傳熱系數的案例
如何提高換熱器的傳熱系數，你學會了嗎？
對于參與換熱的流體加以高電壓而形成一個非均勻的徑向電場，這樣的靜電場能引起傳熱面附近電介質流體的混合作用，因而使對流換熱加強。試驗表明對于自由流動換熱、膜狀沸騰換熱、凝結換熱的強化效果均較顯著。如果在流體中摻入磁鐵粉，則即使在較大的Re數下，磁場也能對換熱起強化作用。如，在水或油中摻入磁鐵粉，在磁場的作用下，可使換熱系數提高50%以上。
改交流體的物性
流體的物性對對流換熱系數有較大的影響，一般導熱系數與容積比熱較大的流體，其換熱系數也較大。例如冷卻設備中用水冷比風冷的體積可減小很多，因為空氣與壁面間的α值在1～60 W/(m2·℃)范圍內，而水與壁面間的α值在200～12000 W/(m2·℃)范圍內。改變流體某些性能的另一種方法是在流體內加入一些添加劑，這是近二三十年來形成的添加劑強化傳熱研究的新課題。添加劑可以是固體或液體，它與換熱流體組合成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動系統。
改交換熱表面情況
換熱表面的性質、形狀、大小都對對流換熱系數有很大影響，通常可通過以下方法增強傳熱：
(1)增加壁面粗糙度
增加壁面粗糙度不僅有利于管內受迫流動換熱，也有利于沸騰和凝結換熱及管外受迫流動換熱。同樣的粗糙度在不同流動及換熱條件下，對傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會帶來流動阻力的增加，在工業應用中應予考慮。
(2)改變換熱面形狀和大小
為了增大對流換熱系數，亦可采用各種異形管和表面開槽等，如橢圓管、螺旋管、波紋管、變截面管及縱槽管等。橢圓管在相同截面積下當量直徑小于圓管，故換熱系數大。
展開 板式換熱器優化設計方法
02
板式換熱器優化設計方法
2．1提高傳熱效率
板式換熱器是問壁傳熱式換熱器，冷熱流體通過換熱器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導和對流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關鍵是提高傳熱系數和對數平均溫差。
① 提高換熱器傳熱系數只有同時提高板片冷熱兩側的表面傳熱系數，減小污垢層熱阻，選用熱導率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數。
a．提高板片的表面傳熱系數
由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產生湍流 (雷諾數一 150時 )，因此能獲得較高的表面傳熱系數，表面傳熱系數與板片波紋的幾何結構以及介質的流動狀態有關。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經過多年的研究和實驗發現，波紋斷面形狀為三角形 (正弦形表面傳熱系數最大，壓力降較小，受壓時應力分布均勻，但加工困難？)的人字形板片具有較高的表面傳熱系數，且波紋的夾角越大，板間流道內介質流速越高，表面傳熱系數越大。
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02
板式換熱器優化設計方法
2．1提高傳熱效率
板式換熱器是問壁傳熱式換熱器，冷熱流體通過換熱器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導和對流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關鍵是提高傳熱系數和對數平均溫差。
① 提高換熱器傳熱系數只有同時提高板片冷熱兩側的表面傳熱系數，減小污垢層熱阻，選用熱導率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數。
a．提高板片的表面傳熱系數
由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產生湍流 (雷諾數一 150時 )，因此能獲得較高的表面傳熱系數，表面傳熱系數與板片波紋的幾何結構以及介質的流動狀態有關。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經過多年的研究和實驗發現，波紋斷面形狀為三角形 (正弦形表面傳熱系數最大，壓力降較小，受壓時應力分布均勻，但加工困難？)的人字形板片具有較高的表面傳熱系數，且波紋的夾角越大，板間流道內介質流速越高，表面傳熱系數越大。
展開 鋁合金薄壁殼體低壓鑄造工藝方案設計
3.1 保溫措施設計
保溫措施設計一種思路是降低鑄件與模具之間的傳熱系數，使散熱變慢，從而達到保溫的效果，尤其是上模、下模、側模的傳熱系數對鑄件質量的影響十分顯著，因此本文將使用響應面法來探究傳熱系數對研究對象的影響規律。將上模與鑄件傳熱系數A，下模與鑄件傳熱系數B，側模與鑄件傳熱系數C作為試驗因數，縮松、縮孔孔隙體積作為響應指標。通過Designexpert軟件中的Box-Behnken方法設計了17組試驗，其因素水平設計如表1所示。根據試驗得到的數據，通過響應面分析，提出降低下模與鑄件傳熱系數來改善鑄件成形質量的方法。在實際生產中可以通過改變下模鑄型涂料的方式，來達到降低下模與鑄件傳熱系數的目的。
表1 響應面試驗因素水平表
在Procast軟件中可選取鑄件底部的網格，設置使其與底部模具之間的界面傳熱系數比其他模具與鑄件
之間界面傳熱系數低，結合之前優化后的澆注系統，得到如圖6所示的預測結果。可以明顯看出，使用保溫措施后，鑄件出現縮松、縮孔的部位減少，主要缺陷分布在鑄件底部結構比較復雜的位置，鑄件該位置結構類似工字梁，另一處處在鑄件厚度突變處。
圖6 保溫措施后縮松、縮孔預測圖
3.2 冷卻系統設計
針對圖6左側的缺陷采取點冷的方式，運用試錯法經過多次嘗試不難獲得此位置的冷卻管道的布置。對于圖6右側的縮松、縮孔缺陷，由于其處于非常復雜的結構中，如圖7所示，冷卻系統難以設計與布置。由于鑄件在該處有四個表面要向模具傳熱，且四個表面圍成的空間也十分狹小，導致模具在此處會過熱。并且產生縮松、縮孔的位置明顯比其他位置厚度更厚。所以要想消除該處缺陷，首先需要改變四個面同時向模具傳熱的現狀，需對圖中深色的面進行保溫處理，降低其傳熱系數，對與該面對稱的面進行同樣的操作。
展開 
HTFS冷凝器蒸發器設計
判斷傳熱面積
通過對實際面積與所需面積比可判斷傳熱面積是否足夠，如果值小于1，則說明傳熱面積小，然后判斷傳熱系數是否在正常范圍內，如果傳熱系數正常，說明需要增大傳熱面積。 B． 過熱度判斷
通過計算的出口壓力查詢Solkane對比過熱度，過熱度保持在6~8℃
C． 傳熱系數判斷
殼側正常范圍6000~9000，傳熱系數越大，壓降越大，如果殼側傳熱系數過小，可在后面的Flow Analysis頁對流體進行詳細分析；管側傳熱系數約在3000~5500，管側流速越大，傳熱系數越大，但壓降也隨著增大；管側推薦流速為10~12m/s。總傳熱系數在2000~4000左右。 D． 振動判斷
在振動判斷項如是yes或是Possible提示，即表明有振動問題，可在后面振動分析頁進行詳細分析。 E． RhoV2判斷
如果RhoV2判斷項出現yes，說明有接口位置接管過小，在后面的Pressure Drop頁可進行詳細分析。
關于振動
振動會通常導致管或管與端版連接處泄露，另一個癥狀是噪音增大和殼側壓力損失增大。通常抑制某一振動會導致其他的振動問題更明顯，此外振動損傷的一條管會有時會加劇其他管的振動問題，因而使振動問題更復雜化。
產生振動損傷通常是以下幾種： a) 由于反復彎曲引起“疲勞損傷”，連續振動引起的應力然后管容易成為應力腐蝕。 b) 相鄰管之間的跨中的反復撞擊，導致管壁減薄并最終破裂，這被稱為“碰撞損傷”。
c) 由于折流板切口引起的“折流板損傷”，當折流板邊緣較為鋒利或者其材質硬度大約管材質時，由于反復振動導致管材破裂。
d) 由于折流板孔與管之間的間隙，管與折流板孔間反復撞擊導致的管破裂。 e) 由于在管脹接處松動，且沒有擴展槽，由此引起的振動破裂。
展開 DEFORM 反傳熱計算
之后再設置傳熱邊界條件，這里只有右端端淬末端發生熱交換，其它位置假設為絕熱。點擊next。
因為我們想得到傳熱系數隨溫度的變化情況，所以選擇溫度。插值算法選擇線性就行，B-spline我也試過，結果差別不大。然后想得到5個溫度下的傳熱系數，Control points就設置成5，并且將5個溫度值列在右邊表中。傳熱系數的初始值設為5.0保持默認，或者也可以自己大概估一個，優化區間為[1e-17,10]，這個區間也是通過估計計算的傳熱系數大小來設置。點擊next。
保持默認值，點擊next。
模擬控制選擇auto，每步的溫度變化為5攝氏度，10步一存，點擊next。
這里設置的是優化停止條件，如果經過計算，結果不是很理想，可以把relative improment less than，Objective function less than和decision vector change less than值調小一點，把maximum iterations和maximum simulations調大一點。直到得到比較理想的結果，我這里都對默認值做了相應的調整，使其不過早收斂，點擊next。
下一步點擊start就開始優化傳熱系數了。第一次迭代完成之后可以點擊next查看優化結果。
這是計算得到的不同溫度下的傳熱系數
這是三個點實驗測得的溫度和模擬的溫度對比，可以看到誤差在可接受范圍內的，說明我們得到的傳熱系數與實際的傳熱系數非常接近（這里的誤差當然也包括了我從圖片中取數的誤差）。
展開 模擬各類對流傳熱問題的方法
這是使用以下熱流邊界條件建模的:
其中，外部空氣溫度為 Text= 25℃ ， 是傳熱系數。
這個單值傳熱系數代表了氣流中所有局部變化的近似值和平均值。即使對于這個簡單的系統，任何介于 之間的值都可能是一個合適的傳熱系數，我們應該嘗試邊界情況并比較結果。
如果我們知道有一個風扇向這個結構上吹空氣，由于更快的氣流，我們使用一個傳熱系數 來表示增強的熱傳遞。
如果周圍的流體是水之類的液體，那么自由和強制傳熱系數的范圍就要寬得多。對于液體中的自然對流 ， 是典型的范圍。對于強制對流，范圍甚至更廣:。
顯然，為自然對流或強制對流輸入單值傳熱系數是一種過于簡化的做法，那么我們為什么要這樣做呢？第一，實現簡單，容易比較最好和最壞的情況。第二，邊界條件可以使用 COMSOL Multiphysics 軟件的基礎模塊施加。盡管如此，但其實 COMSOL 的傳熱模塊和 CFD 模塊也可以模擬更復雜的情況，接下來讓我們看看。
使用對流換熱關聯式
對流換熱關聯式 是為常見的幾何結構建立的一個經驗關系。當使用傳熱模塊或CFD模塊時，這些相關性由熱通量邊界條件提供，如下圖所示。
使用外部自然對流關聯式的垂直壁熱通量邊界條件。
使用這些關聯式要求我們輸入零件的特征尺寸。例如，對于母線板模型，我們使用外部自然對流、垂直壁相關性并選擇 10 厘米的壁高來模擬母線板垂直面的自然對流熱通量。還需要指定外部空氣溫度和壓力。這些值可以從 ASHRAE 數據庫中加載，我們在
之前的文章“如何模擬房屋內的溫度變化”
中描述了這個過程，歡迎查閱。
下表顯示了 COMSOL 中所有可用的關聯式的示意圖，它們通過獲取表面幾何形狀的相關信息，使用
努塞爾數相關
性來計算傳熱系數。
展開 鑄造缺陷預測-FLOW3D熔模鑄造收縮缺陷預測（凝固、縮松、卷氣、夾渣）
在殼體周圍形成空隙區域，以解釋殼體與環境空氣之間在30℃下的傳熱。這被選擇為具有’傳熱類型1’的空隙區域，并且分配殼體和環境空氣之間的傳熱系數值。傳熱類型1將是包括輻射的集總傳熱系數。
選擇用于殼模的材料是鋯石，熱性能可以從Sabau和Vishwanathan [2]進行的實驗中獲得。表1顯示了在研究中使用的材料分配的值。
材料
屬性
值
單元
Fluid-AluminiumA356合金
密度
2437
公斤/立方米
導熱系數
116.8
W /（m K）
比熱
1074
J /（kg K）
潛熱
433.22
千焦/立方米
液相線溫度
608
0℃
固相線溫度
552.4
0℃
鋯石模具
導熱系數
1.09
W /（m K）
比熱*密度
1.63E + 06
J /（m3K）
初始和邊界條件如表2所示。
模具溫度
430℃
熔融溫度
680℃
填充時間
7秒
界面傳熱系數
850 W / m 2 K
環境與模具之間的傳熱系數（輻射效應）
30 -100 W / m 2 K
表2.用于模擬的初始和邊界條件
進入澆口盆的熔體的初始速度和溫度以網格塊2頂部邊界處的速度邊界條件給出。默認情況下所有其他邊界被設置為對稱類型。
結果與討論
驗證報告的實驗結果
Sabuet.al [1]在填充和凝固過程中獲得冷卻曲線的實驗中選擇了四個位置用于驗證目的。它們被稱為C1，C2和S11，S12和S21。點C1和C2位于雙板鑄件的中心，S11，S12和S21都位于殼體中。圖4顯示了這些位置的溫度演變情況。
展開 傳熱學主要知識點 附傳熱學楊世銘第四版下載
h是對流換熱系數單位 w/(m2?k) q??
是熱流密度（導熱速率），單位(W/m2) ?
是導熱量W
6. 熱輻射的特點。
a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；b 可以在真空中傳播；
c 伴隨能量形式的轉變；
d 具有強烈的方向性；
e 輻射能與溫度和波長均有關；
f 發射輻射取決于溫度的4次方。
7.導熱系數, 表面傳熱系數和傳熱系數之間的區別。
導熱系數：表征材料導熱能力的大小，是一種物性參數，與材料種類和溫度關。
表面傳熱系數：當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量。影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等傳熱系數：是表征傳熱過程強烈程度的標尺，不是物性參數，與過程有關。
下載地址：傳熱學楊世銘第四版
展開 熱應力仿真案例分享
為了更加精確地計算，我們使用局部傳熱系數而不是平均系數。因此，除了之前的量之外，還需要使用全局坐標系定義的邊界的位置。
下圖顯示了在預定義物理接口中輸入的所有設置：
對靜葉片鄰近的支撐壁的處理方法與定子相同，但自由流速度被設定為 350 m/s。
葉片還與流經冷卻管道的空氣進行熱交換，如下圖所示。風道的幾何形狀經過簡化，不包括細節，例如用于增加冷卻表面積的肋條。通過這種表示方法，我們可以利用 J. Bredberg 的論文 “
Turbulence Modelling for Internal Cooling of Gas-Turbine Blades
“中的平均努塞爾數相關性來計算等效傳熱系數。在這種情況下，冷卻溫度為 T_cool = 800K。
葉片的內部冷卻管。
由于這種相關性非常原始，因此在軟件中沒有預先定義。當然這不是問題，因為我們可以直接在模型設置窗口中輸入任何用戶定義的表達式。事實上，任何代數表達式都可以輸入到 COMSOL 中，就像寫在紙上一樣簡單。在下圖中，您可以看到如何通過組合不同的參數來定義傳熱系數：
葉片本身的熱傳導用控制其傳熱的物理場來定義。假定葉片由 M-152 合金制成，一種具有高抗拉強度的 12% 鉻鋼合金（參見 M.P. Boyce 的
Gas Turbine Engineering Handbook
）。請注意，M-152 合金的結構和其他材料屬性可在 COMSOL
材料庫
中找到。
熱分析和應力分析結果
將包含上述傳熱模型的渦輪靜葉片模型，與結構力學分析相結合來計算
熱應力
。在上文中，我將仿真定義為用正確的細節來表征真實現象，以獲得應用的相關信息。
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h是對流換熱系數單位 w/(m2?k) q??
是熱流密度（導熱速率），單位(W/m2) ?
是導熱量W
6. 熱輻射的特點。
a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射； b 可以在真空中傳播；
c 伴隨能量形式的轉變；
d 具有強烈的方向性；
e 輻射能與溫度和波長均有關；
f 發射輻射取決于溫度的4次方。
7.導熱系數, 表面傳熱系數和傳熱系數之間的區別。
導熱系數：表征材料導熱能力的大小，是一種物性參數，與材料種類和溫度關。
表面傳熱系數：當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量。影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等傳熱系數：是表征傳熱過程強烈程度的標尺，不是物性參數，與過程有關。
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展開 
CFD學習：關于熱通量方程
在數學上，熱通量方程可以表示為：
q 是熱通量
Q是傳熱速率
A是表面的橫截面面積
T 是溫度梯度
K是傳熱系數
對流和輻射傳熱的熱通量方程
傳導傳熱的熱通量方程可用于對流，前提是使用對流傳熱系數代替常數 K。要確定輻射傳熱中的熱通量，該方程由 Stefan-Boltzmann 定律給出。
輻射傳熱的熱通量方程為：
σ 是 Stefan-Boltzmann 常數
ε是發射率
T 是 (K) 中的溫度
熱通量的計算在化學過程、熱力學系統和航空工業等領域至關重要。Cadence 的 CFD 求解器可以支持多維熱通量問題。使用適當的 CFD 工具，解決涉及熱通量方程的復雜問題是輕而易舉的。
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文章來源：cadence博客
展開 換熱器多維度建模案例
定義傳熱系數
在cs_user_extra_operations.c文件中，定義一個syscall函數來調用元模型；
在cs_user_source_terms.f90文件中，針對每一個通道，先計算出口處的雷諾數Re，結合元模型中得到的努塞爾數Nu，計算傳熱系數，選取反應截面，然后使用命令cs_ic_set_exchcoeff裝載傳熱系數。
模擬結果
各通道特征數
速度場流線圖
速度分布圖
壓強分布圖
方法對比
a. 使用CFD模擬得到的總壓降更高， 這是因為對流換熱的過程中仍存在擴散項；
b.
展開 對流換熱系數
對流換熱系數表征了流體與固體表面之間的換熱能力。比如說，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對流換熱系數的數值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數也愈大。如人處在風速較大的環境中，由于皮膚表面的對流換熱系數較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對流換熱系數可用經驗公式計算，通常用巴茲公式計算。
對流換熱系數的基本計算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)=q*A
式中：
q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量，稱作熱流密度，單位W/m^2；
tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度，單位K；
A為壁面面積，單位m^2；
Q為面積A上的傳熱熱量，單位W；
h稱為表面對流傳熱系數，單位W/(m^2·K)。
對流換熱系數h的物理意義是：當流體與固體表面之間的溫度差為1K時， 1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強弱。
如上所述，h與影響換熱過程的諸因素有關，并且可以在很大的范圍內變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內在聯系,也沒有給工程計算帶來任何實質性的簡化，只不過把問題的復雜性轉移到傳熱系數的確定上去了。因此，在工程傳熱計算中，主要的任務是計算h。計算傳熱系數的方法主要有實驗求解法、數學分析解法和數值分析解法。
影響對流傳熱強弱的主要因素有：
1. 對流運動成因和流動狀態；
2. 流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3.
展開 多效蒸發技術在高鹽廢水處理中的應用，超詳細！
30余度的溫差即可安排12以上的傳熱效數，從而達到10左右的造水比。
系統的操作安全可靠。在低溫多效系統中，發生的是管內蒸汽冷凝而管外液膜蒸發，即使傳熱管發生了腐蝕穿孔而泄漏，由于汽側壓力大于液膜側壓力，濃鹽水不會流到產品水中，充其量只會產生蒸汽的少量泄漏而影響造水量。
煉化企業有大量富裕的低溫余熱待利用，經過低溫多效蒸發技術處理后的淡水可回用至多個工藝環節，如循環水補水等，實現污水的資源化利用的同時，實現了低溫余熱的高效利用。
因此，將低溫多效蒸發技術引入煉化企業水處理行業，利用其高造水比、處理水質好等優點，可以實現低溫余熱利用和煉化污水深度處理的有機結合，并解決煉化污水中高含鹽污水脫鹽難、能耗高等問題。
如低溫熱利用技術對比表所示，較常規熱泵技術和多級閃蒸技術，低溫多效蒸發在熱利用率、技術工藝耦合污水處理等方面具有明顯優勢，代表了相關技術領域的發展方向，是開展余熱利用和污水處理耦合技術的重點方向。
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多效蒸發的工藝模式
多效蒸發工藝有以下幾種工藝模式：
1.順流工藝流程
溶液和蒸汽的流向相同，都由第一效順序流到末效。原料液用泵送入到第一效，依靠效間壓差，自流入（濃縮過程中要是有固體產生或溶液粘度較大就需要添加過料泵）下一效進行處理，完成液自末效用泵抽出。
后一效的壓力低，溶液的沸點也相對較低，故溶液從前一效進入后一效時會因過熱而自行蒸發，稱為閃蒸。因而后一效有可能比前效產生較多的二次蒸汽，但因為后效的濃度比前效高，而操作溫度又較低，所以后一效的傳熱系數比前一效要低，往往第一效的傳熱系數比末效高很多。
并流流程適宜處理在高濃度下為熱敏性的物料。
選擇順流工藝的原因：污水進水料液粘稠度低，不含有大量低沸點的物質，不需要選擇逆流模式先冷凝，且不影響傳熱系數。
展開 