(jié)構(gòu)分管式：套管式、管殼式、盤管式（蛇管式）；2023/2/435板式：墊片板式、釬焊板式、螺旋板式、板殼式、熱板；2023/2/436延伸表面：管翅式、板翅式；2023/2/437再生式：固定蓄熱床、旋轉(zhuǎn)式2023/2/4382）按過程分直接傳遞（間壁式）間接接觸式：蓄熱式、流化床直接接觸式：冷卻塔、刮板式3）按緊湊程度分，大于700m2/m3為界緊湊型，優(yōu)點：容積小，適合處理昂貴和危險物料，重量輕，易于運輸，基礎(chǔ)小，易于控制溫度（響應(yīng)快）；限制因素：缺少標準，通道狹窄，不易清洗，易堵，適合處理空氣、干凈工質(zhì)（制冷劑）等。非本課程研究范圍2023/2/4394）按流動形式分順流；逆流錯流：不混合－不混合；不混合－混合；混合－混合5）按分程情況單程多程6）按流體的相態(tài)分單相對流：兩相對流：冷凝、沸騰（池~、流動~）或蒸發(fā)對流+輻射（高溫換熱器）層流強制對流－－研究較多自然對流－－研究較少湍流按發(fā)生原因按運動狀態(tài)2023/2/4401.1.2不同強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用場合處理表面：沸騰、凝結(jié)旋流：螺旋管、渦流發(fā)生器、機械攪動層流粗糙表面：湍流發(fā)展表面：氣體換熱添加物：固體微粒摻和物、納米顆粒在一定條件下增強流體的對流換熱，高溫下增強輻射換熱，流化床薄弱環(huán)節(jié)：傳質(zhì)、自然對流習(xí)慣于用強制對流代替;如太陽能電池板冷卻2023/2/441強化傳熱技術(shù)的研究和應(yīng)用具有較大的經(jīng)濟效益。專利：強化翅片、粗糙表面、處理表面、復(fù)雜組合通道；機械攪動和電磁場2023/2/4421.1.3強化傳熱技術(shù)推廣中存在的問題應(yīng)用強化傳熱的目的一般有：增加輸熱量；減少換熱面積和縮小設(shè)備體積；提高被加熱流體的出口溫度，減小Δtm；降低載熱劑唧送功率的消耗；降低高溫部件的溫度。普通換熱器達到前4個目的中的一至兩個太陽能電池板冷卻:溫度上升1度,發(fā)電效率降低0.3%強化措施應(yīng)選擇換熱器兩側(cè)流體中熱阻較大、對換熱器總傳熱系數(shù)起控制作用的一側(cè)來實施。如：各類發(fā)動機、核反應(yīng)堆、火箭發(fā)動機、電力、電子設(shè)備的冷卻減少材料消耗2023/2/443強化傳熱研究范圍不斷擴大，研究深度日益增加，但在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的不多。原因有：對于強化傳熱的原理和應(yīng)用方面的科學(xué)知識沒能進行廣泛的宣傳普及。雖然有了一些理論分析資料，但研究還不夠深入。有些研究結(jié)果分歧較大，缺少適用面較廣的通用經(jīng)驗公式；不少強化技術(shù)既不能用純粹數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出與實驗一致的理論公式，又不能任意從有限的經(jīng)驗資料外推到實際生產(chǎn)條件中去。實驗→中試→生產(chǎn)之過程需要大量投資。生產(chǎn)部門常常寧可采用習(xí)慣應(yīng)用的舊技術(shù)，而不愿增加投資冒險采用新技術(shù)。2023/2/444生產(chǎn)工藝跟不上，產(chǎn)品未能實現(xiàn)系列化。強化傳熱技術(shù)中有一些需要較高的工藝水平，從而增加了成本，積極改進工藝并降低成本是推廣強化傳熱技術(shù)的關(guān)鍵。一些強化傳熱技術(shù)缺乏必要的壽命試驗資料，如處理表面在與高溫介質(zhì)或不潔流體長期接觸時，表面受到腐蝕或發(fā)生結(jié)垢，會使熱阻急劇增加，導(dǎo)致得益逐漸下降，致使所采取的強化傳熱措施失效。如沸騰和凝結(jié)。要有必要措施保持其效能。本門課程介紹新的強化傳熱技術(shù)的研究和應(yīng)用經(jīng)驗；主要強化傳熱方法的機理分析；介紹相關(guān)強化傳熱技術(shù)的計算方法、經(jīng)驗公式或研究思路。2023/2/4451.2強化傳熱性能的評判準則實際選用強化措施及有關(guān)參數(shù)時考慮的問題：采用強化措施所獲得的設(shè)備功率的增加和系統(tǒng)熱效率的提高，或者設(shè)備體積減小、傳熱介質(zhì)唧送功率降低等效果究竟有多大？采用所選擇的強化傳熱措施后需要增加多少費用？工藝復(fù)雜性如何？能否成批生產(chǎn)？所采取的強化方法與傳熱介質(zhì)的相容性如何，能否保證強化傳熱性能持久有效？采用強化措施后能收到多大的經(jīng)濟效益？2023/2/446最佳強化傳熱方法和有關(guān)幾何參數(shù)的性能評判準則早期指標：考慮了強化傳熱的同時阻力系數(shù)也會增加介質(zhì)的唧送功率幾乎與速度的三次方成正比前二個可以作為準則，但不宜以其是否大于1作為可否應(yīng)用的標準。即使對第三個，還要考慮工藝、費用等問題。還應(yīng)注意傳熱量是由兩側(cè)的換熱系數(shù)確定的，對控制熱阻側(cè)的討論才有意義。2023/2/447實驗裝置現(xiàn)場圖片不同折流板方案的管芯

2023/2/448圖

殼側(cè)綜合指標ho/Δpo-1隨油流量變化的關(guān)系2023/2/449圖

殼側(cè)綜合指標ho/Δpo1/3隨油流量變化的關(guān)系20o扇形折流板方案的指標比弓形折流板平均高出26%20o搭接扇形折流板方案的指標低于20o扇形折流板方案，而與15o扇形折流板方案相當(dāng)。15o橢圓折流板方案的指標低于15o扇形折流板方案10o扇形折流板方案的指標比弓形折流板的低。2023/2/450例1指標1:粗糙度越大越好指標3：粗糙度為0.02~0.03之間較好指標2:粗糙度越小越好粗糙肋相對高度2023/2/451例2粗糙肋相對高度h/D=0.01，Re=105。改變管數(shù)和管長得出不同速度比w/w0時的流量比Q/Q0、泵功率比N/N0和(Q/N)/(Q0/N0)的變化。Q/Q0大,但N/N0更大,(