多孔材料理论研究及应用

多孔材料理论研究及应用

摘要：介绍强化传热技术的概念及分类方法，着重介绍新型强化材料中多孔材料的理论研究及发展应用，在离心力作用下的多孔材料物料层的强化对流的理论研究，从而验证改变气流方向和热流密度矢量之间夹角可以强化换热这一传热原理。

关键词：对流换热；多孔材料；强化换热

当今世界，由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换热效率、研究强化换热的新技术成为人们日益关注的新课题。本文将从强化传热的基本概念入手，着重介绍新型强化材料中多孔材料的理论研究于应用。

1 强化传热方法的概念与分类

1.1 强化换热的概念。众所周知，热量传递方式有导热、对流、辐射三种。因此，强化传热方法的研究也就是必从这三个方面进行。所谓强化换热或增强换热是指通过对影响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换热量或者在满足原有换热

量下使其体积缩小。

1.2 强化换热方法分类。强化换热可分成无源技术（passive technology）和有源技术（active technology）两种。所谓无源技术，即除了输送传热介质的功率消耗外，不再需要其他附加动力；有源技术却必须依赖外界机械力或电磁力的帮助。

2 多孔材料的理论研究

2.1 多孔材料的基本特性。多孔材料是20世纪初出现的、发展

较快的一类材料。由于空隙存在与环境的交互作用引发出的各种功能特性，是一种集结构和功能于一体的功能结构一体化材料。广泛应用于各行业的过滤分离、流体渗透与高效燃烧、强化传热等领域。多孔材料具有质量轻、强度大、刚度高、韧性强的特点，同时多孔材料中存在大量随机性或方向性的孔洞，孔洞中充满了低导热系数的空气介质。因此闭孔多孔材料是具有优良的隔热性能，而通孔多孔材料应用于强制对流中可显著提高对流换热的能力。

2.2 理论研究。研究问题可归结为热气流通过多孔无聊的气固两相间的强制对流换热，其物理模型与坐标系统图如下：

如上图所示，在离心力场作用下多孔物料层中的强制对流，温度为tf，in、流速为u0的流体，流经温度均匀的固体颗粒层，颗粒层厚为l，温度为ts，ts>tf，in。流体出口温度为tf，out，单位体积中的颗粒表面积为a，颗粒平均直径为d。在这一过程中假设：1）过程处于稳态；2）流体物性为常数；3）流体温度仅是y方向上的函数。

满足上述条件和假设后，分析：流经后为dl薄层固体颗粒的能量平衡，可以对垂直于流动方向的单位面积得出：

u0ρfcpdtf=ha（ts-tf）dl ……（a）

式（a）有能量平衡到处的强制对流换热控制过程。式中h为气流刚喝颗粒之间的对流换热系数。假定范围内都为常数，ρf、cp 为空气的密度和比热容。

式（a）的边界条件为：

y=0；tf=tf，in y=l；tf=tf，out ……（b）在上述边界条件下，方程（a）的解为：

hal/u0ρfcp=ln（tf，out-ts/tf，in-ts）……（c）定义下列无因此准则数：

nu=hd/λf pr=cpηf/λf re=du0ρf/ηf ……（d）

则（c）式可改写为

nu=cre c=1/al ln(tf，in-ts/tf，out-ts) ……（e）

式中a、l均为离心力场和颗粒的、形状有关的几何参数。在给定的物料与运行工况下，c可以确定。

式（d）表明，在气流流动方向与物料层中热流的方向一致时强制对流换热的nu数与pe数成线性关系，这样对于多孔材料的理论研究得到以下结论：

所有沿固体壁面的边界层强制对流换热中，nu数与re数或pe数之间均是呈指数小于1的指数关系。只要对这类对流换热条件分析一下，就可以看出，在这类边界层强制对流中流动方向均与热流场方向互为垂直，表明了流动方向与热流方向之间的夹角对于对流换热强度有重要影响。若速度与热流矢量同向，这在同样地流动条件下对流换热可以获得最佳的换热效果。因此离心力场下气流通过多孔物料层的强制对流混热比通常的边界层对刘换热有较高的换热

强度。

3 实验设备和方法

实验设备见文献[1]。至于床体内的物料受离心力的作用紧靠分

布板形成一圆环状层，由鼓风机送入空气。经孔板流量计测量其质量流量后，由电加热器加热至所需的温度，然后进入床层，流化并加热干燥床层物料，最后由出口排出。

实验表明，经过不长的初始阶段以后，气体入口温度、出口温度和颗粒出口温度都达到相应的稳定值。由于本文采用间隙操作，床层内固体颗粒温度并不保持严格的均匀，计算时，采用稳定后的颗粒平均温度。

4 结论

本文对新型换热材料中得多孔材料给予一定的介绍，并以物理模型和离心流化为例，介绍其在现实生活中得应用。同时也验证了离心力场作用下，在离心流化床多孔物料层内的对流换热过程中，物料层本身形成了一个当量热源，使速度与热流矢量两个物理场之间得到了协同，使得多孔物料层内的强制对流换热比通常的边界层对流换热有较高的换热强度。在气体流动方向与料层中热流场的方向一致时，气体流过多孔颗粒层的强制对流换热nu数与pe数成线性关系；改变气流方向和热流密度矢量之间夹角可以强化换热这一传热原理。

参考文献：

[1]郝英立，离心流化床内流动和传热传质的基础研究，南京：东南大学，1996.

[2]过增元，对流换热的物理机制[j].科学通报，2000，45（19）：2118-2122.

[3]林宗虎，强化传热及其工程应用[m].北京：机械工业出版社，1987.

[4]天健、刘涛，多孔金属材料多功能化设计[j].力学与实践，2008，30（1）：1-9.