1.研究背景

换热管作为常见的基本换热单元，不仅广泛存在于各种传统石化能源利用的换热器中，同时也大量应用于新能源利用的设备中，如槽式太阳能集热器。近几十年来，国内外研究学者对管内单相对流换热过程及强化方法进行了深入的研究，并发展和提出了大量的强化传热技术。但是现有的强化传热技术主要关注于传热能力的提高，对其引起的流动阻力的增加不够重视。大量的强化传热技术在提高传热能力的同时也显著地增加了流动阻力和运行泵功，其综合的换热性能不佳，收获的节能效果不明显。因此，研究新型的强化传热技术和元件，实现在较少的流动功耗增幅的前提下获取较大的传热能力的提升，对提高换热设备综合性能和节能效果，提高能源利用效率，缓解环境污染，和助力国家构建清洁、低碳、高效的能源体系具有重要意义。斯特林发动机被认为是一种更为清洁的能源转换装置。此外，斯特林发动机还具有以下优点：（1）运行稳定，机内工质压力处于类似弦函数规律的动态变化中，不会发生内燃机的爆震现象；（2）运行过程中所产生的噪音相对较小，因此其应用场合相对更广；（3）运行效率高，其理论效率等于卡诺效率，有效效率可达36-40%；（4）结构简单，与内燃机相比，没有易出故障的气阀、喷油等机构，减少了40%的零部件，润滑过程不受燃烧产物影响，维护方便。因此，研究斯特林热机的热功转化性能、机器内部的流动换热细节以及提出基于斯特林热机的新型混合能量利用系统对于推动能源的清洁可持续利用亦具有重要意义。

2.主要研究内容

   （1）对流传热传质强化的多物理量协同原理研究

提出了对流过程中流体功流和压力梯度的本构关系，推导出稳态不可压缩流体的机械能守恒方程，补充并完善了对流传热传质过程的控制方程组，构建了对流传热传质过程的多物理场协同理论体系，如表1所示。

表1 对流传热传质过程多物理量的本构、守恒和协同方程以及实验关联式对比

建立了内插锥形片槽式太阳能集热管物理模型，如图1所示。以高温传热油Syltherm-800为工质，对LS2 PTC太阳能集热管内插锥形片的流动和传热性能进行了数值模拟。计算之前，完成网格独立性验证、流动变化规律稳定性验证以及模型可靠性验证，结果表明模拟结果与文献中的实验结果有很好的一致性，证明模型建立是正确的，验证结果见图2。

图1 内插锥形片槽式太阳能集热管模型   

图2 模拟结果与文献结果对比

锥形片使管内形成了一对涡结构，这将使管内中心冷流体和壁面附近热流体实现快速充分交换和混合，从而强化换热工质与集热管内壁面之间的对流换热，如图3（a）。特别地，锥形片引导流体冲刷集热管内壁面圆周角为70°至110°的范围，这正好覆盖了最大的热流密度区域（约为88.6°附近）。因此，高热流密度区域的热量可以快速被流体带走从而使集热管的峰值温度显著降低，如图3（b）和（c）所示。研究表明，锥形片能够显著提高高热流密度区域的局部换热性能，从而有效降低其峰值温度和周向温度差异，其中，峰值温度和周向温度差异分别降低了9–230K和7–219K。因此，集热管的热损失也得到显著降低，热损失最大降低82.1%。锥形片使太阳能集热管的平均换热性能（Nu）提高了45%–203%，而其流动阻力（f）增大为光滑太阳能集热管的6.17–17.44倍。综合换热性能（PEC值）为0.70–1.33，且集热效率提高了0.02%–5.04%。熵产和㶲效率分析结果表明，相比光滑太阳能集热管，内插锥形片槽式太阳能集热管得熵产最大可降低74.2%，且其㶲效率最大提升了5.7%。

图3 （a）横截面上的切向速度矢量图；（b）强化和光滑的槽式太阳能集热器横截面的温度分布对比；（c）集热管内壁面温度分布对比

（3）双壳程折流杆换热器壳程性能的实验与模拟研究

加工双壳程折流杆换热器，以及用于性能对比的单壳程折流杆换热，并搭建换热热工水力实验台架。实验中使用的两种换热器的结构如图4所示，两种换热器具有相同的壳体直径、相同的换热管结构与布管、相同的折流栅数量等，确保在合理的条件下进行性能对比。换热器实验台架由热水循环、冷却水循环、测试段三部分组成，测试时，壳程体积流量变化范围为2.8-15.2 m³·h^-1，管程体积流量变化范围为2.8-14.4 m³·h^-1，管程与壳程的热平衡在3%以下。实验测得管、壳两侧的压降，以及整体的总传热系数，采用Wilson图解法提取壳程换热系数。

图4 换热器结构示意图

实验结果发现在相同的流量下，双壳程折流杆换热器(DS-RBHX)的壳程换热器系数相对于单壳程折流杆换热器(SS-RBHX)增加33.5%-54.0%，且增幅随着随着流量的增大而增大，这表明通过在壳程设置套筒后，壳程流速增加大幅提升了换热器壳程的换热性能。但在换热性能提升的同时，也带来了压降的增加，在相同的流量下，压降增加了约34.2%-74.3%，双壳程相对于单壳程换热器，其壳程流体流速增加且流程变长。两种换热器的综合性能对比如图5所示，在相同的压降下，双壳程折流杆换热器的壳程换热系数提升了约14.4%到24.3%，因此可得，圆筒分程的方式切实增强了折流杆换热器的换热性能，同时也使其综合性能得以提升，在双壳程折流杆换热器更加适合应用于高流速的场合。

图5 单壳程与双壳程折流杆换热器综合性能对比

双壳程折流杆换热器出口导流结构设计：对两种换热器的实验模型进行等尺寸的数值模拟，数值模拟结果与实验结果相吻合，通过对数值结果的流场进行分析，得出双壳程换热器的待改进之处。图6位双壳程换热器壳程出口处的流线与速度分布，由此图可知，在出口区域远离出口结果的一侧形成了流动死区，此处换热性能较差。在现有的换热器中，通常会于入口处设置导流筒以对入口流体进行分流，因此，在双壳程折流杆换热器的出口处亦可设置导流装置进行导流以消除出口处的换热死区。图7列出可四种出口模型，其中图7(a)为原始模型，其余三个为所设计的导流筒模型，通过数值模拟的方式对比着四种模型的换热与流动性能。

图6 双壳程折流杆换热器壳程出口处流场

图7 双壳程折流杆换热器壳程出口处导流结构

四种导流结果的数值模拟结果分析：四种导流结构的出口处的流线与速度分布，可以得出三种出口导流结构均在不同程度上减小了流动死区，其中以第二种导流结构最佳。四种不同结构的整体和出口局部的换热系数以及压降的对比，出口设置导流结构对主流区域的换热和压降无影响，但是对出口区域影响较大，第二种导流结构对换热性能的提升幅度最大。

如图8所示，对四种结构出口区域的综合性能进行对比，在相同的泵功下，第二种导流结构能够获得最多的换热量，综合性能达到最优，相对于为设置导流结构的换热器，在形同的泵功下，出口处的换热量增加约9%。

图8 四种导流结构下的壳程综合性能对比

3.主要创新点和贡献

在对流传热传质多物理量场协同原理方面，提出了对流过程中流体功流和压力梯度的本构关系，并推导出稳态不可压缩流体的机械能守恒方程，构建了对流传热传质过程的多物理场协同理论体系；在太阳能集热管性能研究方面，开展了内插锥形片槽式太阳能集热管性能研究，研究表明锥形片能够显著提高高热流密度区域的局部换热性能，从而有效降低其峰值温度和周向温度差异；基于热对流速度分析开展了对流传热强化理论的研究，提出了热对流强度因子指标，用于评价热对流性能；在双壳程折流杆换热器壳程性能方面，加工双壳程折流杆换热器，并搭建换热热工水力实验台架，结果指出第二种导流结构综合性能最优；提出太阳能斯特林热机与盐差储能混合系统，以求实现太阳能的清洁稳定利用，计算结果指出斯特林热机效率的提升和储能单元尾端能量的深度利用对于整体能量效率的提升有较大影响。

4.重要论著及专利