先进传热强化理论及机理研究

换热设备节能的关键是提高换热器的传热系数，降低输送流体所消耗的功率，同时，减小换热器体积，减轻重量和金属消耗，其中，关键是提高换热器的综合性能，解决强化换热和流体功耗之间的矛盾。尽管强化传热技术近二十年来得到了快速发展和广泛应用，但相关文献报道多为经验或半经验研究，强化传热的理论研究相对滞后。就现有的强化传热技术而言，在传热得到强化的同时，阻力增加较多，有时换热得到的收益还小于流阻增加的能耗，因而得不偿失。为此，本项目将研究和揭示层流和湍流换热流场的物理量协同与对流强化传热之间的内在规律，建立和完善评价强化传热综合性能的指标体系；发展基于最小耗散原理的优化设计理论，提出对流强化传热的新模式、新方法，并用于高效低阻换热器的设计和应用。同时，通过研究质量、动量、能量传递的相互关系以及强化传热的本质特征，提出既能增强换热又不过多增加流阻的强化传热新方法、新技术，提高换热器综合性能，实现节能降耗。

1、该项目紧密围绕建立高效节能的强化传热理论与技术的目标揭示了层流和湍流换热流场的物理量协同与对流强化传热之间的内在规律与对应关系，建立并完善了评价强化传热性能的指标体系；揭示了热量传递过程的物理机理，基于最小耗散原理，发展了以建立流体优化场为目标的优化设计方法；揭示了对流强化传热的本质特征，以增强换热和减少流阻为目标，研究了基于流体的强化传热新模式、新技术，并用于高效低阻换热器的设计。.2、所取得主要成果包括：1)拓展了过增元院士提出的场协同原理：由单一的换热问题向流动问题拓展；由层流向湍流拓展；建立了强化传热的统一评价指标体系。2) 揭示了对流传热强化的本质规律：构建了对流换热流场中速度矢量U、温度梯度ΔT、压力梯度Δp 之间的协同关系; 得到了协同角α、β、γ、θ、η的统一数学表达式。3) 提出了最小功耗优化原理：以流动过程中流体泵功消耗最小作为优化目标，通过对拉格朗日函数变分，推得流体的优化场方程，求取优化的流场结构。4) 发展了最小热耗优化原理：建立了工质势的概念，导出了流体的势方程。基本特征为：热耗散具有能量量纲，有利于量化评价传输过程的不可逆性。5）开展了对流换热的可用能传递及效率分析。6) 建立了同时减少热阻和流阻的多目标传热优化方法。7) 提出了基于流体的强化传热原理：通过流体扰动在管内形成等效热边界层，在换热增强的同时，降低流动阻力的增幅，实现流动与换热的协同优化。8) 发明了一种新型纵向扰流管壳式换热器：相较于工程中常用的折流杆管壳式换热器，其流动阻力大为减少，传热强化的综合性能可提高10~25%。9）研究并发展了多种扰流型强化传热元件，如螺旋扭带、旋流叶片、纵向涡扰流片、涡杆等。10）基于（火积）耗散极值原理，对凝汽器管束布置型式进行分析，研究出新的凝汽器管束布置的设计原则和方法，构建了新型凝汽器管束布置型式。11）仿照自然界的树形结构，提出了一种双连树型凝汽器布管，并应用于西柏坡电站300MW的2#机组改造，与改造前相比，凝汽器每年因节煤产生的经济效益达450万元。.该项目已发表发表SCI源刊论文47篇，EI中文期刊论文31篇，总影响因子125，SCI他引179次，其中ESI Hot Paper 1篇, Highly Cited 2篇；发表国际会议论文7篇，其中Keynote报告2篇；申请国家发明专利14项。