传热学论文_参考书《强化对流传热》

对流传热优化——场协同提纲：

1）强化传热技术的重要性

环境问题→节约能源→强化传热技术

2）强化对流传热的途径

①提高雷诺数：增加流速，减小通道直径等

②提高普朗特数：增加流体比热容或黏性

③在速度温度梯度一定时减小夹角，使积分I增大

3）场协同的概念

对流传热中速度场与热流场的相互配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化换热

4）场协同理论在换热器中的应用

将场协同理论应用于换热器，从换热器中换热介质温度场相互配合的整体来考虑，在工程应用方面有重要意义。

一、强化传热技术的重要性

进入21世纪的人类正面临能源与环境两大挑战。我国有13亿多人口，是世界上最大的发展中国家，同时，我国的能源资源短缺，人均能源资源就更加不足，优质能源严重匮乏（我国的人均煤炭可采储量为世界人均水平的54%，人均石油剩余可采储量仅为世界人均水平的8%）。因此，在未来的经济发展过程中，节能将一直作为我国国民经济可持续发展的基本国策，节能和提高能源使用效率将显得尤为重要。

在能源的利用过程中，80%以上的能源都需要通过传热过程和通过换热器来实现。可见，发展并采用高效节能的传热强化技术对节能具有十分重要的意义。因此，从节能的角度考虑，需要在理论指导下研发高效节能的强化传热技术，对生活中最常见的对流传热来说，就是要研发同功耗条件下换热显著强化的新型强化换热理论技术。

二、强化对流传热的途径

一般来说，要实现强化换热有三方面途径：①提高雷诺数，例如

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2 增加流速，缩小通道孔径等，就能使换热增强，这是大家所熟知的；②提高普朗特数，改变流动介质的物理性质，例如增加流体的比热容或黏性，将导致普朗特数的增大，这也是已经清楚的规律；③增加无因次积分值。无因次积分的物理意义就是在x 处热边界层厚度截面内的无因次热源强度的总和。可以想象，热源强度越大，换热强度就越高。这个积分的数值一般与流动、物性因素等有关，也就是说，它是Re 、Pr 的函数，即

由于积分的复杂性，我们很难写出积分I 的分析表达式。但是，有一点是明显的，提高被积函数的数值，就能增加I 值从而强化换热，而被积函数是两个矢量的点积，它不仅与速度、热流的绝对值有关，还取决与它们之间夹角的大小。也就是说，在温度、速度梯度一定时，减小它们之间的夹角（β<90度）时，就能提高积分I 的数值，从而使普朗特数值增大，即实现换热强化。、

三、场协同的概念

通过分析强化对流传热的途径，我们知道，流动当量不仅取决于

速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个量值之间的相互搭配。对流传热中速度场与热流场的相互配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化换热，此时称为速度场与热流场协同较好。速度场与温度梯度场的协同体现在三个方面：

①速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大，即两矢量的

夹角β尽可能小（β<90度）或β尽可能大（β>90度）;

②流体速度剖面或温度剖面尽可能均匀（在最大流速和温差一定

的条件下）；

③尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说，要使三

个标量场的大值尽可能同时出现在整个场中的某些区域。

四、场协同理论在换热器中的应用

以叉流换热器为例，对于同一流动方式的换热器，可以通过传热

面积的重新分布来改善冷热流体温度场的协同，从而提高换热器的有I=∫ (U ·▽T )dy =f （Rex ，Pr ）

1 0

3 效度。现在以带肋片的叉流换热器为例，如图所示

1 5

7 11 6 2

9 13 8 10 3 15

12 14 16

4 对角线上区的温差大于两侧区的温差。

所以，换热面积在各区的平均分配是不合理的，而应该把更多的

面积放置在换热器的对角线区域上，尤其是1区应放最多的换热面积。当面积分布最佳时，叉流换热器的有效度就能达到逆流换热器的有效度。当然，此处所说的传热面积最佳分布是难以实现的，但理论分析为换热面积的优化布置提供了方向。

在增加表面传热系数的层次上提高换热器的性

能，一般需要提供更多的泵功作代价，而在换热器的层次上，通过改善冷热流体温度场的协同强化换热器的的换热功能，是从换热器中换热介质温度场相互配合的整体来考虑的，它不是以增加阻力为代价来提高换热器的性能，因此，在工程应用方面更有意义。

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参考书目

【1】《热工基础》张学学主编，高等教育出版社2006年5月第二版【2】《对流传热优化的场协同理论》李志信、过增元著，科学出版社2010年1月第一版

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