04级本科毕业设计论文
1 引言
1．1 课题研究背景
1.1.1 世界能源概况
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能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础。当今能源问题已经成为国民经济发展的战略重点。自上世纪以来，随着能源科学的发展，人们已掌握了越来越多的能源技术。其中有许多能源技术可以起到相同的目的并可以相互进行替代。世界的能源构成有一个发展过程。自英国的产业革命后，世界能源结构从木炭转向煤炭。从上世纪20年代开始，石油和天然气在世界能源构成中的比重渐渐增加。现在世界能源消费近60％依赖石油和天然气。 1.1.2 我国能源概况
中国现今还是以煤炭为主力能源，不会出现能源以油、气为主的时代，我国一直以来并在可以预见的将俩都将以煤炭为主要能源。但是，我国的煤炭资源不是取之不尽的，根据现在我国的煤炭需求量和已探知的煤炭储量，最多再支持30年。不光是煤炭，其他资源也是一样。在假设资源不会被耗尽的前提下，到2050年，人类的数量可能达到90亿。平均每年需要的自然资源要两个地球才能满足。
因此，世界能源在如此严峻的形式下，能源结构需要一次大的转变，即从油、气为主向以再生能源为基础的持久、稳定的能源系统方向发展。这个转变将经历漫长的过程，从现在起，大约需要一百年的时间。到那时，太阳能发电、核能发电以及其他新能源，将为全球约150亿人口提供充足的能源，而煤炭、石油和天然气则主要用作化工原料。
我国能源利用效率较低，这是众所周知的事实。例如，钢铁工业平均每万吨能耗的钢产量，按统计资料显示，日本的产量是我国的2.2倍，而德国也是我国的1.5倍[1]。这样看来，我国当初成为世界钢产量第一名时，是建立在巨大的能源消耗的基础上的。随之而带来的污染也是一个很大的问题。我国人均能源资源并不丰富，能源的供需缺口日益扩大，所以我国的经济发展必须走资源节约型道路。加之能源利用水平较低，具有很大的直接节能潜力。 应该积极改进产业结构和产品结构，利用新型技术，以达到节约能源的目的。
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1.1.3 能源对经济发展的影响
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第一，能源“短缺”对经济发展的影响。能源消耗与经济发展密切相关。在我国，生产力发展比较落后，能源生产粗放，单位GDP增长的能耗远远大于发达国家。经济的不断发展，要求有源源不断的能源供给。结合我国能源国情，我国能源开采量及布局严重制约着经济的发展。一方面，能源开采量的增加速率远远不能满足发展对能源的需求，因此，近几年，曾几次出现严重的能源供给不足现象，影响了经济的发展和人民的正常生产生活 ；另一方面，从能源布局来看，发达地区能源严重匮乏，其经济发展所需能源大部分来自西北、西南和华北地区，在能源的输送过程中，增加了能源消耗和成本，也制约了经济的发展。
第二，能源消耗造成的环境污染间接导致经济损失。根据不同研究机构的研究成果，不同时期中国大气污染造成的经济损失较严重。这些估算是不完全的，就目前的研究成果很难给出的。
能源是人类社会和经济发展的物质基础，然而，自然资源并非取之不尽，用之不竭，不断开发新能源，开发可再生能源，提高能源利用效率，将对缓解能源短缺起到重要作用 ；同时，能源、环境与经济有着复杂的关系 ；源消耗与环境污染并存、能源短缺制约经济发展、环境污染造成重大经济损失，这种现象在我国尤为突出。因此，处理好能源利用、环境保护和经济发展的关系是实现可持续发展的重要战略，关系到人类的生存和发展。
1．2 课题研究现状
目前，在空气加热器领域，能源的利用率并不高。往往消耗了大量的能源却不能得到很好的加热效果。此外，空气加热速度比较慢，热空气的温度低，产气量较小，等等都是目前空气加热器所面临的主要问题。因此有些空气加热器就采用在换热室添加堆积金属球的方法，增大与空气对流换热的面积，以提到热效率，获得了不错的效果。然而该方法的填充体为堆积的金属球，一方面比表面积较小，孔隙率低（金属球堆积的孔隙率一般不足40％），因而阻力增加较大，增大了空气的动力消耗；另一方面，由于金属球本身具有导电性，如果不采取与电加热原件的绝缘措施，就会出现短路现象，如果增加可靠的绝缘结构，势必会使加热器结构复杂化，也存在一定的安全隐患。
因此，选择合适的换热介质将提高空气换热器的换热效率。由于多孔泡沫陶瓷具
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的利用率，达到节约能源的目的。
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有的比表面积大、导热性好的特性，是很好的换热介质[2,3]。它的使用将有效提高能源
1．3 多孔介质简介
多孔材料里面的孔是由互联的支柱或丝网的配制构成的[4]。图1.1为泡沫陶瓷显微镜下的照片。多孔介质的孔隙结构是多孔介质材料的主要特征，其孔隙结构的宏观参数包括：孔隙率（孔隙度），渗透率，比表面，PPC,孔隙直径及其分布、剖面孔隙面积分布等，与多孔介质中的流动与传热紧密相关。图1.2是一块多孔介质的蜂窝板。李春光[5]等人做了比较细致的研究。
图1.1 显微镜下的泡沫陶瓷 图1.2 蜂窝板
多孔介质是由多相物质所占据的空间，也是多相物质共存的内部就会有流动或传热传质过程发生。在这类过程中，各相物质内部及其间的质量、动量和能量传递规律十分复杂。在揭示这些规律方面， 虽然人们采用了理论分析[6]、数值模拟[7,8]、实验研究[9]等各种研究手段，但对此仍知之不多。有人认为: 多孔介质中各种传递现象的研究已是当今科学技术发展长河中令人瞩目的热点，并成为传热传质学科中重要的研究课题。
多孔介质的特征：孔隙之大小及其分布是多孔介质的重要特征。而根据孔隙之大小，又可分为三类：当空隙空间甚小，以至于固体分子与流体分子间的分子作用力不可忽略时，称之为分子间隙；当空隙足够大，以至于流体流动只取决于空隙壁面时，称之为洞穴；介乎于二者之间的空间称作孔隙。
自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土之类陶瓷料浆研制成功泡沫陶瓷用于铝合金铸造过滤。从此生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如Al2O3、ZrO2、SiC、SiN等高温泡沫陶瓷。目前世界上生产泡沫塑料前驱休，采用浸渍辊压形成机成行，坯体
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产工艺达到了很高的技术。
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为微波干燥，高温辊道窑采用计算机监控连续烧成，检测及封装也均机械化，整个生
多孔介质的固体骨架结构有各种不同的具体形式， 如: 颗粒堆积床、烧结金属粉末、打过筛孔的挡板、毛毡滤芯、纤维膨化结构构件以及由高分子材料或陶瓷材料做成的可渗透的镀层等。这些结构的孔隙通道都具有弯曲性、无定向性和随机性特点， 这使得多孔结构中的流动过程非常复杂。除在流速很低的情况外， 其中流动多不是层流。流体质点在多孔介质中不停地发生搀混和分离， 流速的大小和方向也在不停地改变， 这使得流体的流动阻力大幅度增加， 从层流到紊流的流态转变也大大提前。多孔结构中的传热过程也因多孔介质的结构特点而十分复杂， 它是由固体骨架内部和空隙中流体内部的导热、二者间的对流换热和辐射换热等组成的耦合传热过程。如果多孔结构中流体发生相变， 那么传热过程将更为复杂。
到现在，人们对多孔陶瓷做了大量的实验性研究，但是对于多孔介质内部的流动和传热规律还不能清楚了解。但是大量实验结果还是显示了一些普遍性规律，并应用于实际。例如，由于多孔介质的燃烧特性[10]，使得多孔介质在燃烧器中得到应用[11]。人们对于多孔介质中的稳定燃烧技术，早在20世纪初就已经开始，最早报道始见于1913年CELucke[12] 设计的表面燃烧装置。此外，多孔介质还被应用于许多其他领域，包括核反应堆冷却与绝热、煤炭的储存开发与燃烧、高温元件的发汗冷却、铸造砂型的传热传湿、热管多孔芯吸液与传热、化工填充床、太阳能与废热储能、航空航天器的热防护、石油热采、地热热储 地下核废料热质扩散、环境工程中垃圾与污水处理、土地盐碱化与污染、建筑与绝热材料中的传热传湿、物品干燥与保鲜、土壤内养分水分传递、生物体内的传递现象及强化换热等。
虽然人们对多孔介质内部的流动和传热规律还不能清楚了解， 但由于这些过程的普遍性， 使得下面诸多领域中都需要解决一些方面问题， 并能迅速应用这方面的研究成果。这些领域有: 核反应堆冷却与绝热、煤炭的储存开发与燃烧、高温元件的发汗冷却、铸造砂型的传热传湿、热管多孔芯吸液与传热、化工填充床、太阳能与废热储能、航空航天器的热防护、石油热采、地热热储 地下核废料热质扩散、环境工程中垃圾与污水处理、土地盐碱化与污染、建筑与绝热材料中的传热传湿、物品干燥与保鲜、土壤内养分水分传递、生物体内的传递现象及强化换热等。现在多孔介质内部的传热传质已成为一融多学科知识、对理论和实验要求都很高的传热学研究领域。
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1．4 多孔介质传热特征及研究现状
弥散效应的存在是多孔介质传热和流动的主要特征。
流体在多孔介质中流动的一个很重要特点就是弥散效应的存在。当流体在多孔介质中流动时，示踪剂(可溶解于流体中的显示流体质点运动轨迹的物质)会逐渐传播并不断占据越来越大的流动区域，且超过了仅按平均流动所预计的占据区域，这种传播现象叫做多孔介质中的流体动力弥散。流体动力弥散是一个非稳定的不可逆过程，造成这种现象的原因有:作用于流体的外力、孔隙系统的复杂细观形状、由示踪剂浓度梯度所引起的分子扩散、流体密度和粘度等的变化对流动的影响、液固相间的相互作用等。
在流体的动力弥散现象中同时包含着两种基本的输运现象:对流和分子扩散。由于孔隙系统的复杂结构使流体细观通道的尺寸和形状随处各异，从而造成流体流动的速度分布在各个局部处都有所不同。流体在孔隙通道内不停地改变着流速的大小和方向，流体质点的搀混和分离也在时刻发生，表现为示踪剂的传播区域越来越大，这种输运现象就是机械弥散(或称对流扩散)现象。微观尺度的不均匀性(孔隙、颗粒的出现等)和流体在不同区域的渗透性差异是造成机械弥散的重要原因。作为动力弥散的另一类输运现象，分子扩散主要是由液相中示踪剂的浓度差异或液相中的势差(表现为温度梯度和压力梯度等的存在)引起的。在低速流的情况下，分子扩散在总弥散中所占的地位更加重要。由于热弥散对多孔介质强化传热起着很大作用，因而人们在研究多孔介质受迫对流换热问题时，往往要综合考虑静态导热和热弥散作用。
多孔介质的研究方法有理论分析、数值模拟和实验研究。理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类， 其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动， 所涉及的数学方程多且难于求解 ； 微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质， 研究对象是流体质点或微元体， 但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件， 而对此的定量描述既困难又不准确的。宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域， 但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV )， 在REV 上对流体参数和固体参