第1章传热学绪论

陈亚平（教授pgchen@强化传热技术2023/2/41第一章绪论1.1强化传热的发展、分类和应用涉及领域：能源、航空航天、动力、发电、制冷、冶金、石油煤炭、环保、材料等。出文章、出成果、出大家50年代前每年几篇论文；60年代每年几十篇；70年代每年100多篇；80年代每年几百篇；现在每年几千篇。2023/2/42中国工程热物理学会6个学科学术会议2008年论文数：传热传质学（499）燃烧学（296）多相流（219）工程热力学与能源利用（175）热机气动热力学（126）流体机械（82）合并开会2023/2/43国际：AEBergles2023/2/44RLWebb2023/2/45国内学者王补宣，热能工程系教授，中国科学院院士。1922年生，江苏无锡人。1943年西南联大工学士，1949年美国普度大学科学硕士。清华大学热能工程与热物理研究所所长。我国工程热物理学科的开拓者和传热学学术带头人。中国工程热物理学会原理事长，国际传热传质中心学术委员，《国际传热传质学报》国际主编，《国际热物理学报》、《国际热流体学报》等学术刊物编委，并当选为美国纽约科学院院士。

作为学术领导人和组织者，参与国家有关科技发展规划的制定与实施，所主持的多项科研成果获国家级和部委级奖励，已发表学术论文300余篇，专著或教材10部，编辑出版国际学术会议论文集6部。2023/2/46过增元：清华大学工程力学系教授，美国密西根州立大学兼职教授，中国科学院院士。1936年生，江苏省无锡市人。1959年毕业于清华大学。曾任清华大学工程力学系工程热物理教研室主任、研究生院副院长。现任清华大学学位评定委员会副主席，热能工程与工程热物理研究所副所长，中国工程热物理学会理事长等。多年来从事传热学、热流体学和热等离子体等方面的研究工作。出版专著《电弧和热等离子体》、《热流体学》，发表论文140余篇。曾获国家自然科学三等奖、国家科技进步二等奖、教委科技进步一等奖等多项奖励。提出了场协同理论2023/2/47陈学俊1939年毕业于中央大学，获工学学士；1945年进美国Purdue大学研究生院学习,1946年获机械工程硕士学位并读完博士生的有关课程后1947年回国，1947年任交通大学教授，1980年当选为中国科学院学部委员(院士)，1996年当选为第三世界科学院院士。

1980年-1984年任西安交通大学副校长、校学位评定委员会副主席；1982年-1985年任教育部世界银行中国大学发展项目中国审议委员会副主任兼工程组组长；1981年-1991年任国务院学位委员会工科评议组组员、国家自然科学基金委学科组成员；1989年-1998年担任九三学社中央副主席，1993年当选为全国政协常委。

陈学俊教授创办了国内第一本热能工程学术刊物《热工专刊》。1948年～1959年11年内，他陆续出版了《燃气轮机》、《实用汽轮机学》、《蒸汽动力厂》、《锅炉学》、《锅炉整体》、《锅内过程》等10部专著，1952年,陈学俊先生负责筹建了我国高校中的第一个锅炉专业,开出了锅炉专业的全部课程。

70年代初，陈学俊教授亲自主持建立了水/空气试验台、氟里昂试验台和高压水/蒸汽实验台，70年代末，他主持筹建了我国高校中第一个工程热物理研究所，1990年创建了我国第一个动力工程多相流国家重点实验室。2023/2/48林宗虎

研究领域或方向

热能工程、气液两相流与传热以及多相流测量。工作简历

1957年交通大学锅炉专业研究生毕业。1980-1982年曾任美国迈阿密大学访问教授。现任西安交通大学热能工程系教授，热能工程专业博士生导师，国家自然科学基金评审组成员，国家科技奖励机械评委会评委，流体机械国家工程研究中心学术委员会主任，锅炉煤清洁燃烧国家工程研究中心和动力工程多相流国家重点实验室学术委员会委员，香港评审局专家中国电机工程学会锅炉专业委员会副主任，中国工程热物理学会副理事长，中国工程热物理学会多相流专业委员会主任，中国工程热物理学报主编，美国《国际工程流体力学》期刊国际顾问等职。1988年被授予国家级有突出贡献中青年科技专家称号；1995年被选为中国工程院院士。2023/2/49陶文铨

研究领域或方向

传热强化及数值模拟方法和应用：传热与流动的先进数值计算方法及其应用；强化传热的基本理论与工程应用；电子元器件的冷却技术；湍流模型及其工程应用，小型低温制冷机制和冷系统性能的数值模拟；高效换热器的优化设计与研发；微细尺度流动和传热的研究；燃料电池中的关键工程热物理问题；航空航天技术中的传热与流动问题研究，制冷工质相变换热的强化等。工作简历

陶文铨，男，1939年3月生于浙江绍兴。1962年西安交大本科毕业，1966年西安交大研究生毕业（导师杨世铭教授），1980－1982赴美国明尼苏达大学机械系传热实验室进修，师从EMSparrow教授。现为西安交大能源与动力工程学院教授、博士生导师。2005年被选为中国科学院院士。

现任教育部高等学校热工课程教学指导分委员会主任委员，教育部能源动力学科教学指导委员会副主任委员，中国工程热物理学会副理事长，传热传质专业委员会委副主任委员，西安交通大学学报（自然科学版）主编，InternationalJournalofHeatMassTransfer以及InternationalCommunicationinHeatMassTransfer的负责中国地区事务的副编辑（AssociateEditor），国际杂志NumericalHeatTransfer（A，B）与ProgressinComputationalFluidDynamics的编委。2023/2/4102023/2/411谢华清，陈亚平，何雅玲，陶文铨，梁新刚等2023/2/412陈亚平，吴裕远，陈听宽，金苏敏，彭晓峰2023/2/413

杨世铭，江苏无锡人。1948年毕业于交通大学机械系，1953年获美国依里诺理大学博士学位。历任美国依里诺理大学研究工程师，上海交通大学教师，西安交通大学副教授、教授，上海交通大学教授，博士生导师。中国工程热物理学会理事、传热传质学会副主任，教育部热工教材编审委员会副主任，国家教委热工课程教学指导委员会副主任，国际传热传质学中心学术委员会委员、执行委员会委员，国际传热传质学杂志荣誉编委。在传热传质物理研究方面有相当贡献。著有《传热学》及论文36篇。2023/2/414

程林，1962年生，山东大学空间热科学研究中心主任、山东能源学会理事长。入选国家百千万人才工程，是国家有突出贡献的中青年专家，国务院政府特殊津贴获得者，2005年入选“泰山学者”。获国家科技进步二等奖两项。程林教授担任国家“973计划”项目——“高能耗行业典型换热设备节能的先进理论与方法”项目首席科学家。

他与同事田茂诚教授共同研发的弹性管束系列换热设备，较一般换热器效率提高10%—15%，目前在全国1200余家重要工程中应用，产生经济效益数十亿元。2000年已成为国家建筑标准设计，形成属于我国的知识产权。该技术项目也因此获得国家科技进步二等奖。

程林1983年毕业于山东大学动力工程专业，继而在这里获工学硕士，在东南大学获工学博士学位。山东大学AMS项目组的首席科学家。AMS（阿尔法磁谱仪），是由丁肇中教授领导的大型国际合作科学研究，2004年3月山东大学参与该计划。根据NASA（美国航空航天局）提供的简化模型，山东大学负责模拟完成AMS运行过程中189种工况的散热环境，现已成功设计制造了合乎规格的散热板。2023/2/415东南大学从事强化传热研究的人员施明恒：多孔介质、分形周强泰：锅炉强化传热陈善年：计算传热学史美中：教材张永福：电厂锅炉空气预热器等，螺旋线圈陈永平：分形传热通道陈振乾：泡沫铝换热器2023/2/416Two-scalecorrugationplateswithsamedirection

陈亚平：同向双尺度波纹板：适合冷凝过程

2023/2/417交叉双尺度波纹板：适合液膜过程Two-scalecrosswisecorrugationplatebundle

2023/2/418分形锯齿翅片普通锯齿翅片的板翅式换热器传热面2023/2/419图3不同分形阶数的锯齿翅片（上：主视图；下：俯视图）2023/2/420三阶分形锯齿翅片双尺度锯齿翅片2023/2/421双面液膜反转Islam,etaldesignedfilminversionschemes

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w:t↓,ξ-2023/2/422Schemeofdouble-sidefilm-invertingabsorber

theauthorspresentadouble-sidefilm-inversionabsorberschemebottomplatebundlesupperplatebundlesconjunctionguidersleftrightrightleftAfterinversion,coolerandricherLiBrsolutionfilmlayerexposestothesteam,whilebothsidesusedCombinedenhancement:

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2023/2/4242023/2/425液膜分布在壁面上时总有一侧表面藏在内部，而如果将液膜在丝网表面分布则可以形成双面暴露的情况。然而对于吸收过程，由于溶液在吸收水蒸气的汽化潜热后，温度迅速升高，传质驱动力衰减，需要不断进行冷却。因此吸收过程的强化应该兼顾传热和传质两方面，采用耦合方式实现。吸收过程液膜的传热传质阻力是比较大的，即使是经过一次反转，出口端液膜内外温差仍可达5℃左右，而质量分数差则达0.035左右，此时液膜厚度约0.38mm；此外还显示在液膜反转后初期吸收率可比反转前增大2~3倍。在自由表面附近很薄的一层液膜中产生质量分数下降，而内部的溶液的质量分数较高。解决方案：液膜充分暴露；在表面不发生干涸的前提下尽量减薄液膜；使液膜充分混合和冷却。2023/2/426图

可视化试验装置图

双面液膜反转导流器与上下板片的连接(a)正面(b)侧面2023/2/427图

吸收试验台照片(a)装置全貌(b)吸收器试验容器局部2023/2/428丝网翅片板翅式换热器

双面液膜热质耦合传递吸收过程的强化研究

2023/2/429机理初步分析扩展了传热传质面积，丝网表面可形成双面布膜，凹凸和空心表面使得溶液与冷剂蒸气的传质接触面积增大；实现耦合传热传质方式，液膜可利用重力沿丝网呈光线反射状在相邻两块传热板之间逐渐曲折向下流动。在丝网与板管连接节点处，沿板管壁面的和沿丝网表面流动的液膜经历重新混合和分配的过程，可不断地将新鲜液膜表面暴露并及时地将所吸收的冷剂蒸气的汽化潜热带走，交替完成传热传质过程；由于大部分液膜分布到丝网翅片上，板管上的液膜厚度将相应减薄，有利于提高蒸气对板管的膜传热系数；表面张力可使液膜在丝网上分布均匀，且丝网的物理结构还可促进液膜扰动，增强液膜各层之间的混合，避免了传统方案自由表面外层饱和，贴近壁面的内层浓度基本不变，因而出口处总体平均质量分数偏高的情况。2023/2/430捷克的Lutcha,J.等发明的1/4扇形折流板方案

2023/2/431三分螺旋折流板换热器1-壳体；2-管束；3-管板；4-折流板；5-进、出口接管三分扇形螺旋折流板管壳式换热器本体2023/2/432强化传热的主要任务改善、提高热传播的速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。2023/2/433强化传热方法分类强化传热方法分类无源（被动）有源（主动）处理表面粗糙表面发展表面扰流元件涡流发生器螺旋管添加物射流冲击机械搅动表面振动流体振动电磁场喷射或吸出复合强化：如粗糙管加扭曲带需要外加辅助动力，增加能源和设备投入，影响可靠性研究较多研究较多研究较多研究较多旋流强化对层流强化效果好,研究较多适合沸腾和凝结适合湍流边界层强化适合气体侧(控制热阻)可增强对流和辐射传热最好是利用自然存在的电磁场、振动、二次流、脉动等2023/2/434换热器分类1）按结构分管式：套管式、管壳式、盘管式（蛇管式）；2023/2/435板式：垫片板式、钎焊板式、螺旋板式、板壳式、热板；2023/2/436延伸表面：管翅式、板翅式；2023/2/437再生式：固定蓄热床、旋转式2023/2/4382）按过程分直接传递（间壁式）间接接触式：蓄热式、流化床直接接触式：冷却塔、刮板式3）按紧凑程度分，大于700m2/m3为界紧凑型，优点：容积小，适合处理昂贵和危险物料，重量轻，易于运输，基础小，易于控制温度（响应快）；限制因素：缺少标准，通道狭窄，不易清洗，易堵，适合处理空气、干净工质（制冷剂）等。非本课程研究范围2023/2/4394）按流动形式分顺流；逆流错流：不混合－不混合；不混合－混合；混合－混合5）按分程情况单程多程6）按流体的相态分单相对流：两相对流：冷凝、沸腾（池~、流动~）或蒸发对流+辐射（高温换热器）层流强制对流－－研究较多自然对流－－研究较少湍流按发生原因按运动状态2023/2/4401.1.2不同强化传热技术的应用场合处理表面：沸腾、凝结旋流：螺旋管、涡流发生器、机械搅动层流粗糙表面：湍流发展表面：气体换热添加物：固体微粒掺和物、纳米颗粒在一定条件下增强流体的对流换热，高温下增强辐射换热，流化床薄弱环节：传质、自然对流习惯于用强制对流代替;如太阳能电池板冷却2023/2/441强化传热技术的研究和应用具有较大的经济效益。专利：强化翅片、粗糙表面、处理表面、复杂组合通道；机械搅动和电磁场2023/2/4421.1.3强化传热技术推广中存在的问题应用强化传热的目的一般有：增加输热量；减少换热面积和缩小设备体积；提高被加热流体的出口温度，减小Δtm；降低载热剂唧送功率的消耗；降低高温部件的温度。普通换热器达到前4个目的中的一至两个太阳能电池板冷却:温度上升1度,发电效率降低0.3%强化措施应选择换热器两侧流体中热阻较大、对换热器总传热系数起控制作用的一侧来实施。如：各类发动机、核反应堆、火箭发动机、电力、电子设备的冷却减少材料消耗2023/2/443强化传热研究范围不断扩大，研究深度日益增加，但在工业上得到广泛应用的不多。原因有：对于强化传热的原理和应用方面的科学知识没能进行广泛的宣传普及。虽然有了一些理论分析资料，但研究还不够深入。有些研究结果分歧较大，缺少适用面较广的通用经验公式；不少强化技术既不能用纯粹数学方法推导出与实验一致的理论公式，又不能任意从有限的经验资料外推到实际生产条件中去。实验→中试→生产之过程需要大量投资。生产部门常常宁可采用习惯应用的旧技术，而不愿增加投资冒险采用新技术。2023/2/444生产工艺跟不上，产品未能实现系列化。强化传热技术中有一些需要较高的工艺水平，从而增加了成本，积极改进工艺并降低成本是推广强化传热技术的关键。一些强化传热技术缺乏必要的寿命试验资料，如处理表面在与高温介质或不洁流体长期接触时，表面受到腐蚀或发生结垢，会使热阻急剧增加，导致得益逐渐下降，致使所采取的强化传热措施失效。如沸腾和凝结。要有必要措施保持其效能。本门课程介绍新的强化传热技术的研究和应用经验；主要强化传热方法的机理分析；介绍相关强化传热技术的计算方法、经验公式或研究思路。2023/2/4451.2强化传热性能的评判准则实际选用强化措施及有关参数时考虑的问题：采用强化措施所获得的设备功率的增加和系统热效率的提高，或者设备体积减小、传热介质唧送功率降低等效果究竟有多大？采用所选择的强化传热措施后需要增加多少费用？工艺复杂性如何？能否成批生产？所采取的强化方法与传热介质的相容性如何，能否保证强化传热性能持久有效？采用强化措施后能收到多大的经济效益？2023/2/446最佳强化传热方法和有关几何参数的性能评判准则早期指标：考虑了强化传热的同时阻力系数也会增加介质的唧送功率几乎与速度的三次方成正比前二个可以作为准则，但不宜以其是否大于1作为可否应用的标准。即使对第三个，还要考虑工艺、费用等问题。还应注意传热量是由两侧的换热系数确定的，对控制热阻侧的讨论才有意义。2023/2/447实验装置现场图片不同折流板方案的管芯

2023/2/448图

壳侧综合指标ho/Δpo-1随油流量变化的关系2023/2/449图

壳侧综合指标ho/Δpo1/3随油流量变化的关系20º扇形折流板方案的指标比弓形折流板平均高出26%20º搭接扇形折流板方案的指标低于20º扇形折流板方案，而与15º扇形折流板方案相当。15º椭圆折流板方案的指标低于15º扇形折流板方案10º扇形折流板方案的指标比弓形折流板的低。2023/2/450例1指标1:粗糙度越大越好指标3：粗糙度为0.02~0.03之间较好指标2:粗糙度越小越好粗糙肋相对高度2023/2/451例2粗糙肋相对高度h/D=0.01，Re=105。改变管数和管长得出不同速度比w/w0时的流量比Q/Q0、泵功率比N/N0和(Q/N)/(Q0/N0)的变化。Q/Q0大,但N/N0更大,(