强化传热技术及应用.ppt

强化传热技术及应用 李 科 群 上海理工大学热工程研究所 主要参考文献 [1] 林宗虎等，强化传热技术，北京：化学工业出版社，2007。 [2] 顾维藻等，强化传热，北京：科学出版社，1989。 [3] 钱颂文等，管式换热器强化传热技术，北京：化学工业出版社，2003。 [4] 辛明道，沸腾传热及其强化，重庆：重庆大学出版社，1987。 传热的三种方式 1. 导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或热传导）。 2. 对流：由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混，从而引起的热量传递称为对流。 3.热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 导热及其强化 导热现象发生时，物体内部的热量会从温度较高的部分传递到温度较低的部分，温度较高的物体会把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体。 固体、液体、气体内部或之间都可能发生导热现象。 导热及其强化 傅里叶定律 面积热阻 导热热阻 强化导热方法一：使用导热系数较高的材料作为导热介质。纯银、纯铜、纯铝等。 导热及其强化 接触热阻：两个固体之间发生导热时，由于两固体表面实际接触面积不大以及两者之间气体层的的导热系数很低，因此在两固体表面之间将产生接触热阻。 接触热阻与表面加工精度及光洁度（表面不平度与粗糙度）、表面硬度、作用于物体上的接触压力、物体材料和气层的导热系数、及表面上是否形成氧化膜等因素有关。 当热流密度不高时，可以略去接触热阻；但当热流密度很高时，则接触热阻必须考虑。 在常规压力及表面粗糙度下的接触热阻： 不锈钢/不锈钢: (2.2-5.88)×10-4(m2k/w); 铝/铝: (0.833-4.55)×10-4(m2k/w); 不锈钢/铝: (2.22-3.33)×10-4(m2k/w); 铜/铜: (0.25-2.5)×10-4(m2k/w); 导热及其强化 强化导热方法二：减小接触热阻 接触热阻：名义接触面积与实际接触面积。 接触点平均距离为b，接触点平均半径为a。 导热及其强化 降低接触热阻的方法： 1.提高接触表面光洁度或增加物体间的接触压力，以增加接触面积； 2.在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）； 3.在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片。 导热及其强化 作为涂层或衬垫用的材料应该具有较低的硬度、适当的熔点、及较高的导热系数。 垫片硬度必须低于基体材料。 垫片厚度应该与表面粗糙元高度相当，最好不要超过粗糙元高度均方根值的两倍。 导热及其强化 涂层或衬垫材料的物理特性 导热及其强化 铜和铝的导热性能良好，并且价格便宜，在温度不很高的情况下可用作垫片或涂层材料。 银的导热性能更好，但价格较贵，故只用于重要场合。 在高温情况下可用镍或铬作垫片或涂层材料。 导热及其强化 涂层接触热导（kw/(m2k)）的变化 导热及其强化 由上图可知： 随着接触压力与涂层厚度的增加，接触热导不断提高； 但是过分增加涂层厚度，热导的增加速率不大（比较t=∞与t=18）； 在无涂层时，表面粗糙度高的接触热导较低；在同样涂层厚度下，具有高粗糙度表面的接触热导比具有较低表面粗糙度的热导要低；为了在同样接触压力下达到规定的接触热导值，对于高粗糙度表面需要有较大的涂层厚度。 导热及其强化 银垫片（虚线）和银涂层（实线）接触热导随其厚度的变化 导热及其强化 上图实验条件： 随着厚度的增加，接触热导不断提高，但增加趋势减缓； 当涂层厚度大于10 ，垫片厚度大于5 后，热导变化很小。 导热及其强化 不锈钢基体上的铜涂层：可使表面接触热阻最多降至1/20。 导热及其强化 涂层或垫片降低接触热阻试验: 不同基体材料在不同机加工方法下与银、铜、镍等涂层（或垫片）相配合，在不同接触压力和不同温度下的实验结果。 导热及其强化 上述实验图表明： 无论是否有无涂层或垫片，接触热阻都随着接触压力的增加而降低； 加设涂层或铜箔可以在较低接触压力下有效地降低接触热阻。 加设涂层或铜箔可以降低接触热阻至1/2-1/10。 在氦气中基体表面间的接触热阻比真空要低到1/15-1/20，此时主要是依靠气层导热，因此加设铜箔对降低接触热阻作用不大，相反，可能增大两者之间的辐射热阻。 导热及其强化 电子产品散热：导热（+电绝缘）。导热胶粘剂，特别适合于不规则形状界面。 导热及其强化 导热及其强化 导热及其强化 导热及其强化 导热及其强化 小结 1）减少导