一种相界面强化对流传热的方法

摘要

一种相界面强化对流传热的方法，属于传热技术领域。其特征在于：换热介质与强化介质混合为混合介质后与供热剂或制冷剂换热，或换热介质与供热剂或制冷剂换热过程中与强化介质混合形成混合介质，并在换热介质和强化介质之间形成相界面，强化介质为与换热介质互不溶解的介质。本相界面强化对流传热的方法利用强化介质和换热介质混合形成相界面，解决单相对流传热系数不高的缺点，在换热介质的对流传热过程中，人为引入强化介质，利用两相流或多相流间的相界面不稳定特性、波动特性、流型和尺度变化特性使流体掺混更剧烈，从而强化对流传热，可以增大对流传热系数、提高换热器换热能力、节约能源。

说明书

技术领域

一种相界面强化对流传热的方法，属于传热技术领域。

背景技术

换热器广泛应用于国民生活生产的各个领域，而对流换热是多种换热器的主要换热形式。例如家用空调、冰箱等，工业上医药、电力、化工、石油、核工、食品等领域都存在大量的对流换热过程。强化对流换热过程，可以在单位体积内获得更大换热量，缩小换热器体积，减少材料用量，同时有利于减少能源浪费，因而对于节能减排具有重要意义。现阶段强化传热技术包括多种强化形状、结构、内插物等，纳米流体，磁流体，微小尺度传热，多孔介质等，还包括施加振动，电场，磁场等。

以上强化传热技术存在制造困难、压降损失大等问题，应用十分有限。同时在医药、食品等领域，极高的卫生安全要求限制了很多强化传热特殊结构的应用，由于换热工质的限制，也难以利用纳米流体、磁流体等强化传热技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用两相流或多相流间的相界面不稳定特性、波动特性、流型和尺度变化特性使流体掺混更剧烈，从而强化对流传热，可以增大对流传热系数、提高换热器换热能力、节约能源的相界面强化对流传热的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该相界面强化对流传热的方法，其特征在于：换热介质与强化介质混合为混合介质后与供热剂或制冷剂换热，或换热介质与供热剂或制冷剂换热过程中与强化介质混合形成混合介质，并在换热介质和强化介质之间形成相界面，强化介质为与换热介质互不溶解的介质。

优选的，所述的换热介质为气态、液态、固态或液晶态的纯净物或多种物质的混合物。

优选的，所述的强化介质为气态、液态、固态或液晶态的纯净物或多种物质的混合物。

优选的，所述的强化介质通过喷射或引射的方式与换热介质混合。

优选的，换热后的所述的混合介质分离为换热介质和强化介质，分离后的强化介质再次与换热介质混合并形成混合介质。

优选的，分离后的所述强化介质在调温装置内调温后再次与换热介质混合。

优选的，所述的调温装置包括冷却器以及冷却塔，冷却器的进水口通过冷却输送泵与冷却塔的出水口连通，冷却器的出水口与冷却塔的进水口连通，强化介质由强化介质入口流入冷却器内，并经强化介质出口流出冷却器。

优选的，所述的换热介质与供热剂或制冷剂通过对流传热的形式换热。

优选的，分离后的所述强化介质增压后再次与换热介质混合。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、本相界面强化对流传热的方法利用强化介质和换热介质混合形成相界面，解决单相对流传热系数不高的缺点，在换热介质的对流传热过程中，人为引入强化介质，利用两相流或多相流间的相界面不稳定特性、波动特性、流型和尺度变化特性使流体掺混更剧烈，从而强化对流传热，可以增大对流传热系数、提高换热器换热能力、节约能源，在强化换热的前提下，无需强化传热特殊结构从而易清洁、易加工，同时具有流体适应性强的特点，强化介质既可以与换热介质换热后进入到换热器内，也可以在换热器内直接混合，且混合方便。

2、换热介质气态、液态、固态或液晶态的纯净物或多种物质的混合物，适应范围广。

3、强化介质为气态、液态、固态或液晶态的纯净物或多种物质的混合物，适应范围广。

4、强化介质通过喷射或引流的方式与换热介质混合，从而使相界面产生不稳定性或波动性，利用相界面不稳定性、波动特性、流型和尺度变化特性促进冷热掺混，从而强化传热。

5、强化介质和换热介质分离后，强化介质再次与换热介质混合，使强化介质循环使用，降低了运行成本。

6、强化介质调温后再次与换热介质混合，使强化介质恢复温度后再次循环使用，降低了运行成本。

7、冷却塔内的冷却水通过冷却器与强化介质进行换热，从而使强化介质的温度恢复初始温度。

8、强化介质增压后再次与换热介质混合，保证强化介质每次都能够以一定的速度与换热介质混合，利用两相流或多相流间的相界面不稳定特性、波动特性、流型和尺度变化特性使流体掺混更剧烈，换热效果稳定。

附图说明

图1为换热装置的结构示意图。

图2为非预混支管与换热器管程的连接示意图。

图中：1、换热器101、管程2、换热介质输送管3、预混管4、预混阀5、换热介质输送阀6、强化介质流量计7、换热介质流量计8、强化介质输送泵9、换热介质输送泵10、强化介质储存罐11、换热介质储存罐12、回流泵13、冷却器14、冷却输送泵15、冷却塔16、分离器17、换热介质输出管18、非预混主管19、非预混支管20、非预混阀。

具体实施方式

图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明做进一步说明。

一种相界面对流传热换热装置，包括换热器1、分离器16以及换热介质输送泵9和强化介质输送泵8，换热器1的管程入口通过换热介质输送管2与换热介质输送泵9的出液口连通，换热器1的管程出口与分离器16的进液口连通，换热器1的壳程连接供热剂或制冷剂，分离器16的换热介质出口连接有换热介质输出管17，强化介质输送泵8的出液口与换热介质输送管2或换热器1的管程101连通。本相界面对流传热换热装置利用强化介质和换热介质混合形成相界面，解决单相对流传热系数不高的缺点，在换热介质的对流传热过程中，人为引入强化介质，利用两相流或多相流间的相界面不稳定特性、波动特性、流型和尺度变化特性使流体掺混更剧烈，从而强化对流传热，可以增大对流传热系数、提高换热器1换热能力、节约能源，在强化换热的前提下，无需强化传热特殊结构从而易清洁、易加工，同时具有流体适应性强的特点，强化介质既可以与换热介质换热后进入到换热器1内，也可以在换热器1内直接混合，且混合方便。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。

如图1~2所示：换热介质输送泵9的进液口连接有换热介质储存罐11，换热介质储存罐11内装有换热介质，换热介质输送泵9的出液口与换热器1的管程101进液口之间设置有换热介质输送管2，换热介质输送管2的进液端与换热介质输送泵9的出液口连通，换热介质输送管2的出液口与换热器1的管程101的进液口连通。换热介质输送管2上沿换热介质的流向依次设置有换热介质流量计7和换热介质输送阀5，换热介质输送阀5能够控制换热介质输送的通断，并能控制换热介质输送的流量，换热介质流量计7能够实时显示或监测换热介质输送的流量。

强化介质输送泵8的进液口连接有强化介质储存罐10，强化介质储存罐10内储存油强化介质，强化介质输送泵8的出液口连接有强化介质流量计6，强化介质流量计6的出液口与换热器1的管程之间设置有预混管3和非预混主管18，预混管3的进液端与强化介质流量计6的出液口连通，预混管3的进液口与换热介质输送阀5和换热器1的管程101之间的换热介质输送管2连通，预混管3上设置有预混阀4。非预混主管18的进液端与强化介质流量计6的出液口连通，非预混主管18通过非预混支管19与换热器1的管程101直接连通，非预混主管18上设置有非预混阀20。强化介质流量计6能够实时监测强化介质的流量，预混阀4能够控制预混管3的通断并控制预混管3内强化介质的流量，非预混阀20能够控制非预混主管18的通断并控制非预混主管18内的强化介质的流量，此外预混阀4和非预混阀20相配合，能够控制强化介质在进入换热器1之前与换热介质混合，即预混引入相界面，以及控制强化介质在换热器1内与换热介质混合，即非预混引入相界面。

强化介质流量计6能够实时监测强化介质的流量，换热介质流量计7能够实时监测换热介质的流量，从而能够调节换热介质和强化介质的混合比，保证换热效果稳定。

非预混支管19间隔均布有多根，非预混支管19的进液端与非预混主管18相连，非预混支管19的出液端直接与换热器1的管程101相连通。非预混支管19内强化介质的流向与换热器1的管程101内强化介质的流向存在夹角，从而能够保证在换热器1的管程101内充分与换热介质混合，进而提高换热器1换热能力、节约能源。

换热器1的管程出口连接分离器16的进液口，分离器16的换热介质出口连接有换热介质输出管17，能够将换热后的换热介质输送至指定位置。分离器16的强化介质出口通过调温装置与强化介质储存罐10连通。

调温装置包括冷却器13和冷却塔15，冷却器13的进水口与冷却塔15的出水口连通，冷却器13的出水口与冷却塔15的进水口连通，冷却器13的进水口和冷却塔15的出水口之间设置有冷却输送泵14，冷却输送泵14的出液口与冷却器13的进水口连通，冷却输送泵14的进液口与冷却塔15的出水口连通。冷却器13的强化介质入口与分离器16的强化介质出口连通，冷却器13的强化介质出口与强化介质储存罐10连通。冷却器13与强化介质储存罐10之间设置有回流泵12，回流泵12的进液口与冷却器13的强化介质出口连通，回流泵12的出液口与强化介质储存罐10连通。回流泵12将温度恢复初始状态的强化介质输送至强化介质储存罐10内，实现了强化介质的循环使用，降低了运行成本，且能够保证工作稳定。

强化介质输送泵8、换热介质输送泵9和回流泵12均可以采用压缩机代替。

一种上述的相界面对流传热换热装置的换热方法，包括如下步骤：

步骤1）换热介质与强化介质混合为混合介质后与供热剂或制冷剂换热，或换热介质与供热剂或制冷剂换热过程中与强化介质混合形成混合介质，并在换热介质和强化介质之间形成相界面，强化介质为与换热介质互不溶解的介质；

换热介质输送泵9抽取换热介质储存罐11内的换热介质并通过换热介质输送管2输送至换热器1的管程101内，强化介质输送泵8将强化介质通过预混管3输送至换热介质输送管2内与换热介质混合后引入相界面后再进入到换热器1的管程101内，或强化介质输送泵8通过非预混主管18和非预混支管19将强化介质输送至换热器1的管程101内直接与换热介质混合引入相界面，通过预混阀4和非预混发20可切换强化介质与换热介质的混合位置。换热器1中相界面将换热介质和强化介质两种介质分割，两种介质掺混换热。

强化介质与换热介质混合后，还可以配合多种强化形状、结构、内插物等，纳米流体，磁流体，微小尺度传热，多孔介质，施加振动，施加电场，施加磁场等实现。对流传热形式包括管内对流传热、管外对流传热、大空间对流传热、异形通道内外对流传热、微小尺度对流传热、直接接触传热。

其中，换热介质和强化介质均为气态、液态、固态或液晶态的纯净物或多种物质的混合物。引入相界面方式包括在换热之前将换热介质和强化介质混合，称为预混引入相界面，也包括在换热过程中将换热介质和强化介质混合，称为非预混引入相界面。强化介质通过喷射或引射的方式与换热介质混合。

相界面是由传热过程的换热介质和强化介质混合而产生的分割两种或多种流体的界面。

步骤2），热交换后的混合介质进入到分离器16内分离为换热介质和强化介质，并对强化介质调温至初始温度；

强化介质和换热介质的混合介质在换热器1内换热后，由换热器1的管程101内进入到分离器16内，分离器16对混合的强化介质和换热介质进行分离，分离后的换热介质由换热介质输出管17输送至指定位置。

分离后的强化介质进入到冷却器13内，并在冷却器13内与冷却塔15内的冷却水换热降温至初始温度。冷却输送泵14使冷却水在冷却器13和冷却塔15内循环，使强化介质在冷却器13内快速恢复初始温度。

步骤3）调温后的强化介质再次进入换热介质输送管2或换热器1的管程101内与换热介质混合；

恢复初始温度后的强化介质由回流泵12输送至强化介质储存罐10内储存，并再次循环使用，降低了运行成本。

本发明是利用一种物质促进另一种物质的传热，起增加冷热流体掺混的作用，可以发生相变也可以不发生相变，是强化传热技术，属于强制对流，本发明目的是强化传热，并不一定促进流动，可能会增加阻力而不利于流动，利用两种物质形成的相界面增加流体掺混作用，使冷热均匀，使传热速率加快。本发明与利用一种物质促进另一种物质的流动，起到泵的作用的方式是不同的，该方式是一种有相变的流动传热过程，属于自然对流，该方式本质上是促进流动，与强化传热（促进传热）无关。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。