振動強化傳熱由於需要外部能最而束能工業套用，流體誘導振動不需要外部能量，卻被作為換熱器運行過程中的事故而嚴格防止。因此提出了一種新的非線性傳熱元件，使流體誘導的振動既能夠不斷地進行，又不會導致元件的損壞。理論分析並實驗研究了振動與傳熱特徵，形成了利用流體誘導振動強化傳熱的新方法。
基本介紹
- 中文名：非線性傳熱
- 外文名：Constant heat flow
- 作用方式：強化傳熱元件傳熱
- 套用：振動傳熱
- 學科：熱力學
概念,一種複雜非線性傳熱元件的傳熱及污垢特徵,研究背景,研究結果,複合材料層合結構的非線性傳熱分析,研究背景,研究結果,
概念
有限時間熱力學研究的特點是強調性能係數與熱力學輸出率的協調。但實際熱力系統工作時並不一定以熱力學輸出率為追求目標，比較實際的是以系統運行的利潤率最大為目標。通過對兩種非線性傳熱規律下卡諾熱機的最佳利潤與效率的關係的推導可知：
（1）最佳效率、利潤率關係和最大利潤率時的效率界限包括了有限時間熱力學最佳化關係、性能界限和經典熱力學界限，這是有限時間熱力學與經濟最佳化相結合的結果；
（2）不同的傳熱效率對內可逆卡諾循環的性能有很大影響，但最佳效率、利潤率間的關係是普遍存在的，且均存在一個最大利潤率點和兩個零利潤率點。
一種複雜非線性傳熱元件的傳熱及污垢特徵
研究背景
換熱器內流體誘導振動與傳熱表面積垢同屬傳熱技術套用中長期得不到較好解決的世界性難題，但在換熱器研究中分屬不同領域，一直沿著各自的軌跡發展。將流體誘導振動與傳熱表面積垢關聯起來，可以發現，振動不僅對傳熱具有強烈影響，而且對積垢的減少有著直接作用。問題的關鍵在於能否將流體誘導振動作為一種可資利用的能量表達方式在換熱器內體現出來。
在機械振動強化傳熱的研究中已經發現，振動Rev數與流動Re數之比在一個較大的範圍內(Rev/Re從0.01到100)，都有增加對流換熱係數的趨勢，對流換熱係數的增加基本上與以外來能量誘導振動時的效果相同。相關文獻詳細地介紹了流體橫向經過振動的單管及管排時的換熱研究結果。在單排情況下，當傳熱面振動Re數小於1000時，未發現振動對傳熱有明顯的影響；當Rev=103-2.2×103時，在圓周角β≥70°的圓管後面部分有較明顯的傳熱增強，在β=90°-180°區間換熱係數平均約增加19%，但在β=0°-90°的圓管前面部分，換熱平均增加5.5%。機械振動強化傳熱在實驗中取得了明顯的效果，但是採用此方法所消耗的能量將比增強傳熱所獲得的收益要高許多。
複合技術是一個倍受重視的強化傳熱領域，因為其換熱係數的增加通常要比單獨使用其中的任何一種技術高。對複合強化傳熱的研究涉及單相流與蒸汽冷凝等多相流，主要採用了帶有扭轉帶插入物的內肋管或扭轉帶插入物加粗糙管、流化床中的肋化管等技術。這些方法主要強調了對流換熱係數的增加，沒有涉及污垢的影響。這無疑是一個不容忽視的缺陷。污垢對傳熱係數的影響有時是決定性的。假如不能有效地控制污垢生成的話，換熱器運行過程中對流換熱係數的提高並不意味著傳熱係數的必然提高，因為過分增長的污垢熱阻會輕而易舉地將對流換熱係數提高的效果加以抵消。利用流體誘導振動強化傳熱的最大誘惑來自於它能夠在提高對流換熱係數的同時降低污垢熱阻，實現複合強化傳熱。
研究結果
複合材料層合結構的非線性傳熱分析
研究背景
複合材料傳熱分析的主要內容是考慮強熱各向異性，對複合材料結構的熱傳遞進行穩態和瞬態計算。複合材料由於具有強的熱各向異性、非均質性、非線性、熱耦合性等特點，與各向同性結構相比，複合材料結構的熱傳導分析是一項十分複雜的工作。作者從微元熱傳導的熱流平衡方程和Fourier熱傳導定律出發，提出了新的一階和高階熱層合理論及有限元算法，有效地解決了複合材料層合結構的傳熱分析問題。但是，新的熱層合理論是建立在複合材料熱物性不隨溫度變化的基本假定之上，即只限於研究線性熱傳導問題。實際上，上述假定對於每種複合材料都只在特定的溫度使用範圍內才是正確的，如樹脂基複合材料為 300℃，而石墨酚醛複合材料的使用溫度高達數千度。而有一些複合材料的熱物性只在較小的溫度範圍內不隨溫度變化，一旦超過這個溫度界限，則表現出強烈的熱非線性行為。對複合材料結構的非線性熱傳導問題研究較少，尚無十分簡便有效的計算方法，可提供利用的結果也很少。
