一种非接触式混合流体强化换热方法及换热装置与流程

本发明涉及工业能源换热技术领域，具体涉及一种非接触式混合流体强化换热方法及换热装置。

背景技术：

高效合理的能源利用和高热流量的快速有效疏导广泛存在于化工、冶金、海洋、航空航天、发电厂和汽车等工程应用中。目前在工业初级能源消费中，大约80％的能源要经历传热过程和换热设备，因此这些设备性能的优劣将直接影响整体生产工艺和产品的指标。传热设备性能的提高、传热温差的降低和泵功耗的减小，都必须通过强化传热的方式实现，因此强化传热技术对于提高换热效率和节能都起着关键的作用，强化传热技术是通过优异的传热介质和强化传热措施两方面来实现。

在很多工业场合，传热介质工作在超临界压力下，超临界流体从低温到高温的变化没有相变的连续过程，使得超临界流体的传热现象非常复杂，但超临界流体的传热现象却非常复杂，超临界流体虽然具有显著强化传热的特性，其传热系数相对可提高1倍，但是在运行参数不良时，超临界流体会发生类似于亚临界膜态沸腾的严重传热恶化现象，传热性能将降低至不足20％。因此，由于超临界流体在传热恶化的情况下会导致传热装置无法达到额定参数，甚至可能出现局部超温失效的现象，因此，超临界流体在应用过程中，需要对可能出现的传热恶化现象加以控制。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种非接触式混合流体强化换热方法及换热装置，能够解决超临界流体应用中出现的传热恶化现象，增强了传热过程的安全性和可靠性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种非接触式混合流体强化换热方法，由电磁组在换热通道的局部区域内形成磁场，在换热通道内通入加有纳米颗粒的超临界流体，磁场通过磁力吸附纳米颗粒，使得超临界流体偏离主流方向，在同一磁场内形成多个形状大小不同且垂直于超临界流体流向的稳定涡流，以增加边界层内流体和主流区流体的混合程度。

在上述技术方案的基础上，所述磁铁组由一对磁性相反且相对设置在所述换热管道两侧的磁铁组成，多组所述磁铁组沿所述换热通道长度方向间隔布置。

在上述技术方案的基础上，相邻所述磁铁组平行布置或者交错布置。

在上述技术方案的基础上，所述磁铁组为电磁铁。

在上述技术方案的基础上，控制器内预设磁场所在的换热管道的壁面温度阈值；

温度传感器实时检测磁场所在的换热管道的壁面温度值，当壁面温度值大于壁面温度阈值，控制器控制磁体组的电流增大，增强磁场的磁力，反之，则控制器控制磁体组通过电流减小或切断电流，减小或消除磁场的磁力。

在上述技术方案的基础上，所述纳米颗粒为纳米量级在10nm以下的铁磁性固体颗粒。

在上述技术方案的基础上，所述纳米颗粒的质量占超临界流体总质量的质量百分比为0.5％～2％。

一种非接触式混合流体强化换热装置，包括：

换热设备，所述换热设备设有换热通道，所述换热通道的两端分别设有通道进口和通道出口，所述换热通道内流通有加有纳米颗粒的超临界流体；

磁铁组，所述磁铁组由一对磁性相反相对设置在所述换热管道两侧的磁铁组成，且多组所述磁体组沿所述换热通道长度方向间隔布置，所述磁铁组用于在所述换热通道内形成磁场。

在上述技术方案的基础上，该装置还包括隔热层，所述隔热层包覆于所述换热通道外，位于所述换热通道和所述磁铁组的磁铁之间。

在上述技术方案的基础上，所述换热设备包括壳体，所述壳体上设有换热器进口、换热器出口和尾气入口，磁体组的两磁铁分别设于所述壳体的两侧，且所述壳体上设置有若干阵列排列的所述换热通道，所有所述换热通道的通道进口均与所述换热器进口联通，所有所述换热通道的通道出口均与所述换热器出口联通；所述壳体上设有若干阵列排列的尾气通道，所述尾气通道与所述尾气入口联通。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种非接触式混合流体强化换热方法，加有纳米颗粒的超临界流体形成区别与超临界流体和纳米流体的传热机制，组合后的流体在通过有磁铁组形成的局部磁场时，其中的纳米颗粒受到磁场作用，偏离了流体主流方向，形成稳定涡流，在换热通道内的流体旋转产生二次流，破坏流体流动边界层，减薄层流底层，增加边界层内流体和主流区流体的混合程度达到强化传热传质，消除传热恶化的目的。

(2)本发明的一种非接触式混合流体强化换热方法中的磁铁组可以设置在传热恶化集中发生的危险位置区，在该区域内同时布置温度传感器，用于时刻检测换热通道的壁面温度值，并将壁面温度值传送给控制器，控制器内设置有温度阈值，控制器根据壁面温度值控制电磁组的电流大小和磁场的磁力，最终达到以最小能耗实现强化传热的目的。

(3)本发明的一种非接触式混合流体强化换热方法中的相邻电磁组可以平行布置或者交错布置，平行布置时，不同流体位置中产生的稳定涡流方向相同，可以使得稳定涡流在衰减过程中间断的受到相同的磁力，从而使得稳定涡流保持较大的影响范围，达到良好的传热强化效果；交错布置时，磁力产生的涡流方向受到磁场方向变化的影响，稳定涡流在流动方向上产生一定程度的旋转，增加了边界层内的流体和主流区流体的混合，强化传热的效果更佳显著，在实际使用时，可根据具体使用情况进行设计，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例中的电磁组交叉布置的结构示意图；

图3为本发明实施例中的电磁组水平布置的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图.

图中：1-换热设备，2-换热通道，3-通道进口，4-通道出口，5-磁铁组，6-换热器进口，7-换热器出口，8-尾气入口，9-尾气通道，10-控制器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

一种非接触式混合流体强化换热装置的换热方法，由电磁组在换热通道的局部区域内形成磁场，换热通道内通入加有铁磁性纳米颗粒的超临界流体，磁场通过磁力吸附纳米颗粒，使得超临界流体偏离主流方向，在同一磁场内形成多个形状大小不同且垂直于超临界流体流向的稳定涡流，以增加边界层内流体和主流区流体的混合程度。稳定涡流破坏流体流动边界层，减薄层流底层，达到强化传热传质的目的。本实施例中的纳米颗粒为纳米量级在10nm以下的铁磁性固体颗粒，纳米颗粒占超临界流体总质量的质量百分比为0.5％～2％。由于在超临界流体中加入铁磁性纳米颗粒，超临界流体传热过程中不存在相变，因此传热过程中纳米颗粒不存在明显地团聚和分离，可以保持良好的流体均匀性和良好的磁性，布朗运动造成纳米颗粒之间的相互碰撞，促进纳米颗粒与流体之间产生微运动现象，从而促进热扩散，当纳米颗粒间距足够小时，两个颗粒表面的液膜附着层相互接触甚至重叠，此时的两个纳米颗粒相当于直接接触，极大地降低了热阻，由于纳米颗粒的尺度小于壁面材料的声子平均自由程，此时晶格振动会被纳米颗粒反射，综合上述三种作用，超临界纳米流体在小幅增加流动阻力的代价下，大幅提高工质的导热系数。

本实施例中的磁铁组可以电磁铁或者永磁铁，磁铁组是电磁铁时，可通过以下方式调控磁铁组的电流大小，实现磁场强度的调节。

控制器内预设磁场所在的换热管道的壁面温度阈值；

温度传感器实时检测磁场所在的换热管道的壁面温度值，当壁面温度值大于壁面温度阈值，控制器10控制磁体组的电流增大，增强磁场的磁力，反之，则控制器10控制磁体组通过电流减小或切断电流，减小或消除磁场的磁力。

实施例1

参见图1所示，本发明实施例提供一种非接触式混合流体强化换热装置，包括：

换热设备1，换热设备1设有换热通道2，换热通道2的两端分别设有通道进口3和通道出口4，换热通道2内流通加有纳米颗粒的超临界流体。本实施例中换热设备1进入的超临界流体为混合有铁磁性固体颗粒的超临界航空煤油流体，且进入的温度为150℃，换热设备1的运行压力为4.5MPa，流量为1000kg/(m²s)，热流密度为300kW/m²。

参见图2和图3所示，磁铁组5，磁铁组5由一对磁性相反相对设置在换热管道两侧的磁铁组成，且多组磁体组5沿换热通道2内流体流向间隔布置，磁铁组5用于在换热通道2内形成磁场。若采用永磁体组时，永磁体可以固定安装位置或者安装于滑轨上，永磁体组不存在耗能元件，可以实现对某些重点位置的不间断传热强化。以上两种磁体组均利用外部局部磁场的启停、不同位置和强度的组合替代扰流柱的方式来产生稳定涡流和周期性的脱落涡，同时换热通道中无需引入固体障碍物，可以根据实际应用场合选择电磁体组或永磁体组，从而达到超临界流体传热强化的效果。采用极性相反的电磁体组或者永磁体组作为磁体组在换热通道2内局部形成磁场，当超临界流体通过该磁场时，磁场的磁力会吸附纳米颗粒使得流体流动偏离其主流方向，从而形成稳定涡流，在换热通道2内流体旋转并产生二次流，减薄层流底层，同时稳定涡流的脱落和耗散增加了边界层内的流体湍动，促进了边界层流体与主流区流体的混合程度，从而抑制超临界流体由于浮升力作用或拟膜态沸腾导致的局部传热恶化现象，达到强化传热传质的目的。外置式磁体产生的涡流阻力小，能耗低，而且不易被冲刷和腐蚀，因此具有良好的安全性和可靠性。

本实施例中磁体组5采用漆包线绕铁芯而成，线圈绕制在铁芯的两端以增强磁场作用于流道的面积，上下线圈各2500匝，绕有漆包线的铁芯，分别位于换热通道2的两侧，由可调直流稳压电源提供电流。相邻电磁组可以平行布置或者交错布置，平行布置时，不同流体位置中产生的稳定涡流方向相同，可以使得稳定涡流在衰减过程中间断的受到相同的磁力，从而使得稳定涡流保持较大的影响范围，达到良好的传热强化效果；交错布置时，洛仑兹力产生的涡流方向受到磁场方向变化的影响，稳定涡流在流动方向上产生一定程度的旋转，增加了边界层内的流体和主流区流体的混合，强化传热的效果更佳显著，在实际使用时，可根据具体使用情况进行设计，适用范围广。

温度传感器和控制器10，控制器10和磁铁组5均与控制器10相连，温度传感器设于换热管道内，用于检测磁场所在的换热管道的壁面温度值，控制器10根据温度传感器检测的温度控制磁铁组5的电流通断和电流值。温度传感器和磁铁组5设置在在传热恶化集中发生的危险位置区，温度传感器实时对磁场所在位置处的换热管道的壁面温度值并传送给控制器10，控制器10内设置有壁面温度阈值，本实施例中设置的壁面温度阈值为400℃，控制器10根据壁面温度值与壁面温度阈值的对比，调节电磁线圈的电流，进而控制磁场的强度。

隔热层，隔热层包覆于换热通道2外，位于换热通道2和磁铁组5的磁铁之间，隔热层能够防止磁铁组5被高温去磁，提高了磁铁组5的使用寿命和质量，从而降低成本。

实施例2

实施例2提供板式微孔通道换热器，实施例2与实施例1的区别在于：

换热设备1包括壳体，壳体上设有换热器进口6、换热器出口7和尾气入口8，磁体组的两磁铁分别设于壳体的两侧，且换热设备1上设置有若干阵列布置的换热通道2，所有换热通道2的通道进口3均与换热器进口6联通，所有换热通道2的通道出口4均与换热器出口7联通；换热设备1上设有若干阵列布置的尾气通道9，尾气通道9与尾气入口8联通，尾气通道9与换热通道2十字交叉布置。

壳体上设置有若干层换热通道2，每层设置有若干条沿X轴方向延伸的换热通道2，换热通道2的通道进口3与换热器进口6之间通过扩张段联通，换热通道2的通道出口4与换热器出口7之间通过收缩段联通；壳体的前侧设置尾气入口8，壳体上设置有若干层尾气通道9，每层设置有若干条沿Y轴方向延伸的尾气通道9，尾气通道9与尾气入口8联通，且一层换热通道2与一层尾气通道9交叉布置，换热通道2和尾气通道9的截面均为半圆形的微通道。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。