強化傳熱
關注創建者：夸傅追太陽 創建時間：2016-12-28
強化傳熱的實例教程
重力熱管依靠內部工質的循環相變傳熱，傳熱性能好，能夠將余熱高效傳遞到回收器中。重力熱管的傳熱性能影響著余熱回收效果，其傳熱能力越大，傳遞到回收器中的熱量越多，被回收的熱量也越多。因此在余熱回收中提高重力熱管的傳熱性能是重要的研究方向與熱點之一。納米金剛石具有優異的傳熱性能，能夠分散在水中形成金剛石-水納米流體作為重力熱管的工質強化傳熱。然而，關于金剛石-水納米流體在重力熱管中的傳熱行為及其傳熱性能演變機制的相關研究尚不充分，充液率、質量分數和熱流密度對于傳熱性能的影響規律尚需進一步探究。 02 成果掠影 南京航空航天大學徐九華教授團隊研究了金剛石-水納米流體重力熱管內部工質流動傳熱狀態，進而分析了其傳熱行為。該研究闡明了金剛石-水納米流體充液率和質量分數對流型的影響規律。通過正交試驗發現熱流密度是影響傳熱性能最主要的因素，其次是充液率和質量分數。此外，優選出充液率為20%，質量分數為1%的重力熱管在20×104 W/m2熱流密度下具有最佳的傳熱性能，等效換熱性能達到3485 W/(m2·℃)。該研究為深入理解金剛石-水重力熱管傳熱行為，同時提高重力熱管在余熱回收中的傳熱性能提供了理論基礎和基礎數據。研究成果以“Heat transfer enhancement by diamond nanofluid in gravity heat pipe for waste heat recovery”為題發表于《Functional Diamond》。 03 圖文導讀 圖1. GHP傳熱工藝示意圖。 表1. 金剛石納米流體的關鍵熱物理性質. 圖2. 納米金剛石分布。 圖3. 實驗設置示意圖。 表2. 實驗條件。 圖6. 溫室氣體的流動模式填充：(a)去離子水，(b) 0.5 w.t.%，(c) 1 w.t.%，(d) 2 w.t.%金剛石納米流體。 表3.
展開 制冷設備中的主要工作過程之一是對流傳熱，流體的傳熱特性對設備的效率有重要影響；但制冷設備中的傳熱介質，如制冷劑、水及空氣等，針對不同的場合，均可能成為傳熱過程的主要熱阻環節。因此，對于由多個換熱器組成的系統而言，還需考慮各個換熱器之間的匹配與優化對整個系統效率的影響。
傳熱強化技術的研究
1、適合于強化空調傳熱的縱向渦發生器
布置渦發生器的翅片表面
在試驗段放置的情況
不同攻角下的縱向渦傳熱特性
設置于圓管附近的縱向渦發生器能顯著減小圓管的回流區，既減小壓降，又強化了傳熱
新設計的采用環狀布置的渦發生器的換熱面
2、 強化沸騰傳熱的降膜蒸發
1）基本情況介紹：蒸發器是中央空調和熱泵系統的重要組成部分。目前大多數蒸發器采用滿液式蒸發形式，制冷劑充灌量大，液體靜壓影響大；回油性能差，蒸氣帶液現象嚴重。降膜蒸發可克服這些缺點。
降膜蒸發：制冷劑經布液器分配到換熱管表面，然后在重力作用下沿換熱管壁面流下并吸熱蒸發的過程。
優點：制冷劑充灌量小；傳熱系數大；無靜壓影響；回油性能好；低溫差情況下傳熱性能優良。
展開 根據3D科學谷的市場觀察，在變梯度分形點陣夾芯強化相變熱沉方面，西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）開發了一種技術方案予以實現：強化傳熱結構按陣列分布在相變熱沉殼體中，每個變梯度分形點陣夾芯單元按相變熱沉熱傳遞與熱交換特性，以變梯度V結構作為第一級強化傳熱結構，并以此為基礎，在第一級強化傳熱結構的變梯度V形端，以形狀相同的變梯度V結構逐級遞增形成多級強化傳熱結構，各級強化傳熱結構比表面積依次呈倍數增加，其中，第一級強化傳熱結構可將熱量快速強化傳導至遠離熱擴散底板的區域，第二級強化傳熱結構、第三級強化傳熱結構將熱量快速擴散至遠離熱擴散底板的相變材料完成熱交換。
航空、航天領域的結構熱控設計對熱沉的質量、體積與環境適應性有極高要求，使用相變材料(PCM，Phase Change Materials)作為熱沉相較于傳統的質量熱沉其效率高出一個數量級，隨著大規模集成電路和功率電子器件的日益普遍應用而得到廣泛的應用。當電子設備停止工作(或環境溫度下降、外界熱沖擊消失)后溫度下降(低于相變溫度)，相變材料在溫度恒定的情況下發生物相變化(一般是由液相變為固相)，釋放熱量，熱量經由相變熱沉封裝殼體進入周邊環境或需要吸熱保溫的設備，從而解決熱量生成和排放在時間、強度及地點上不匹配的問題，確保電子設備在可控的溫度環境下可靠工作。
相變熱沉封裝結構及強化傳熱結構材料可以選擇不銹鋼、鋁、銅等；相變材料的種類根據相變熱沉散熱性能指標及要求進行選擇，只要滿足充填灌注工藝要求即可。
根據3D科學谷的市場研究，3D打印在散熱器的制造方面當前主要存在幾種思路：一種是替代釬焊實現一體化散熱器結構制造，一種是實現十分復雜的夾芯結構。
展開 【引言】
20世紀90年代以來,隨著納米技術的興起，研究人員開始探索將納米材料技術應用于強化傳熱領域,研究新一代高效傳熱冷卻技術。1995年，美國阿拉貢國家實驗室的S.U.S. Choi教授首次提出了“納米流體”概念[1]，從此將納米技術與熱能工程這一傳統領域創新性地結合了起來。納米流體技術在強化傳熱領域具有十分廣闊的應用前景和潛在的重大經濟價值，被稱之為“未來的冷卻散熱技術”。
【納米流體的工作原理】
納米流體是指把金屬或非金屬納米粉體分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，制備成均勻、穩定、高導熱的新型換熱介質。傳統的換熱介質的導熱系數較低（如表一），已經逐漸無法滿足日益發展的工業工程換熱需求。而一些金屬或非金屬納米顆粒的導熱系數往往是導熱介質的成百上千倍，例如常見的碳化硅納米顆粒的導熱系數為170~270 W/m·K。研究人員發現，若能將納米顆粒均勻、穩定地分散在導熱介質中，將大幅度的提高其導熱性能。
表1 傳統導熱流體在常溫下的導熱系數
傳統導熱流體
水
乙二醇
導熱油
導熱系數(W/m·K)
0.613
0.253
0.145
目前，關于納米流體增強導熱系數機理的研究還處于探索階段，各個研究學者們從自己的實驗數據出發，研究探討不同的納米流體增強導熱系數機理。
展開 而且，在選擇插入物的形式時，應考慮到在小阻力下增強傳熱。
(4)加旋轉流動裝置
旋轉流動的離心力作用將使流體產生二次環流，因而會強化傳熱。上述的某些插入物，如麻花鐵、金屬螺旋絲等，除其本身特點外，也都能產生旋轉流動。在此要提及的是一些專門產生旋轉流動的元件或裝置。例如，渦流發生器，它能使流體在一定壓力下以切線方向進入管內作劇烈的旋轉運動。研究表明，渦旋強化傳熱的程度與雷諾數有關。在一定的熱源溫度下，對流換熱系數隨著Re值而增加，且將達到某一個最大值然后下降。在應用上應控制實際的Re值接近于使對流換熱系數達最大時的臨界Re值，以充分利用旋轉流動的效果。除了流體轉動外，也有傳熱面轉動的情況，當管道繞不同軸線旋轉時利用其離心力、切應力、重力和浮力等所產生的二次環流可促使傳熱強化。管道旋轉對層流放熱的強化效果顯著，而湍流時效果不明顯。過冷沸騰與大空間沸騰的試驗表明，對于帶有螺旋斜面和切向槽渦流發生器的管道，可使沸騰換熱系數或臨界熱負荷得到提高。
(5)依靠外來能量作用
大體上有三方面措施：
①用機械或電的方法使傳熱表面或流體發生振動或通過攪拌使流體很好地混合。試驗表明，振動對于自由流動換熱、受迫流動換熱均有一定效果。對于沸騰換熱的效果不明顯，但在流體振動時對于旺盛的大空間沸騰，可使臨界熱負荷顯著提高。此法對大型換熱設備，在具體應用上有一定困難。利用機械傳動帶動攪拌器，通過流體的良好混合來強化對流換熱，效果顯著，故應用較廣，尤其對于高黏度的流體。
②對流體施加聲波或超聲波，使之交替地受到壓縮和膨脹，以增加脈動而強化傳熱。綜合各研究者試驗研究結果顯示出，對于液體或氣體，只有處于管內層流或過渡流時，聲波作用才較明顯。
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、浸沒式液冷傳熱強化技術、兩相流（泵送）冷卻技術、數據中心液冷系統熱仿真、浸沒式液冷材料兼容性；
快速連接器技術、制冷劑、漏液檢測技術、智能流體分配技術、智能溫度監控技術；
數據中心的應用：模塊化數據中心、數據云箱、機房解決方案、蓄電池、電能存儲、機房專用空調及新風系統、UPS不間斷電源、安防、綜合布線、綠色數據中心、數據中心維護等系統與解決案等；
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█展品范圍：
1、液冷數據中心運維實踐案例、冷板式液冷傳熱強化技術、浸沒式液冷傳熱強化技術、噴淋式液冷技術、兩相流（泵送）冷卻技術、數據中心液冷系統熱仿真、浸沒式液冷材料兼容性、快速連接器技術、電子氟化液、電子冷卻液、制冷劑、液冷散熱模組、液冷系統設計、液冷材料、液冷部件、漏液檢測技術、智能流體分配技術、智能溫度監控技術；
2 、數據中心的應用：模塊化數據中心、數據云箱、機房解決方案、蓄電池
傳熱性能分析</p><p> · 模擬帶有夾套或內冷線圈的攪拌釜的傳熱過程，評估換熱效率，尋找強化傳熱的方法（如增加導流板、優化葉輪形式）。</p><p>8. 反應器尺度放大</p><p> · 這是攪拌行業的核心難題。在小試（Lab Scale）中通過STAR-CCM+獲得準確的流場和性能數據，建立可靠的CFD模型。
節選自陳繼良 《從零開始學散熱》
特別感謝作者和 機械工業出版社 授權
從傳熱學理論中可以看到，提高導熱系數能夠有效強化傳熱。以導熱為例，當傳熱面積很小時，傳遞相同的熱量，導熱系數越高，需要的溫差越小。當前，芯片尺寸越來越小，發熱量越來越大，如將這些熱量轉移到一定位置所“耗費”的溫差也越來越大。
攪拌設備的主要目的：
(1) 使不相溶液體混合均勻，制備均勻混合液、乳化液，強化傳質過程；
(2) 使氣體在液體中充分分散，強化傳質或化學反應；
(3) 制備均勻懸浮液，促使固體加速溶解、浸取或發生液－固化學反應；
(4) 強化傳熱，防止局部過熱或過冷。
上述目的都與攪拌設備內的流場結構有直接的關聯。
應用：油氣化工，生物制藥，廢水處理，建筑，電池制備，家電等等
現狀：機械攪拌用于加快均相體系的混合、保持非均相體系的均勻分散或強化傳熱，對于不同的物料系統、不同的攪拌目的，需要工程師對不同類型的攪拌器做出選擇。影響攪拌釜攪拌功率的幾何因素包括：攪拌器直徑、槳葉的葉形（形狀、長度、寬度、數量）、攪拌釜直徑、物料的裝液高度、攪拌槳葉在釜內的安裝高度、擋板數量及寬度等。
[7]黃煥文，馮毅.半導體制冷強化傳熱研究[J].低溫與超導，2010，38（8）：60-63.
[8]毛佳妮，申麗梅，李愛博，等.半導體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優化設計分析[J].流體機械，2010，38（7）：68-72，19.
[9]余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
1.2 強制風冷
以消耗電池能量為代價，利用風扇或者空氣泵來促進空氣流動，形成強制對流來強化傳熱的方式叫做強制風冷。該方式能夠提供穩定的冷卻氣流，但結構相對復雜。自然風冷一般要求動力電池本身發熱量小，且布置空間的空氣流動順暢，國內目前的電池制造能力還達不到該水平，故強制風冷是國內主流的風冷散熱類型。
通過向熔池吹氮, 不但強化了熔池的傳熱條件, 加快了脫硫的過程, 更重要的是鋼中夾雜物, 特別是> 20μm夾雜物明顯減少。夾雜物總量可減少30%以上。同時對改善非金屬夾雜物的分布也有作用。吹氮時鋼液會吸收一部分氮氣, 氮在高錳鋼中有細化晶粒、提高強度等有利作用。
鋼包吹氬。鋼包吹氬是高錳鋼爐外精煉的一個重要手段。
論壇將關注機器學習、數值計算；聲子工程，低維材料熱輸運；熱超構材料，熱電材料；近場輻射，熱光電；微/納米尺度傳熱傳質，強化傳熱；相變換熱；電子芯片/器件/設備熱管理，個人熱管理等方向。
B. 功能材料
不積跬步，無至千里。闡明和探索熱管理材料的機理與特性，將為材料與技術的研究開發提供理論指導，夯實產品應用基礎。
