强化传热传质的现状与展望

1强化传热传质的现状与展望摘要：强化传热传质、增强或强化的科学与工艺已成为传热科学与工程许多方面的重要组成部分。强化传热传质方面的文献综述参考了上千篇文献，其数量仍在上升。这就带来了一个适当设计及应用信息传播的挑战。为了给出这一重要科技现状的总览，本文陈述及评论了强化技术各分支近几年具有代表性的发展。本文献从被动强化技术、主动强化技术及复合强化技术几方面阐述。关键词：调研，单相流，流动沸腾，冷凝，结垢相关术语：CHF临界热通量,[W/m2]Pr普朗特数D凹坑或压痕的直径,[m]q,qw壁面热流,[kW/m2]d管或道的内径,[m]Re雷诺数e波纹或粗糙高度,[m]ΔTsat壁面过热度,[K]H180°扭距,[m]y纽带的扭角(管内径的180°扭距)L管内流动长度,[m]P翅片管翅片间的轴向间距[m]MHF最小热流或莱顿弗罗斯特点[W/m2]希腊符号：δ凹坑或压痕的深度[m]θ液-固界面接触角，[度]1.引言关于强化热交换的第一篇已知论文可能是早在150年前由焦耳（1861）年所发表的。此后，该专业领域在萌芽阶段发展缓慢，但在1950年以后得到了迅猛发展。图1显著描绘出这一领域出版物数量的增长。本汇编（Manglik、Bergles，2004年；Bergles等人，1983）基于一个对期刊论文、会议论文和科技报告(不含专利)的手工搜索①。①电子或基于网络的搜索，鉴于越来越复杂的互联网搜索引擎，虽然预期高产但实际受限于其效率。搜索所生成的清单中有时需对错误引用进行移除或增添纰漏进行手动审核，有时疏漏或所包含的不正确引用可能是十分重大的。关于电子搜索局限性的讨论在这篇文章的后半部分进行阐述并给出搜索结果的样例。2含有一些质量交换方面的相对数量较小的论文，作为热交换技术可增强质交换且反之亦然的一个提醒。每年发表超过约400份出版物（ManglikandBergles，2004），强化热交换是目前科研发展的一个主要部分。据估计至少10%的存档热交换文献是直接关于强化的。鉴于大量的科技信息的存在，对于所有文献进行综述是十分困难的，所以本文的目的在于仅提供对于热质交换领域的目前代表性地位、发展研究趋势以及未来发展潜力的评估。由先前的综述(Bergles等人,1983,1991;Bergles,1998;Manglik,2003)可知,通常将增强技术的不同方法及设备分为两大类：被动方法和主动方法，其由后者需外部力量来发生反应的事实进行区别。其子分类详见表1。此外，同时使用两个或两个以上的技术来增强比单独的任一技术的效果都大，被归为复合技术。对于每项技术的详细分类及功能扩展讨论均已给出（Bergles等人，1983）。如果产生相关分析或信息来指导调研员和/或执行者的工作，则该领域的定期调研应引起注意，因为他们常减轻找寻有效方法及设计数据的负担。虽然20世纪记录了大量调研，但从那时起，只有少量的是详细准备的；Bergles(2001),Manglik(2003),Web和Kim(2005),以及Manglik和Bergles(2004)的扩展综述、评论及专著是一些典范，他们为整个领域提供指导。当然，强化传热期刊——这一领域的旗舰正规备案杂志，创刊于1994年如今已出版20年，汇集了强化热（部分为质）交换各方面的文章。图1对流热质交换方面科技出版物（存档论文及报告）的年发行量（Manglik和Bergles,2004）32.被动技术方面的发展2.1.表面处理这项技术涉及表面精细尺度改变以及面漆涂层（连续或不连续）的应用。可能会会影响单相传热的连续粗糙度高度一般较低，可用于沸腾和冷凝。虽然早期工作着力于在金属表面制造人工核点，而近期工作利用了先进的微电子和微流体装置所开发的生产流程，从不同方式改变表面的微观拓扑结构。正如一篇近期文献综述(Manglik和Jog,2009）中指出，目前的一些工作已考虑将内表面重入腔结构流道的几何形状从毫米修改至微米级别。在一个HFE-7000流量（KuoandPeles,2009）的研究中，发现可减少触发沸腾所需的过热度以及增加传热系数；然而，对于临界热通量（CHF）则无影响。在另一个类似的研究中，Jones等人（2009）报告测试了在底部设有20μm凹坑的硅微通道中所流动的FC-72冷却液。结果发现，相较于平管阵列，恼人的不稳定性几乎完全消除；实际上，这代表热交换的加强。这可能由于常规活化点避免了对普通高度润湿电介质液体的破坏性温度冲击。表1：强化传热措施的分类被动技术主动技术表面处理辅助机械粗糙表面表面振动扩展表面液体振动移动式强化装置静电场旋流装置注射器螺旋管吸引器表面张力装置射流冲击液体添加剂气体添加剂复合强化措施共同使用2种及其以上的被动和/或主动技术例：具有波形翅片的打孔涡旋发电机旋转内翅片管关于这一主题的另一变化是对微通道热表面镀以纳米/微米级的膜。经如此处理表面的微通道沸腾传热会有所增强，在此基础上将丙烷（R-290）作为工质的近期的另一个实验也已实施(Vasiliev等人,2012)。Xu等人（2012）针对含有U型和V形槽（多孔表面空腔上的结构）的水平金属-泡沫表面水的大容器沸腾的试验数据也予以测试。其结果表明，传热能力的增强与数量、布置及凹槽尺寸而不是其形状有关。4在表面上做出或嫁接微米和/或纳米结构样式可对表面工程产生推动作用，导致了“超亲水”（接触角μ5°-10°）或“超疏水”（μ150°）表面的制造（Manglik和Jog2009;Drelich和Chibowski,2010）。不同的涂层、蚀刻、表面照射和基于等离子体的处理等方法已被采用（Manglik和Jog2009;Drelich和Chibowski,2010;Manglik,2006;Rioboo等人,2009;Spori等人,2008;Takata等人,2003,2009;Kim等人,2011;Kananeh等人,2010）然而许多表面应用已提出，但只有少部分的传热实验得以实施。在一个实例中，通过在一个原本亲水的玻璃硅板制成的矩形微通道上嫁接不光滑疏水性表面，来控制成活化点的位置以达到控制强化初期流的沸腾。改进表面的润湿性或亲水性（小θ），有利于从核心沸腾到膜态沸腾的相变过程。Takata等人(2009)讨论了后一现象，是在炼钢过程中，与喷雾冷却的热板连接的等离子体辐射下的金属表面上的现象。这种类型的表面处理也可被用来促进膜状凝结。例如，在换热器管中被用来进行空气除湿，由于该种方式不易造成通道内凝结水的堵塞，故膜状凝结是一个不错的方案。此外，在早期的温控大容器沸腾实验中，Takata等人(2003)发现高亲水性的表面上的沸腾传热过程得到很大程度上的强化，该表面通过在加热器表面溅镀TiO2涂层（催化剂）并将它曝光于紫外线下以产生一个“可转换”的亲水表面(ManglikandJog,2009)。如图2所示是他们的典型成果，展现了强化未镀膜加热器上的水换热时，核心沸腾、CHF和最小热流(MHF)等值的变化情况；CHF增长了近两倍而MHF的温度也升高了近100K。另外，超疏水表面适于促进滴状冷凝。这种形式的相变导致了膜状凝结过程中对于冷凝系数的一系列幅度的改进。Kananeh等（2010）讨论了在在一束不锈钢管中注入等离子体离子而形成高疏水性的这个过程。污垢沉积由于增加热阻而导致传热能力的下降，任何减缓结垢的方法均可视为对传热的强化。实现这一目标的方法是改变表面润湿性或降低其表面能。在一项近期研究(Al-Janabi等人,2011)中说明了采用可溶性膜、水性膜和无电镀膜的CaSO4最小沉积量。其中，可溶性膜在25小时的测试时间中具有最低的污垢热阻。不幸的是，许多湿润或者非湿润的处理措施的效果都将会随着时间而降低。这是应用非润湿性脂肪酸或油去促进滴状凝结这种经典方法所遇到的相同的问题。用于促进湿润性状的改进纳米材料和类似的非降解性涂料的使用如，用聚四氟乙烯产生非湿润表面（中等温度下）可以为处理表面提供长期稳定的性能。当然，涂料的热阻必须考虑在内。52.2.粗糙表面粗糙表面产生于许多形式，从随机砂粒粗糙度到离散状突起。这种形式通常用来扰乱粘性底层，而不是用来增加传热面积。应用粗糙表面主要用来指导紊流中的单相强制流。在这种背景下，四十年前，拉尔夫·韦伯(1971、1972)教授用拥有多重肋片的管道做了些工作，这是一个值得重视的研究前景。一项新的发展是在燃气轮机部件里使用带凹坑的表面。最能提起人兴趣的是这种不寻常的行为：伴随着压降的低百分率增长，换热在增加。几何参数的数量很大，然而，仍然缺乏全面的相关性。Burgess和Ligrani(2005)在其他几何参数和流动参数不变的情况下，对浅坑深度对平均传热系数的影响进行了实验研究。只有一平面有凹坑，并且有130处缺口，以便于表现出较好的平均性能。对于一系列湍流雷诺数，传热量随着浅坑的深度随直径(δ/D)从0增加到0.3的增加而增加。然而，对于不是很严重的凹坑(δ/D)=0.1和0.2，传热增加程度高于压降。在一项计算研究当中，Lee等.(2012)探索了这种粗糙表面结构里同轴和交错布置的凹坑阵列并且惊人的发现这种凹坑能够提供更好的性能。Nishida等.(2012)解决了一个有关凹坑表面对流换热测量的重要问题，即当使用瞬态测量技术时三维热导效应在表面的补偿问题。图2温控实验中超亲水热表面大容器沸腾的强化换热措施（Takata等人，2003）62.3.扩展表面扩展表面或者散热翅片通常用在很多换热其中，用来增加换热面积，尤其是在热阻较高的一边。这是应用最广泛的一种形式，这并不令人惊讶(Manglik和Bergles,2004)。提高换热器性能这项工作特别有趣的地方在是通过塑形或表面穿孔来直接提高扩展表面的换热效率。倾斜的类似于百叶窗的换热翅片就是这类变化的一种,Joen等.(2011)描述了这种变化的复杂性。图3所示的就是六种不同的装有类似百叶的换热翅片的不同排列方式。为了研究这种形式的流体动力特性，同同时做了实验（水管；20:1的扩展模型）和数值模拟。结果显示在低雷诺数的情况下非稳定流动将会产生优越的传热性能。本研究是新表面在未来如何发展的一个例子。特别的，这个前期工作科可以在精心策划的热压-液压试验中有复杂制造工艺的具有常规尺寸的模型建立之前完成。扩展表面，热别是pin-fin这种排列方式，也已被作为一种加强汽轮机涡轮叶片冷却的方法来考虑，并且这项研究一直引起研究人员的注意力(Xie和Sund´en,2011)。在一个新的技术进展中，一种为加强圆管表面薄膜冷凝的花瓣状的换热翅片的排列方图3六种不同配置的斜装有类似百叶的肋片流动显示和数值模拟(T'Joen,2011);流向从左到右。7式被提出来。优化后的花瓣状换热翅片形式的紧凑换热核心同样得到研究人员的持续关注(Lindstedt和Karvinen,2012)。此外，极具争议的换热翅片传热效率和模拟排列形式为盘状的肋片的在适当热环境下的效力问题在最近的另一个研究里面有所涉及(Manglik等.,2011)。2.4.移动式强化装置此类装置被插入到流道内以达到在加热表面间接强化传热的目的。其中一种表现形式是在紧凑换热器上添加翼状突出。如图4所示，这种方法无论是在板翅式还是管壳式传热器中都能实现（MustafaAkbari等，2009；Sachdeva等.,2010;Hu等，2011）。图4使用punched-tab涡旋发生器(a)一倾斜表面有三角形翅片和矩形翅片的平肋片换热器(Sachdeva等，2010)，和(b)肋片表面下游有一对三角形翅片的管式肋片换热器(Hu等，2011)8当流体经过这些装置后产生流动脱离区并形成涡旋，从而强化了传热，因此这些装置也被定义为扰流元件。装置自身可以被认为是“置换式”的。Sachdeva等(2010)对气流在一个三角板翼式换热器中经过其中的矩形扰流元件的每一个斜面时，不同倾斜角度对顺翼展方向的平均努谢尔数的影响进行了数值分析，如图4（a）所示。研究表明当冲角为26°时，顺翼展方向的努谢尔数会比水平通