專利名稱：增強(qiáng)潛熱型功能熱流體傳熱能力的方法和渦流強(qiáng)化管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳熱領(lǐng)域，具體涉及采用內(nèi)置渦強(qiáng)化翅片的渦流強(qiáng)化 管增強(qiáng)潛熱型功能熱流體傳熱能力的方法和渦流強(qiáng)化管。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)械和電子產(chǎn)品不斷發(fā)展的同時(shí)也伴隨著其冷卻散熱需求的 不斷增大，具有較強(qiáng)傳熱能力的潛熱型功能熱流體受到了國(guó)內(nèi)外學(xué) 者的廣泛關(guān)注。潛熱型功能熱流體是由微米級(jí)的相變材料微膠嚢和 單相傳熱流體混合構(gòu)成的兩相傳熱流體。由于相變顆粒在固液相變 過程中吸收/釋放較大的相變潛熱，因而該類流體表現(xiàn)出較大的表觀
比熱，流體與壁面之間的傳熱能力明顯增強(qiáng)。Charunyakorn等模擬 了潛熱型功能熱流體在圓管中層流流動(dòng)的對(duì)流換熱，結(jié)果顯示 Nusselt數(shù)是單相流體的l. 5-3倍。Goel等發(fā)現(xiàn)，潛熱型功能熱流體 的無量綱壁面溫度比單相流體減小至50%。然而也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在某 些條件下的潛熱型功能熱流體的對(duì)流換熱性能比水差。Yamagishi等 發(fā)現(xiàn)，在等流速下，潛熱型功能熱流體的湍流對(duì)流換熱系數(shù)要小于 純水的對(duì)流換熱系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在某些條件下潛熱型功能熱流體 傳熱能力低的主要原因有其導(dǎo)熱系數(shù)較低和流體中的相變材料微 膠嚢相變不充分。
過增元院士提出一種分析對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的場(chǎng)協(xié)同理論，根據(jù)該理 論，增強(qiáng)對(duì)流傳熱的途徑有三個(gè)(a)增大Re數(shù)；(b)增大Pr數(shù)；(c) 減小速度矢量和溫度梯度間的夾角P。對(duì)于直圓管來說，P在整個(gè) 流場(chǎng)內(nèi)幾乎都是90度，這說明速度矢量和溫度梯度矢量幾乎是垂直 的。根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，當(dāng)流速已經(jīng)充分發(fā)展后，在徑向上對(duì)流項(xiàng)對(duì) 傳熱的作用是很小的，從壁面到流場(chǎng)內(nèi)部，熱量基本上是靠熱傳導(dǎo) 來傳遞的，因而熱量從壁面?zhèn)鬟f到流場(chǎng)內(nèi)部的傳遞^^慢，反映到 流場(chǎng)溫度分布上就是，徑向溫度梯度較大，壁面附近液體的溫度已 經(jīng)較高，而流場(chǎng)內(nèi)部的溫度卻比較低。這種溫度分布對(duì)功能流體的 應(yīng)用是不利的，因?yàn)楸诿娓浇奈⒛z嚢會(huì)因高溫而較快融化，但流 場(chǎng)內(nèi)部的相變微膠嚢融化的很慢，或還來不及融化就流出了流場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供一種通過破壞邊界層使管流中心 區(qū)域的相變材料微膠嚢充分相變，從而增強(qiáng)潛熱型功能熱流體傳熱 能力的方法，其特征在于，在一條傳熱管路內(nèi)安置內(nèi)切圓柱狀渦強(qiáng) 化翅片，當(dāng)壁面附近的潛熱型功能熱流體流過內(nèi)切圓柱狀渦強(qiáng)化翅 片根部時(shí)，會(huì)發(fā)生縱向渦流，帶動(dòng)下游流體旋轉(zhuǎn)，增加流場(chǎng)擾動(dòng)， 破壞壁面附近的流動(dòng)和熱邊界層。由于翅片上緣的內(nèi)切設(shè)計(jì)，當(dāng)管 路中心區(qū)域的流體流過渦強(qiáng)化翅片時(shí)，會(huì)使流體中心區(qū)域和外側(cè)流 體發(fā)生旋轉(zhuǎn)渦流，這樣就使得流體中心區(qū)域的相變材料微膠嚢和邊 界層內(nèi)的相變材料微膠嚢充分摻混，因此流體中心區(qū)域的相變材料 微膠嚢也能充分地發(fā)生相變。依據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，使用采用內(nèi)置渦強(qiáng) 化翅片后，流場(chǎng)的速度分布和溫度分布都發(fā)生了變化，因而造成速 度矢量和溫度梯度矢量的夾角明顯減小，從而使徑向的對(duì)流傳熱得 到了加強(qiáng)，熱量能夠較快的由壁面?zhèn)鬟f到流場(chǎng)內(nèi)部，有利于相變微 膠嚢更充分、更迅速的熔化，吸收潛熱，加強(qiáng)傳熱效果。對(duì)于單相 流體來說，內(nèi)置渦強(qiáng)化翅片的圓管的平均對(duì)流換熱系數(shù)較光滑圓管
可以提高17%-36%,那么由于漩渦摻混相變材料微膠嚢的作用，潛 熱型功能熱流體的換熱能力提高20%到60%。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于增強(qiáng)潛熱型功能熱流 體的傳熱能力的渦流強(qiáng)化管，其特征在于包括
一個(gè)管，
設(shè)置在所述管內(nèi)的一個(gè)翅片固定裝置，以及 設(shè)置在所述翅片固定裝置上的多個(gè)渦強(qiáng)化翅片。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種增強(qiáng)潛熱型功能熱流體 的傳熱能力的一種方法，其特征在于包括
使所述潛熱型功能熱流體流過一個(gè)渦流強(qiáng)化管，所述渦流強(qiáng)化 管包括
一個(gè)管，
設(shè)置在所述管內(nèi)的一個(gè)翅片固定裝置，以及 設(shè)置在所述翅片固定裝置上的多個(gè)渦強(qiáng)化翅片。


圖l示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的渦流強(qiáng)化管的徑向剖視圖。
圖2示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的渦流強(qiáng)化管的軸向剖視圖。圖3示意顯示了作為傳熱介質(zhì)的潛熱型功能熱流體的構(gòu)成。 圖4示意顯示了作為傳熱介質(zhì)的潛熱型功能熱流體中的相變材料微 膠嚢的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
在如圖l和圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，多個(gè)渦強(qiáng)化翅片2,皮設(shè)置
在一個(gè)翅片固定裝置上。
在圖l和2所示的本發(fā)明實(shí)施例中，翅片固定裝置包括圏3和連接多 個(gè)圏3的連接條11。
在圖l和2所示的本發(fā)明實(shí)施例中，多個(gè)渦強(qiáng)化翅片2被固定在同一 個(gè)圈3上。圏3的直徑等于或略小于管1的內(nèi)徑。由連接條ll連接和/或固 定的多個(gè)圈3被置于管1中，從而構(gòu)成了渦流強(qiáng)化管。
渦強(qiáng)化翅片2形狀可以是適合于引發(fā)管內(nèi)流過的流體的渦流的 任何形狀，可以是例如片狀、柱狀等等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí) 施例，渦強(qiáng)化翅片2為圓柱狀。
才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在一個(gè)固定裝置(3)上沿周向布置 6-8個(gè)渦強(qiáng)化翅片2。
渦強(qiáng)化翅片2可以借助多種方式而被設(shè)置在圏3上，包括但不 限于焊接、鑄造、和/或螺釘連接等等。
渦強(qiáng)化翅片2的高度可以根據(jù)需要設(shè)定。各渦強(qiáng)化翅片2的高度可以 是基本一致的，也可以是彼此不同的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，渦強(qiáng) 化翅片2的高度約在管1內(nèi)徑的1/3 - 2/3范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，渦強(qiáng)化翅片2的頂部被斜切。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的具體實(shí)施例，渦強(qiáng)化翅片2的頂部被斜 切，且斜切的面面向或背向管1內(nèi)的流體流動(dòng)方向。
如圖4所示，潛熱型功能熱流體是包括按一定比例混和的水等 單相傳熱介質(zhì)4和相變材料微膠嚢5的傳熱介質(zhì)。
如圖5所示，相變材料微膠嚢5包括作為芯材材料的是由相 變材料7 (諸如石蠟)，以及外面包覆的微膠嚢嚢壁6。微膠嚢囊壁 6的材料可以是諸如蜜胺樹脂或脲醛樹脂等。
當(dāng)使?jié)摕嵝凸δ軣崃黧w通過本發(fā)明的渦流強(qiáng)化管時(shí)，當(dāng)壁面附 近的潛熱型功能熱流體流過渦強(qiáng)化翅片2時(shí)，會(huì)發(fā)生渦流，帶動(dòng)下 游流體作渦流運(yùn)動(dòng)，從而增加流場(chǎng)擾動(dòng)，破壞渦流強(qiáng)化管的壁面附 近的流動(dòng)層和熱邊界層，使?jié)摕嵝凸δ軣崃黧w中的相變材料微膠嚢 5的相變更充分，而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)潛熱型功能熱流體的傳熱效果的目 的。以上結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解的是， 本發(fā)明不限于上述具體描述的實(shí)施例，相反，在不脫離本發(fā)明的范 圍和精神的前提下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變形、替換和/或修正。
例如，翅片2也可以被固定在條11上，而借助圈3來連接和/或固定多 個(gè)條ll。這些變形、替換和/或修正均屬于所附權(quán)利要求書所限定的 本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1、用于增強(qiáng)潛熱型功能熱流體的傳熱能力的渦流強(qiáng)化管，其特征在于包括一個(gè)管(1)，設(shè)置在所述管(1)內(nèi)的一個(gè)翅片固定裝置(3，4)，以及設(shè)置在所述翅片固定裝置(2)上的多個(gè)渦強(qiáng)化翅片(2)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦流強(qiáng)化管，其特征在于 所述翅片固定裝置(2)包括多個(gè)圏(3)和連接所述多個(gè)圈(3)的連接條(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦流強(qiáng)化管，其特征在于 所述渦強(qiáng)化翅片(2)被固定在所述圏(3)上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦流強(qiáng)化管，其特征在于 所述渦強(qiáng)化翅片(2)的頂部被斜切，且斜切的切面面向或背向管(1)內(nèi)的所述增強(qiáng)潛熱型功能熱流體的流動(dòng)方向。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的渦流強(qiáng)化管，其特征在于 所述渦強(qiáng)化翅片(2)的高度在管(1)內(nèi)徑的1/3-2/3范圍內(nèi)，其中所述潛熱型功能熱流體是包括按一定比例混和的單相傳熱 介質(zhì)(4)和相變材料微膠嚢(5)的傳熱介質(zhì)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦流強(qiáng)化管，其中所述相變材料微膠 嚢(5 )包括作為芯材材料的是由相變材料(7),以及 包覆所述相變材料(7)的微膠嚢嚢壁(6)。
7、 增強(qiáng)潛熱型功能熱流體的傳熱能力的一種方法，其特征在于 包括使所述潛熱型功能熱流體流過一個(gè)渦流強(qiáng)化管，所述渦流強(qiáng)化 管包括-.一個(gè)管(1)，設(shè)置在所述管(1)內(nèi)的一個(gè)翅片固定裝置(3， 4 )，以及 設(shè)置在所述翅片固定裝置(2 )上的多個(gè)渦強(qiáng)化翅片(2)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述翅片固定裝置(2)包括多個(gè)圏(3)和連接所述多個(gè)圏(3)的連接條(11),所述渦強(qiáng)化翅片(2)被固定在所述圏(3)上，
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述渦強(qiáng)化翅片(2)的頂部纟皮斜切，且斜切的切面面向或背向 管(1)內(nèi)的所述增強(qiáng)潛熱型功能熱流體的流動(dòng)方向。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中 所述渦強(qiáng)化翅片(2)的高度在管(1)內(nèi)徑的1/3-2/3范圍內(nèi)，所述潛熱型功能熱流體是包括按一 定比例混和的單相傳熱介質(zhì) (4)和相變材料微膠嚢(5)的傳熱介質(zhì)，其中所述相變材料微膠 嚢(5 )包括作為芯材材料的是由相變材料(7)，以及 包覆所述相變材料(7)的微膠嚢嚢壁(6)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用渦強(qiáng)化管增強(qiáng)潛熱型功能熱流體傳熱能力的方法和渦強(qiáng)化管。該渦強(qiáng)化管的特征是在傳熱管路內(nèi)安置內(nèi)切圓柱狀渦強(qiáng)化翅片，渦強(qiáng)化翅片具有的功能是1.渦強(qiáng)化翅片破壞流動(dòng)邊界層，流體經(jīng)過翅片后產(chǎn)生渦流，核心區(qū)域的功能流體和壁面附近的功能流體相互摻混，加快了核心區(qū)域微膠囊的相變速度。2.渦強(qiáng)化翅片增大了換熱面積。潛熱型功能熱流體中的相變顆粒更加充分的相變，提高了流體的有效比熱，從而提高潛熱型功能熱流體的對(duì)流換熱率。相比傳統(tǒng)的換熱管路，本方法可以使?jié)摕嵝凸δ軣崃黧w的換熱能力提高20％到60％，使?jié)摕嵝凸δ軣崃黧w在航空、航天、電子、機(jī)械、空調(diào)、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F28F23/00GK101509742SQ20091008043
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者林貴平, 亮 王 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)