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1、.第一章：引言换热器的定义是将热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的装置。从定义中可知，至少两种温度不同的流体参与传热，一种流体温度较高，放出热量，另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在是由、化工、动力、能源、冶金、车辆以及其他很多工业部门广泛使用的通用工艺设备，是保证机器在工作过程中能正常顺利运转不可缺少的关键部件。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工
2、、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。1.1课题研究的目的和意义换热器的强化传热就是通过改变影响传热工程的各种因素力求使换热器的在单位时间内，单位传热面积上传递更多的热量。强化换热器的研究目的是提高热量传递工程的速率，力图达到以最经济的方案来完成规定传递的热量，或者设备规模相同的情况下能传递更多的热量。随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧，节能是非常重要的，也是当务之急，世界各国都在寻找新能源和节能新途径。换热器作为换热设备，广泛应用于冶金、化工等各个工业领域中，强化传热技术的应用不但节
3、能环保，而且节约了投资和运营成本，所以，换热器的强化传热技术一直以来都是一个重要课题，受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。换热器逐渐在不同的技术领域受到重视，使人们认为对强化换热器的研究是必不可少。强化换热器能使机械在工作工程中更加节能，使机械在过程更加稳定，达到低投入高产出的标准。现代工业的发展方向就是向这一方向迈进，我国也逐步加大对这方面的投入，加快换热器的技术革新。1.21换热器的发展二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制
4、成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。20世纪80年代后，大量的强化传热元件被推向市场。进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，世界换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。中国换热器产业起步较晚。1963年，抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965年，兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏
5、化工机械有限公司也在60年代研制成功我国第一台螺旋板式换热器。20世纪80年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场。尽管我国在部分重要换热器产品领域获得了突破，但我国换热器技术基础研究仍然薄弱。与国外先进水平相比较，我国换热器产业最大的技术差距在于换热器产品的基础研究和原理研究。1.22换热器的种类随着科学和生产技术的发展，各种工业部门要求热交换器的类型和结构要与之相适应，流体的种类、流体的运动、设备的压力和温度等也必须满足生产过程的要求。近代尖端科学技术的发展，又促使了高强度、高效率的紧凑热交换器层出不穷。越来越多的换热器也在被开发，研究和运用。虽然如此，所有
6、的热交换器仍可按照他们的一些共同的特征来加以区分。（1）按照用途来分：预热器、冷却器；（2）按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的；（3）按照温度状况来分：热流大小以及在指定热交换范围内随时间的改变而改变；（4）按照热流体与冷流体的流动方向来分：逆流式，错流式，混流式；（5）按照传送热量的方法来分：间壁式，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递，混合式，依靠热流体和冷流体的直接接触而进行传热，蓄热式，两种流体并非同时而是轮流地和壁面进行接触。1.23常见换热器的组成 管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在
7、管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。如管内外流体温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。套管式换热器 结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用 U 形管连接，目的增加传热面积； 冷热流体可以逆流或并流，结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，但是结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏。板翅式换热器是以隔板和翅片为主要组成部件的换热器。板翅式换热器的传热效率高，所以在换热器中的应用范围仅次于管壳式换热器和板式换热器，在行业和部门都有非常普遍的应用。混合式热交换器是依靠冷、热流体
8、直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。1.24换热器的强化方式换热器的强化换热技术分为被动式强化传热技术和主动式强化传热技术。被动式强化传热技术：处理表面，对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层；粗糙表面，通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻；扩展表面，扩展表面重塑了原始的传热表面，不仅增加了传热面积，而且打断了其边界层的连续发展，提高了
9、扰乱程度，增加了传热系数；扰流装置，间接增强传热面处的能量传输，主要用于强制对流；涡旋流装置，此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或二次流；添加物，包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂，加强了传热系数；壳程强化，改变管子外形或者在管外加翅片，改变壳程挡板或管间支撑物的形式，提高传热的效率。主动式强化传热技术：机械揽动，包括用机械方法去抖动流体、旋转传热表面和表面刮削；表面振动，无论是如何振动都能增强单相流体传热，振动增强了流体的扰动，从而使传热得以强化；流体振动，一般用于质量很大的换热设备，用于单相流体的强化传热，增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。；静电场
10、，可以通过不同的方法将静电场作用于介电流体，静电场使传热表面附近的流体产生较大的主体混合，从而强化传热系数；喷射，通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体，加大传热的流动性，加大换热系数；抽吸，抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数。1.3强化换热器的影响 强化换热器能使换热器的性能进一步解放。换热器的结构更加紧凑，体积更加小，安全可靠，便于制造、加工，节省占地面积和建筑的高度，节省了建筑的投资，便于设计布置，同时运行操作更加方便。换热器的性能好，热利用率高达到以人为本，绿色节约的目的。换热器在各个领域中得到广泛的应用，进而确立了强化换热器是当务之急的大事。我国的换热器发展比较慢，使得与国际
11、的水平有所差距。现今发展换热器产业符合国家产业政策。强化传热是近年发展较快的一种新技术，备受热工界的重视。各主要工业国都对此进行了大量的开发研究工作，不少成果已在工业上应用，并被誉为第二代传热技术。换热器作为一种集节能、环保、高科技含量、高附加值于一身的重要工业产品。现在国内外换热器市场潜力十分巨大。换热器产业充分体现了节能环保，是一个处于蓬勃发展的朝阳产业。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。1.31 课题的主要研究内容影响换热器的因素主要有：1、扩展传热面积和提高
12、传热表面的传热性能；2、改变换热器折流板结构(折流杆技术等)以提高壳程的传热膜系数，增加介质的湍流性，防止介质回流； 3换热管内外表面防污垢技术；4、应用数值传热技术的研究。传热系数值的大小与壁面两边流体与壁面的对流换热的强弱、通过壁的导热能力的强弱有关。对流换热的强弱与流体的性质、流体的运动情况有关。扩展传热面积是增加传热效果使用最常用、最简单的一种方法，但这种方法随着现在技术的进步和革新已经被逐步淘汰。加大传热温差。加大换热器传热温差是加强换热器换热效果常用的措施之一。但是，增加换热器传热温差是有一定限度的。增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数。换热器传热系数值越低，换
13、热器传热效果也就越差。换热器传热系数值也就越高，换热器传热效果也就越好。所以主要研究如何通过控制换热器传热系数值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数值的目的。通过对单程套管改变为双程套管可以加大散热的效率。双程套管换热器和单程套管换热器相比，增加了换热面积和换热时间，换热效果较单程好。1.32本课题研究的主要历程课题的设想是为了降低大功率LED灯的能耗成本，促使LED灯能在更多的行业中得到应用。LED灯在现今社会中扮演着一个必不可
14、少的角色。无论是农业还是工业，LED灯都能被广泛应用。大功率LED灯的能耗和生产成本降低，从而提高市场的竞争能力。LED灯的发热热量很庞大，然而大的发热量的弊端很多：1、LED灯的能耗增大，增加了使用成本；2、减低了LED灯的使用寿命；3、热能积聚会引起电线的短路，有安全隐患。这个设计是通过一种自然回流的散热系统来冷却LED灯，在使用的过程中LED灯的冷却功能更加显著。这系统主要通过传导，LED灯所产生的热量通过铜片将热量自动传到其他介质；辐射，当LED灯温度高于环境温度时，可将一部分温度辐射出去；对流，底座填充甲醇和乙醇，通过流体的运动将热量带走。运用流体力学和热力学的知识对换热器的工作状况
15、进行一个详细的数据记录，再用电脑做实体模拟。通过电脑的分析得出的数据，进行确切的分析强化换热器的方法和可行性，最终确定一个环保，高效，廉价的方案。购买所需的材料，如铜片、软管等。对材料进行加工，使其成为制造LED等冷却器所需的工件。工件的组合，打磨，焊接，将换热器的模型制作出来。通过实验，记录和处理数据，进一步改进换热器，使其温度降低到理想的范围之内。第二章：大功率LED灯强化换热器的设计方案2.1强化换热器的思路换热器的作用就在于使LED灯的温度恒定下来，使其的温度在一个理想的范围内。实际的工业过程和日常生活中存在着大量的热量传递过程常常不是以单一的热量传递方式出现，而多是以复合的或综合的方
16、式出现。在这些同时存在多种热量传递方式的热传递过程中，我们常常把其分为普通传热过程和复合换热过程。制作换热器的原材料有很多种，但经过初步的选择，铜的参数比较理想，能更容易地使温度冷却到预期值。铜的导热系数383.8W/m.K，铜的比热容是0.39103J/(kg)。除此之外，铜还有耐腐蚀、高熔点、质量轻等优点。在换热器中加入热管：热管充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质。这是一种极高导热性能的传热元件，还能将热量进行远距离传输，使换热器的结构更加紧凑。LED灯的散热方式已经逐步从被动散热转变为主动散热。由于高的能量密度，在许多情况下被动散热已经无法满足现时的需要，因此对特别高功率LE
17、D应当采用主动冷却方式。基于射流的冷却系统具有良好的散热性能，比较了各种不同的散热技术，发现基于阵列的散热技术与热管和翅片相比，具有更多的优点。换热器的铜片要加工成长条形，计算出最佳的分布方位和分布数量，过于松动或者过于紧凑都会影响散热的效率。通过树立的方式排放，加大气体或者空体在内部流动的空间。冷却系统通过气体或者液体的对流加快温度的下降。气体或者液体在换热器中流动是通过物理扰动的方式加快分子间的运动。利用主动冷却方案来实现高功率密度LED的散热，该方案采用阵列的方式来进行换热，整个系统采用封闭形式，由一个金属芯印刷电路板（MCPCB）进行冷却循环。气体、液体包括水等均可以作为工作介质。最后
18、需要将冷却系统制造成一个体积较小，内部气体或者液体对流速度较快的元器件。2.2强还换热器的工作原理散热器底座空心，里面装有传热介质（甲醇或其他散热良好液体介质）。散热器内腔空心且真空。LED灯在工作时，发出大量的热，散热器开始工作，散热器的底座安装LED灯上方，底座采用容易的导热的金属材料铜制造，所以来自LED灯的大量热量经散热器底座传到内腔的传热介质，传热介质受热易挥发，带着大量热蒸汽往散热器上方运动，在热蒸汽往上运动的过程中，不断通过散热器上方的腔壁向散热分管散发热量。当热量到达带有翅片的散热分管时，来自汽车进气栅的大量流动空气带走散热分管上翅片的热量，散热翅片与散热分管接触面大而紧，传热
19、性能良好、稳定，空气通过阻力小，蒸汽流经分管管内。翅片管的特点:在迎风侧温度梯度大，温度场等值线分布稠密，温度变化显著，换热较强烈；在背风侧，温度梯度较小，温度场分布稀疏，温度提升较小，原因是此时流体与翅片壁面温差较小，换热趋于平缓；在尾迹区，由于发生绕流脱体而形成回流，涡流的扰动强化了换热，流体温度最高，接近管壁温度。强化空气侧的换热是散热器强化换热的关键，而空气侧换热的强化，主要是通过优化翅片管结构或改善翅片表面状况来实现的。因为随着空气沿平翅片表面的平直通道向前流动，边界层由于无附加扰动而逐渐增厚，因而局部换热系数沿程降低。热量通过紧绕在分管上翅片传给经过翅片间的空气，使散热器内腔的热蒸
20、汽急剧冷却液化，液化后的散热介质回流到散热器底座。由于散热器内腔密封真空，所以回流的散热介质可用作下一次传热循环，达到冷却LED灯的作用。底座由金属铜来制造，铜的导热性能比较好，而且性价比较高。单位时间的传热量不仅与传热系数有关，而且与传热面积有关。根据热传导的方程，在同一种材质的前提下，导热能力与接触面积成正比，与接触距离成反比。接触面积越大，就能使热量越快地散发出去，但对来LED灯说其面积是固定的，所以适合距离就显得更重要。导热硅脂的作用是用来向散热片传导LED灯散发出来的热量，有效降低传热所需的时间，使LED灯温度保持在一个可以稳定工作的水平。铜底座与散热片之间要尽可能平滑和不留空隙。间隙的存在，在一定程度上影响换热器的散热性能。在散热与导热应用中，即使是表面非常光洁的两个平面在相互接触时都会有空隙出现，这些空隙中的空气是热的不良导体，会阻碍热量向散热片的传导。而导热硅脂就是一种可以填充这些空隙，使热量的传导更加顺畅迅速的材料。通过导热硅脂来填充铜的底座与散热片之间的间隙，使间隙尽量小。第三章：强化换热器的计算