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高效热压转换传热研究取得新进展
发稿时间:2017-05-18         作者:郭聪 李铁 姜玉雁          来源:传热传质研究中心     【字号:

  高效热压转换传热是近几年发现的一种超高强度传热现象,传热传质研究中心多年来持续推进传热机理和应用技术研究,取得一系列新进展。通过流场可视化、超短脉冲加热和定量测量,逐步弄清了高效热压转换传热的物理机制和热力学条件。同时,推广在高温热防护和常温热管理领域的应用,成功研发了燃气轮机透平叶片闭式冷却技术、空调除湿用热管阵列和电池热管理系统。 

  理论研究发现,加热封装在密闭空间的液体达到过热状态时,会产生较强的热声效应,热声波在传播过程中被流体吸收转化为热能,从而整体抬高流体温度,促进热量从热端向冷端的传递,这种热声效应的时间累积等同于临界点附近流体的活塞效应或热化效应,研究者将这种效果命名为热压转换传热效应。这种系统的超高强度传热是热压转换、局部相变和对流三种效应叠加的结果。目前研究人员已通过实验测量了传热系统的当量导热系数和热压力波传播过程,用超短脉冲加热法测得了热压转换效应占总传热效果的比例,正在进行定量传热模型的构建,有望在不久的将来取得突破。 

  1 热扰动引起的压力波随时间变化曲线 

  在高温热防护领域,传热传质研究中心获得多项相关项目支持,应用热压转换传热技术先后研制出闭式无冷却气的航空发动机单叶片试验件、航空发动机环形叶栅试验件、F级燃气轮机叶片试验件。多次高温风洞试验表明,在风洞内部无任何冷却、试验件外部冷却端置于环境的工况下,上述试验件能够承受超过1400℃高温加热而不损坏,叶片表面的平均温度能够比来流温度降低350-550℃。该技术一旦获得应用,有望降低约50%的冷却用引气量,从而大幅降低压气机负荷,明显提高航机的推重比或燃气轮机的热功转换效率。 

  (a)高温风洞测试中的环形叶栅       (b)高温风洞测试中的F级燃气轮机叶片 

  2 热压转换技术应用于燃气轮机透平静叶片冷却 

  合适的温度与湿度才能保证舒适健康的空气品质,传统的空气处理方式为先预冷、降温除湿、再加热的方式,降温与再热存在大量的能耗。基于热压转换技术,依靠多年积累的先进热管技术,传热传质研究中心研发了一款性能优异的热管阵列除湿换热器,除湿量大大增加,同时空气的预冷与再热不消耗额外的外部能量,能够节约可观的运行成本。热管阵列在传热极限、均温性能、结构强度以及可靠性等方面都优于普通热管,可以大规模应用在大型机房、商业住宅、购物中心、办公写字楼等场所。 

  a)传统除湿过程                     b)热管辅助除湿过程 

  3 各种除湿过程比较 

  在新能源汽车电池热管理方面,研究团队与新能源汽车关联企业合作,研制出新能源汽车电池包的热压转换热管理器件,实现了高效控温和均温效果,实验表明,在多种工况下热压转换传热器件的导热能力明显优于市面上具有同类外观的产品,均温性指标达到同行业领先水平。目前已同合作企业开展新能源汽车电池包的热管理系统技术开发。 

  目前,热压转换相关技术已申请多项发明专利,部分产品正在进行商业推广。 

 
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