受迫對流換熱發生器是一 種用於水加熱裝置的受迫對流換熱發生器，其特徵在於包括底座，在底座的下方設有拱形腔，在底座上設有隔熱外罩，在隔熱外罩與底座圍成的汽化腔內設有調節閥，該調節閥包括閥體，在閥體內設有浮球，在閥體上設有進出水口和進出氣口且進出水口與進出氣口位於浮球的上下兩端，在閥體上設有氣孔，在進出氣口上設有管，該管自汽化腔延伸至隔熱外罩的外部，上述調節閥的底部延伸至底座下方的拱形腔內且進出水口也位於該拱形腔內，在調節閥閥體與底座之間設有環形通道。
基本介紹
- 中文名：受迫對流換熱發生器
- 外文名：Forced Convection Heat Transfer Generator
- 性質：換熱器
- 優點：低壓、安全
- 用途：散熱
- 種類：傳統、新型
背景來源,傳統方案,原理,優點,效率高原因,實施過程,
背景來源
開水壺是典型的大容器燃氣加熱裝置，由於主要通過壺底的熱傳導和熱原進行熱交換，其熱效率很低。日常使用的燃氣熱水器由於採用了管內受迫對流換熱的傳熱方式，實現了即開即熱，滿足人們日常生活需要。即利用水的管網壓力和管壁的幾何形狀，使流體在管內的流動成紊流狀態，強化流體和管壁的熱交換。在這過程中，流體的導熱也是由溫度梯度和熱導率決定的，而熱量的轉移主要依靠流體產生的位移。
傳統方案
為了解決這個問題，通常的做法是設法增大熱傳導面積。例如公告號CN2408798的節能熱水壺專利。該專利的特點是壺體有一個至多個貫穿壺體底部和頂部的通氣孔，當盛水後置於爐具上受熱時，底部受熱，燃燒的火焰可以從通氣孔內往上冒，而孔的四周都是壺體，使熱量得到充分吸收，同時火焰不再從壺體四周向外擴散，避免了熱能的浪費。為了增大傳熱面積，該實用新型對傳統壺體做了很大改動，不僅有損外形的美觀，而且工藝較複雜。儘管其連通底部和頂部的通氣孔形成的火焰通道確能增大熱傳導面積，提高熱效率，但作為尋常百姓家的日用品，卻帶來了使用上的不方便和不安全。
原理
讓熱水壺中靜止的流體在底部傳熱面上流動起來，並且形成紊流，產生受迫對流換熱，熱水壺的熱效率就能和燃氣熱水器媲美，要使達到節能和省時的目的。受迫對流換熱發生器使水流在壺底傳熱面上形成放射狀或匯聚狀的交替流動，隨著加熱時間的延續，其交替的頻率越來越快。無論是放射狀還是匯聚狀流動，又都可以形成三維流動。正是這種三維的，正、反向交替流動狀態下產生的流動慣性，使流體在傳熱面上發生劇烈的瞬間堆積、擠壓和位移，形成紊流，由此在傳熱面上形成強烈的受迫對流換熱。
優點
1.不需藉助外來能源的驅動，即可使熱水壺中原來靜止的流體在壺底傳熱面上流動起來，產生受迫對流換熱。
2.利用壺底圓形傳熱面的幾何形狀進行的結構設計，形成了流體在壺底傳熱面上的獨特流動。即不斷變換正、反方向的匯聚狀或放射狀的脈衝式流動，利用流體運動的慣性，使流體形成紊流，達到強化傳熱的目的。
3.本實用新型是一個開口系統，運行壓力低，不會產生高壓，使用安全。
4.本實用新型沒有任何污染物釋放，不會對水質產生任何影響。
5.結構簡單，製作成本很低，可直接安裝在熱水壺內，無需對熱水壺的結構和外觀做任何改動，易於推廣。
效率高原因
1.本實用新型改變了熱水壺的傳熱方式，由以熱傳導為主改變為受迫對流換熱。熱傳導是由溫差決定的熱量由高溫處向低溫處的自發傳遞。受迫對流換熱是導熱和熱對流聯合作用的熱量傳遞過程，其熱量的轉移主要依靠流體產生的位移。
2.受迫對流換熱的強度主要由流體流動的狀態決定的。當流體的流動成層流狀態時，各部分之間換熱靠導熱方式，換熱過程較緩慢。當流體的流動成紊流狀態時，熱量和動量的傳遞都大大增強，熱量傳遞主要依靠流體本身各部分之間的擾動混合。本實用新型形成的水流在壺底傳熱面上的流動，是在壺底圓形加熱面上方向正反向變化的，呈放射狀或匯聚狀的交替流動，並且隨著加熱時間的延續,其變化的頻率越來越快。在流動慣性作用下,流體在壺底傳熱面上發生劇烈的瞬間堆積、擠壓和位移。因此，流體在壺底傳熱面上的流動一直處於不規則的混亂狀態，即紊流狀態。在這過程中，層流邊界層遭有效破壞，熱阻減小，在傳熱面上形成強烈的受迫對流換熱。
3.由於水流的交替方向的流動，使壺內的波面產生小幅上下波動,同時帶動壺內整個流體的小幅振盪;再加上水流在圓環型導流板外沿的流出和流入形成的入口效應;以及調 壓管內因水蒸氣的擴散產生的相變凝結傳熱都加速了壺內的熱交換。
2.受迫對流換熱的強度主要由流體流動的狀態決定的。當流體的流動成層流狀態時，各部分之間換熱靠導熱方式，換熱過程較緩慢。當流體的流動成紊流狀態時，熱量和動量的傳遞都大大增強，熱量傳遞主要依靠流體本身各部分之間的擾動混合。本實用新型形成的水流在壺底傳熱面上的流動，是在壺底圓形加熱面上方向正反向變化的，呈放射狀或匯聚狀的交替流動，並且隨著加熱時間的延續,其變化的頻率越來越快。在流動慣性作用下,流體在壺底傳熱面上發生劇烈的瞬間堆積、擠壓和位移。因此，流體在壺底傳熱面上的流動一直處於不規則的混亂狀態，即紊流狀態。在這過程中，層流邊界層遭有效破壞，熱阻減小，在傳熱面上形成強烈的受迫對流換熱。
3.由於水流的交替方向的流動，使壺內的波面產生小幅上下波動,同時帶動壺內整個流體的小幅振盪;再加上水流在圓環型導流板外沿的流出和流入形成的入口效應;以及調 壓管內因水蒸氣的擴散產生的相變凝結傳熱都加速了壺內的熱交換。
實施過程
1.在熱水壺中水位差的作用下，水流沿導流板，經壺底傳熱面，通過拱形腔，從環形通道進入汽化腔中的存水盤。此時，浮球處於調節閥的下方，調節閥上的管呈開啟狀態，汽化腔內外氣體壓力平衡。
2.隨著水位升高，浮球不斷上升，當水位達到設計高度時，在浮力作用下，浮球關閉調節閥上的管，汽化腔處於密閉狀態，水蒸氣分壓力升高並趨向該溫度點的飽和壓力，致使汽化腔內混合氣體的壓力升高。
3.在汽化腔內氣體壓力的作用下，存水盤中的水流通過環形通道反向流出，在導流板的約束下，在傳熱面上呈放射狀向四周流動。此時，在水壓作用下，浮球一直處於調節閥的上部，關閉住調節閥上的管。
4.當水位低於環形通道時，在壓力作用下，致使拱形腔內的水流繼續向四周流動，直至水位低於調節閥的進出水口時，浮球脫離調節閥上的管。這時，汽化腔內處飽和狀態的水蒸氣通過調節閥上的小孔,經調節閥上的管向壺內擴散，並在該管內發生相變，向壺內凝結傳熱。汽化腔內外壓力又趨向平衡。
5.在水位差作用下，水流又由四周經導流板向拱形腔中心匯聚流動，並經環形通道進入汽化腔中的存水盤，又一循環開始。
6.裝置的啟動有一個預熱過程，約需要2-3分鐘。由於裝置特殊的對流換熱功能，一經啟動，進入汽化腔的水流溫度很快就會升高，使汽化腔內一直保持較高的運行溫度，從而形成足夠的壓力差，驅使水流反向流動。
2.隨著水位升高，浮球不斷上升，當水位達到設計高度時，在浮力作用下，浮球關閉調節閥上的管，汽化腔處於密閉狀態，水蒸氣分壓力升高並趨向該溫度點的飽和壓力，致使汽化腔內混合氣體的壓力升高。
3.在汽化腔內氣體壓力的作用下，存水盤中的水流通過環形通道反向流出，在導流板的約束下，在傳熱面上呈放射狀向四周流動。此時，在水壓作用下，浮球一直處於調節閥的上部，關閉住調節閥上的管。
4.當水位低於環形通道時，在壓力作用下，致使拱形腔內的水流繼續向四周流動，直至水位低於調節閥的進出水口時，浮球脫離調節閥上的管。這時，汽化腔內處飽和狀態的水蒸氣通過調節閥上的小孔,經調節閥上的管向壺內擴散，並在該管內發生相變，向壺內凝結傳熱。汽化腔內外壓力又趨向平衡。
5.在水位差作用下，水流又由四周經導流板向拱形腔中心匯聚流動，並經環形通道進入汽化腔中的存水盤，又一循環開始。
6.裝置的啟動有一個預熱過程，約需要2-3分鐘。由於裝置特殊的對流換熱功能，一經啟動，進入汽化腔的水流溫度很快就會升高，使汽化腔內一直保持較高的運行溫度，從而形成足夠的壓力差，驅使水流反向流動。
