复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于“质”的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

带有周期性扰流结构的微通道内流动与传热特性

设计了一种周期性扰流微结构,由布置在微通道侧壁的凹穴和微通道中心的针肋组成。研究了该热沉内流动和传热特性,分析了扰流结构几何参数对热沉不可逆损失和散热效率的影响,利用热阻和强化传热因子评价综合性能。研究表明,等腰梯形凹穴的底边相对长度（RL）对热沉性能具有显著影响。雷诺数（Re）较大时,减小RL能够明显减小凹穴内部的旋涡,从而减小流动摩擦损失,降低通道压降和流动不可逆性。同时,减小RL有利于增强流体对凹穴收缩段的冲刷,减小凹穴内的层流滞止区,将凹穴处的热量及时带走,从而提高热沉的散热效率。与传统光滑微通道（SM）相比,周期性扰流结构能够显著减小热沉的总熵产和热阻,增大强化传热因子,提高热沉的综合性能。综合考虑传热和流动阻力,较低泵功条件下,RL=0.3的热沉综合性能最优;较高泵功条件下,RL=0的热沉综合性能最佳。周期性扰流结构能够提高微冷却系统的效率和经济性,在微型器件冷却领域具有广阔的应用前景。     

基于热力学第二定律的热交换器性能比较分析

针对热交换器换热过程,引入熵产单元数定量描述其不可逆程度,并建立熵平衡方程,利用Maple软件对比分析了两类熵产单元数与传热特性参数的关系。结果表明,传热效率、传热单元数、热容流量比、预热温度比、热端温度比是表征换热过程不可逆程度的主要参数,为基于热力学第二定律的热交换器的性能评价提供了理论依据,对节能工作具有重要参考价值。     

管内强化传热性能的熵产分析与性能评价

通过热力学第一、第二定律,对管内对流换热综合性能进行熵产分析和评价.建立了一种基于流动与传热过程熵增原理的统一分析方法,在等壁温边界条件下进行熵产分析.并以文献中内翅片管的强化传热作为应用,分别对相同流量、泵功、压降在等热负荷限制下进行强化传热性能评价.结果表明：对于给定的管道,量纲1熵产数只与流动Reynolds数和进口与壁面的温度差有关.利用该分析方法不仅可通过参数分析获得几种强化方式的能量综合利用效果,还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式.     

管内流动传热传质的熵产分析

本文基于不可逆过程热力学的基本概念,导出了管内流动热、质同时传递过程的熵产率的一般表达式,推导中考虑了由于存在传热温差、传质化学势差及流体粘性阻力造成的不可逆性。当质量传递趋于零时,由该式得到的仅考虑温差及流体粘性的不可逆性时管内流动传热过程熵产率计算式与文献[3]提供的一致。由该一般式导得了一定条件下光滑圆管内充分发展的系统与壁面进行热、质交换的熵产率计算式。通过求熵产率极小可帮助确定基于第二定律分析的优化运行条件。     

超亲水微纳复合结构表面热沉强化润湿与传热实验

利用碱辅助的表面氧化法在紫铜微槽群热沉表面生成了氢氧化铜纳米棒阵列结构,制备出一种全新的超亲水微纳复合结构表面热沉。并以蒸馏水为液体工质,进行了纯蒸发条件下微槽群热沉、微纳复合结构表面热沉和超亲水微纳复合结构表面热沉的润湿及传热特性的对比实验研究。实验结果表明：氢氧化铜纳米棒阵列结构使得原始亲水表面的亲水性更好,随着表面纳米棒数量的不断增多,接触角不断减小,最低为9.5°,可以进一步形成超亲水微纳复合结构表面。与无纳米结构的微槽群热沉相比,在相同输入加热功率下,微纳复合槽群热沉具有更高的液体润湿高度和更好的传热性能,而超亲水微纳复合结构表面热沉的形成会进一步提高强化润湿和传热效果,相比于紫铜微槽群热沉,超亲水微纳复合结构表面热沉内液体的润湿高度提高了300%,表面温度降低了15℃左右。     

不同截面螺旋通道的热阻及熵产特性对比分析

工程应用中螺旋夹套流道截面形状常为半圆形、矩形和三角形。为确定其中何种截面螺旋通道的传热性能和综合性能最佳,在等截面积、等加热面积及等进口流量条件下,采用数值方法对比分析3种螺旋通道的热阻及熵产特性。由结果可知:相同操作流量(或泵功)下,矩形螺旋通道的热阻最小,三角形次之,半圆形最大,表明矩形螺旋通道中的对流换热量最大,经济性能最好;研究范围内总熵产率可用于评价螺旋通道的综合性能,相同雷诺数下,矩形螺旋通道总熵产率最小,三角形次之,半圆形最大,表明矩形螺旋通道的热能利用程度最高,综合性能最优。     

恒壁温下矩形微通道热沉换热特性分析

建立了恒壁温条件下矩形硅微通道热沉的三维模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明:沿流动方向,热沉流体域的温度梯度大于固体域的温度梯度,且最大的温度梯度出现在入口段;除恒温热沉顶面外,通道顶面的温度最大,通道底面和热沉底面的温度近似趋于定值。通道内的换热研究发现,通道侧壁面的Nu数最大,顶面与底面相差很小,角落处的Nu数趋近于0。     

管翅式换热器的不可逆损失分析

以热力学第二定律为基础讨论了波纹翅片管换热器的不可逆损失,重点考察了换热器的几何尺寸对换热过程中不可逆损失的影响.[JP+2]不可逆损失用温差传热和流动摩阻所引起的熵产之和来表征.计算结果表明：换热器单位换热量的熵产随翅片波纹角的增加略有增加,但几乎不受翅片间隔的影响.当管的排数增加时,单位换热量的熵产先减后增,在特定管排数处取得极小值.单位换热量的熵产随空气流速的增加而单调增加.     

热力学熵分析法改善双级喷射制冷系统的研究

利用热力学第一定律和热力学第二定律熵分析法对双级喷射制冷系统进行研究,比较了多组制冷剂在不同发生温度、蒸发温度和冷凝温度下,系统的喷射系数,性能系数及机械性能系数的变化趋势。分析了系统各部件不可逆损失的分布情况,同时分析了工作参数的变化对系统各部分熵产的影响,进而确定使系统性能系数较佳同时满足总熵产最小的运行参数,即系统工作性能最优的工况。     

新型金属泡沫-微柱群复合热沉内流动传热性能分析

高效热管理技术是大功率微电子设备安全运行的可靠保障。为进一步强化高功率电子器件的冷却效果,本文提出了一种新型泡沫铝-微柱群复合热沉结构。采用实验和数值模拟相结合的方法对新型水冷泡沫铝-微柱群复合热沉内的流场分布、壁面温度分布、阻力系数、换热性能及柱鳍与泡沫铝间的耦合传热规律等开展了深入分析。研究结果表明,与传统微柱群热沉相比,20PPI泡沫铝-微柱群复合热沉的壁面最高温度大幅降低,平均换热性能提升了33.9%~41.5%。然而,微柱群内填充泡沫铝却导致流动阻力增大,增加了7.9~10.5倍。泡沫铝-微柱群复合热沉的强化换热机理为：微柱群热沉内填充高热导率泡沫铝提升了热沉整体的有效导热性能,热量可通过金属泡沫固体骨架迅速传递,同时多孔界面较强的传热能力能够保证热量及时被冷却流体散除。本文相关研究成果可为高热流密度电子器件散热装置的研发提供理论指导。     

高压电场强化空气对流传热实验及其数值模拟

以空气为实验介质,对水平光管、横纹管、缩放管和螺旋槽管的强制对流传热进行了高压电场强化实验,研究了高压电场强化传热的一些基本规律。实验验证了当外加高压大于15 kV后,对强制对流传热有较好的综合传热效果,最大强化率达2.8,而阻力系数的增大倍数在1.5—1.9。并对横纹管进行了数值模拟,从场协同的角度研究了速度场与温度场夹角对传热膜系数的影响。结果表明,速度、温度梯度的大小,及两者夹角的余弦值均会影响传热效果,在三者的值都是最大的位置,其传热膜系数也最大。     

线性唯象传热定律下热驱动分离过程最优性能

考虑传热和传质过程分别服从线性不可逆热力学中的线性唯象传热定律和线性传质定律,研究了热驱动分离过程的最小耗热晕和最大生产率.得到了线性唯象传热定律下给定功率输出时的内可逆热机最大效率的解析解,导出了热驱动分离过程的最小耗热量和最大生产率的解析解,并将两种不同传热规律下的优化结果进行了比较,结果表明传热规律影响热驱动分离...     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

单位熵产分析法在强化传热研究中的应用

引言在余热利用、锅炉、加热炉等设备的设计中需要选择合适的方法强化受热面传热，达到缩小装置体积和优化装置性能的目的。选择强化传热方法的一个重要原则就是分析装置热力性能是否达到优化。目前强化传热热力性能的分析方法有不少，主要包括直接比较法和以热力学第一定律为基础的能量分析法等。用上述方法评价分析传热的综合热力性能，虽然直接方便并可获得确定的结果，但由于分析中没有将传热性能和流动性能有机地结合，没有考虑能量质的变化，因而其结果与实际换热工况会产生一定的差别，有时不能很好地解决能量有效利用的综合评价问题…     

变温热源条件下热声制冷机的效率分析

利用有限时间热力学的方法以热力学第二定律性能为优化目标,分析了变温热源条件下不可逆热声制冷机热力学循环性能,并由数值计算分析了温度梯度及气体微团振荡的平衡位置对热声制冷机效率的影响     

一项评价污垢对换热器传热性能影响的指标

以热力学第二定律为基础 ,提出了一项评价污垢对换热器传热性能影响的指标———单位传热量的熵增率 ,讨论了洁净状态下的传热单元数Ntuo、冷热流体热容率比R、冗余面积a等参数对换热器在考虑污垢时的传热性能的影响 ,并把不同流型换热器的评价结果进行了比较     

小型叠板式换热器传热与流阻特性实验

研究了一种小型叠板式换热器,它由多块紫铜薄板叠合而成,薄板表面加工有2个分布腔和微通道阵列,微通道采用精密铣削加工.通过实验研究不同流速下微通道深度、分布腔形状以及换热器放置方式对传热、流阻和综合性能的影响.结果表明,传热体积是决定单位体积传热系数大小的首要因素,在传热体积相等情况下,单位体积换热面积是决定单位体积传热系数大小的主要因素.在3种影响因素中,微通道深度对换热性能影响较大,微通道深度为1 mm的换热器传热性能比深度为2 mm的提高了30%～60%;换热器放置方式对流阻和综合性能影响较大,换热器入口放置在下端时压力损失比放置在上端时下降约26%,综合性能则提高了约30%.     

强化传热技术在硫酸工业中的应用研究

随着强化传热拽术的不断发展,近年来国内外已研制出多种类型的异形强化管,例如螺旋槽管、横纹管、缩放管、双面整体型低翅片管等。有的强化管具有管内外两侧同时强化流体对流传热的作用,例如缩放管等,特别适合于硫酸生产中的二氧化硫气—气换热。在湍流条件下,流体对流传热热阻集中于近壁处流动滞流底层中,当各种强化管选取最佳的表面粗糙度尺寸,就能获得良好的强化传热效果,即以较低的流体输送功耗为代价,获取较高的对流给热系数,以此提高换热器的传热性能。     

钉肋肋列传热的最小熵产优化分析

应用热力学的熵产概念对钉肋肋列的传热问题进行了研究，从如何使各种不可逆损失最小着手，分析了肋列的肋间距，肋片的直径，换热介质与热负荷等不同参数对熵产的影响，发现在不同参数条件下，熵产数都会存在一个最小值以及与此对应的最优的Ｒｅｄｏｐｔ数，并对顺列和错列两种常用肋片布置方式作了对比，研究结果将有助于节能型钉肋的设计。