微小流道(槽道)傳熱強化與節能（簡體書）

《微小流道（槽道）傳熱強化與節能》介紹了微小流道（槽道）傳熱研究進展和微流道傳熱的某些試驗結果，包括微流道流體的強化傳熱及比較、微流道電場強化傳熱及與常規流道的比較、微流道磁場強化傳熱、微流道納米流體強化傳熱、微流道壁面粗糙度對傳熱及流阻的影響、微流道沸騰傳熱的可視化。

《微小流道（槽道）傳熱強化與節能》可供輕化工、石油化工、化工機械、制冷、電子及熱能和動力相關專業本科生和研究生參考，也可供以上各專業的有關企業和工廠、設計院等專業人士參考。

前言
第一章緒論 1
第一節引言 1
第二節微型換熱裝置 4
第二章國內外—些微小流道內單相流傳熱和流體摩擦因子試驗簡介 10
第一節評述 10
第二節國內外一些微流道單相流傳熱簡介 12
第三節影響微小流道單相流傳熱和流阻的一些因素分析 23
第三章制冷空調微小流道換熱器和冷凝器傳熱特性 30
第一節引言 30
第二節微小流道換熱的冷凝器 33
第三節微小流道內制冷劑的流動壓降和傳熱計算 36
第四章微小流道內單相流流動壓降評述以及層流向湍流的過渡特性 40
第一節氣體流在光滑微流道管內的流動壓降和層流向湍流的
過渡簡述 40 前言
第一章緒論 1
第一節引言 1
第二節微型換熱裝置 4
第二章國內外—些微小流道內單相流傳熱和流體摩擦因子試驗簡介 10
第一節評述 10
第二節國內外一些微流道單相流傳熱簡介 12
第三節影響微小流道單相流傳熱和流阻的一些因素分析 23
第三章制冷空調微小流道換熱器和冷凝器傳熱特性 30
第一節引言 30
第二節微小流道換熱的冷凝器 33
第三節微小流道內制冷劑的流動壓降和傳熱計算 36
第四章微小流道內單相流流動壓降評述以及層流向湍流的過渡特性 40
第一節氣體流在光滑微流道管內的流動壓降和層流向湍流的
過渡簡述 40
第二節微小流道摩擦因子以及過渡區流動特性與微流道表面粗
糙度特性 43
第三節微流道表面粗糙度對微流道內流動摩擦因子的影響 51
第四節微流道層流、過渡流以及低雷職湍流流動下流道表面粗糙度
及其節距等參數對流動摩擦因子的影響 59
第五章微小流道沸騰傳熱 71
第一節微小流道內兩相流流動沸騰傳熱與壓降綜述 71
第二節微小流道小沸騰傳熱一些試驗及其結果介紹 83
第三節三種微小流道沸騰實驗結果及分析 87
第四節三種微槽道飽和沸騰膜系數和兩相流摩擦壓降試驗的分析
及比較 94
第六章微小流道(槽道)流動沸騰傳熱與兩相流摩擦特性分析 98
第一節影響微小流道流動沸騰傳熱特性因素的一些試驗及分析 98
第二節三種矩形微槽流道流動沸騰兩相流摩擦阻力特性試驗
及分析 104
第七章微小流道沸騰機理評述與三區模型 109
第一節微小流道沸騰機理評述 109
第二節微小流道沸騰經典預測模型及分析 116
第八章微小流道電場強化沸騰傳熱 123
第一節微小流道電場下沸騰傳熱強化試驗 123
第二節微小流道沸騰傳熱電場強化與常規流道的比較 134
第九章微小流道沸騰臨界熱流密度 137
第一節微小流道沸騰臨界熱流密度(CHF) 137
第二節矩形微槽道飽和沸騰臨界熱流密度試驗與模型預測 139
第十章納米流體沸騰傳熱與其微流道臨界熱流密度 148
第一節總論 148
第二節納米流體臨界熱流密度分析和討論 149
第三節微槽道A1203十水納米流體的流體阻力特性和傳熱性能試驗
與比較 156
第十—章磁場強化微流道沸騰傳熱 180
第一節磁場強化去離子水和Fe304-水磁性納米流體微流道沸騰
傳熱試驗 180
第二節外加磁場下Fe304-水磁性納米流體微流道飽和沸騰試驗的
模型驗證 188
第三節微流(槽)道外磁場作用下Fe304-水納雜性流體兩相流摩擦
壓降 196
第四節去離子水和磁流體及外加磁場下微流道沸騰傳熱臨界
熱流密度 205
第十二章在有無外加電場下ai2o3納米流體與去離子水在微槽道內
沸騰傳熱特性試驗及比較 212
第一節無電場下微槽內影響沸騰傳熱膜系數的因素 212
第二節無電場下試驗擬合曲線及關聯式 219
第三節以去離子水為工質外加電場下傳熱膜系數分析 220
第四節Al203納米流體沸騰試驗結果與Q&M預測模型比較
(無外加電場下） 227
第十三章微槽道沸騰實驗的可視化 232
第一節氣泡生長過程的一些可視化圖像 232
第二節微槽道內流動沸騰流型的一些可視化圖像 234
第十四章微槽道壁面粗糙度對沸騰傳熱和臨界熱流密度(CHF)以及流
動沸騰流阻的影響試驗研究 237
第一節微槽道壁面粗糙度測量方法簡述 237
第二節通道壁面粗糙度對沸騰傳熱的影響試驗結果 240
第三節微槽道壁面粗糙度對臨界熱流密度的影響 244
第四節微流道壁面粗糙度兩相摩擦壓降試驗結果 246
參考文獻 250

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第一節引 言
一、化工設備及換熱器的微小型化
換熱設備由早期開始，一直沿用至今的都是大型化管殼式結構。直到20世紀20!30年代才出現緊湊式板式及板翅式換熱器。到了21世紀90年代，又出現了微流道微型換熱器。
對于化工機械設備的微小型化，發達國家在20世紀80年代便開始進行了反應與換熱設備小型化的研究，如德國Karlsruhe的核能研究中心在80年代末開發的W小型換熱器的換熱功率最大可達20kW;90年代初開始了微小型化工(動力)機械系統的研究，如美國能源部的太平洋西北國家實驗室（PacificNorthwestNationalLaboratory，PNNL)在美國國防前沿研究署及能源部的支持下開展了微型化工系統的研究，而后又納入微型熱系統的概念，并注冊了名為Micro-CATS(MicroChemicalandThermalSystem)的開發平臺，針對能源、空間技術、軍事、運輸、環保、難領域的需求開發了微型換熱器、微型蒸發器、微型熱泵、微型反應器、微型吸收器等尖端設備。美國Oregon州立大學也與PNNL合作開展了以微技術為基礎的能源與化工系統(MECS)的研究;麻省理工學院開展了微燃燒器技術的研究;我國華東理工大學在微型換熱器和制氫反應器的設計制造方面也取得了重要進展。
小型化學機械系統在傳統的學科框架下基本上可以找到其設計的理論依據，但在制造技術上則仍有許多困難需要克服。而微型化學機械系統相對于宏觀系統存在尺度效應問題，即微型化學機械系統并非傳統意義下宏觀化學機械系統的簡單幾何縮小。因為當化學機械系統尺寸微型化后’材料的物理性質及其對環境變化的響應發生很大的改變，微機械的力學特性和構件在環境介質中的行為以及所受體積力和表面力的相對關系也發生變化;另外，由于制造工藝和制造技術存在的難度，還會弓丨起構件間的幾何誤差和接觸摩擦。目前由于對微觀條件下的化學機械系統的特性以及介質、負載作用下的物理、化學行為等尚缺乏充分的認識，還沒有形成基于一定艦基礎之上的微型化的設計理論與方法，只是借助試驗和模擬方法，利用一些成型的宏觀艦，對微型換熱器、微型反應器等設備的結構和流場問題進行分析和推測，試圖歸納、總結出適用于微型化學機械系統的設計艦。
至于換熱器，具體來說，由于列管式換熱器體積龐大等諸多局限，而提出了開發高效、緊湊式鶴器的求。隨著強化傳細論的發翻機械加工技術的提高’出現了許多新型高效的強化傳熱表面結構，進而開發了以板式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器及熱管換熱器為代表的小型化換熱裝置。經過幾十年的發展，小型化換熱裝備技術雖然已很成熟，但對于微電子、航空航天、醫療、化學生物工程、材料科學等領域’對高溫超導體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強激光鏡的冷卻等方面，尤其是對于超大規模集成電路的熱障問題以及其他一些對換熱設備的尺寸和質量有特殊要求的場合，卻受到了很大的限制。因而，這些需求又進一步推動了換熱裝置向著更加高效、更加小型化的方向發展——麵換熱裝置。
二、微小型化設備制造技術進展簡述
微小型化學機械系統的功能是傳熱、傳質和化學反應’由于系統在高溫度、壓力和腐蝕介質的情況下工作，條件更顯苛刻，雜結構的好壞直接影響著系統內物理過程和化學反應的效果，因此微小型化學機械系統的制造技術和質量顯得非常重要。
隨著加工制造技術的發展，目前已實現了一些復雜的機械表面。但從當前的國際微型機械產品的生產來看’三維復雜微成型在技術上仍未得到很好的解決，人們正在積極開發新型的、更有效的微加工、微成型技術。
微型化學機械系統的關鍵技術是系統的雜裝由于不同的使用溫度對材料的要求不同，因此組裝工藝也有很大差別。目前微型化學機械系統一般采用多層槽道板重疊布置’采用擴散焊進行封焊。
三、緊湊式及小型化換熱裝置
各種緊湊換熱設備的特點
公認的緊湊換熱設備一般包括板式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器及熱管換熱器等。板式換熱器最早出現于1923年，有墊片密封式、半焊接式、全焊接式、釬焊式等多種結構形式。板式換熱器兩側流體完全呈逆流流動，且板片間流體返臟小，極大提高了有效能的利用率。其單片傳熱面積為0.02?4.45m2/片，單臺換熱面積為2500m2/臺，總傳熱系數可達3500?7500W/(m2?K)，介質處理量達3500?5000m3/h。結構緊湊性翻倍提高。
20世紀30年代進一步發展板翅式換熱器，英國的馬爾斯頓?艾克歇爾瑟(MarstonExcelsior)公司首次開發出銅及銅合金制板翅式換熱器，并將其用作航空發動機散熱器。此后，各種金屬材料的板翅式換熱器相繼出現在工程應用中，以鋁合金材料為主。其在傳熱效率、適應性、密封性、可靠性以及經濟性等方面，比列管式換熱器表現出了更大的優越性。近年來，針對高溫、高壓、易腐蝕、易結垢等甚為惡劣的工況條件，具有相應對抗特性的不同材質的新型板翅式換熱器相繼問世，如日本開發的可承壓35MPa的鋁碳纖維復合材料制板翅式換熱器等，國內開發的具有極強的抗腐蝕和抗結垢能力石墨改性碳纖維增強聚四氟乙烯板翅式換熱器等。螺旋板式換熱器最早由瑞典Rosemblad于1930年提出，是由兩張間隔一定距離的平行薄金屬板卷制而構成的一種高效間壁式傳熱設備，具有I型（不可拆式n型(可拆式)和$型(墊片密封式的可拆式)3種基本形式。相對于列管式換熱器，它具有流動均勻、傳熱均勻、體積小、易于檢查維修等優點。目前，螺旋板式換熱器最高使用壓強小，最高使用溫度在300?400°C；近期，我國揚子石化公司創造了第四種基本結構的螺旋板結構，其應用良好，開始在我國石化系統中應用。
熱管是20世紀60年代中期發展起細一種新型高效的傳熱元件，主要由管殼、吸液芯和工質組成，其導熱能力比金屬高幾百倍至數千倍，其較為完整的理論由Cotte于1965年首次提出。由于熱管特有的傳熱機理，使得冷熱流體間的換熱均在管外進行，因此可以很方麵進行管外傳熱強化，如加焊翅片、釘頭等擴展傳熱面，以克服氣體換熱系數較小的問題，使整個設備結構緊湊。目前管外傳熱強化熱管形式主要有合金釬焊翅片管、高頻繞焊翅片管、U形翅片管、嵌入式翅片管等，都較普通熱管換熱器有較高的傳熱性和較廣的使用范圍。
2.緊湊式小型化換熱器與列管式換熱器的性能比較
為了進一步說明緊湊式小型化換熱裝置比傳統列管式換熱器效率高和節能，以及換熱裝置向微小化發展的必然性和迫切性’現以某種酸性腐蝕介質的冷卻為例，在同一工況下(設計工藝參數見表1!)，分別采用不同結構形式和材質的小型化換熱裝置進行實際設計，并與傳統列管式換熱器進行比較(表1")。
對表1"中各參數進行比較發現，從結構形式來看，相同的設備材料下，板翅式換熱器的比表面積最高(約是板式換熱器的4倍、螺旋板式換熱器的2倍、列管式換熱器的5倍），壓力降最小，所占空間比螺旋板式和列管式小;從設備材料的角度來看，聚四氟乙烯復合材料制板翅式換熱器質量輕(約為不鎊鋼制的1/3)，經濟指標最優(小于不鎊鋼制的1/2)從能量的角度來講，聚四氟乙烯復合材料制板翅式換熱器單位成本輸出的能量最高，遠大于列管式(約是不鎊鋼制板翅式換熱器的2倍、螺旋板式的3倍、列管式的2倍）。由此可見，小型化換熱裝置在工業應用中不僅成本低，而且節能。
第二節微型換熱裝置

所謂微型換熱裝置是一種借助特殊微加工技術以固體基質制造的可用于進行熱傳遞的三維結構單元。通常含有當量直徑小于50(%m的微通道，如圖1所示。在這種狹窄的通道中，流動邊界層厚度大大減小，因而流體熱傳導阻力減小，傳熱速率增加，其無相變傳熱膜系數1015kW/(m2K)， 有相變傳熱膜系數可達30?35kW/(m2?K)同時，微通道使流體與通道單位體積接觸表面積遠大于常規通道（圖1")，從而使得整個換熱器的體積可比常規換熱器體積小一個數量級以上，單位體積內的換熱量可比常規換熱器的高五個數量級以上（圖1-3)。微型換熱裝置包括由多層槽道板構成的微通道蒸發器、微通道加熱器等。

一、微通道蒸發器及應用
微通道蒸發器以其微型換熱裝置的顯著特點，成為機動車輛、航空以及低溫制冷技術領域中的熱門研究內容之一。與常規的蒸發器性能相比，微通道蒸發器具有優良的特性指標，如高傳熱系數[10?30kw/(cm2?K、高熱流量（100W/cm2)(高傳熱效率(>80%)和低的熱響應時間(幾秒)等。以1999年美國PNNL設計的微通道燃料蒸發器為例，將尺寸為9cmX10cmX3.8cm、質量為1.8kg的微通道燃料蒸發器（圖1-4)應用到燃料電池的燃料處理系統中，可蒸發汽油量260mL/min，可為50kW燃料電池的燃料處理系統提供燃圖14微鍾燃料蒸發器料。
PNNL微通道燃料蒸發器與常規燃料蒸發器的性能比較見表1-3。
表1-3PNNL微通道燃料蒸發器與常規燃料蒸發器的性能比較