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强化传热传质的现状与展望
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。
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。
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）
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。
2.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。
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μ<5°-10°）或“超疏水”（μ>150°）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。
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）
1.
2.
2.1.
2.2.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。
2.3.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
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）
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）。
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道下的高35%，而压降预测会高出20%。
在实际操作中，每个加热表明上需要用到多种流体以使传热强化更为均匀。
与之类似，Hu等（2011）对配置成对三角扰流元件的管式换热器上的热工水力行为进行了模拟，如图4（b）所示。
他们对四排管片式换热器中的空气湍流流动数值分析结果表明其平均努谢尔数提高了约40%，与之相关的摩擦系数提高了约60%；相对流动方向，三角扰流元件的最优倾角被确定为45°。
目前针对多空材料嵌件的强化传热方式已有相当多的研究（如金属泡沫材料等）。
虽然嵌件的热传导和热对流是有效的，但却非常复杂。
嵌件和通道表面的强烈影响会使实际情况更加复杂。
尽管如此，Razani等（2001）等人依然提出了相关的模型。
由于流体阻力较高其流速必须被保持在较低水平。
在另一个例子中，Garrity等（2010）试图在一个板翼式换热器中使用铝泡沫和碳泡沫。
相对百叶式核心来说，采用碳泡沫不仅提高了单位体积传热率，也提高了传热的整体质量和压降损失。
要注意将泡沫嵌件分类为“置换式”其实并不准确，因为它们的结构也有“粗糙表面”和“扩展表面”的因素。
图5孔口下游的空泡流（Schneider等，2006）.
有一个不常被提到的置换式嵌件，是通过在每个通道设置进入孔板以稳定微通道中的流体传热。
由此产生的缩流断面会导致一段很长的流体扰动，如图5所示。
Schneider等（2006）发现在一个水力半径为50，装有气流限制装置，面积比为18%的通道中，水力空化对单向传热强化效果显著（约67%）。
预计这种强化在长通道中会减小，而在流体沸腾情况下会显得微不足道，除非是在非常短的通道内。
Sykes等（2010）演示了将沸腾通道从上游可压缩容积中隔离后的孔板传热稳定情况。
他们发现用入口限制的方法来稳定流体传热，其临界热流密度最多可增加7倍。
2.5.旋流装置
涡流装置包括多个排列整齐的几何导管或用于强制流动，创造旋转和/或二次流的插入管。
一些例子包括扭带插入，入口螺旋叶片或静止推进器，有螺旋式缠绕的轴芯，轴向扭曲的非圆管，等等。
这些类型当中，扭带，能够在内管流的轴向产生中心涡流，仍然是单项流和双相流应用和研究最广泛的一种装置。
图6微量可调的有机合成螺旋扭带（Chen等，2009）
对于有强化传热传质特点的微型发明装置来说具有重要意义的进步是产生有可调螺距有机微扭带的能力（ManglikandJog,2009;Chen等,2009）。
图6中描述了一种为潜在光电工程研究的生化合成纽带形态样例。
然而，目前没有统计到有将这种纽带应用到任何可行微型装置中的传热或传质研究，这也许表明对于研究者或工程师来说，发展研究这类换热装置是一个新的迫切的挑战。
另一种促进轴向涡流的方法是切向或螺旋扰动管道内表面的流体流场。
Bishara大量地分析了扭曲螺旋管增强的性能，见图7。
在相同的横截面长宽比和水泵功率下，扭曲螺旋管拥有比直螺旋管高2.0~2.5倍的Nu。
然而，与内部有纽带的管道对比，这种性能增强的程度要小一些。
但是在另一项计算研究中，粘性流体（5≤Pr≤100）通过轴向扭曲的矩形管道的层流运动已近被考虑在内。
在水泵持续运转的基础上，此类管道可以维持比直管道高2.4~13倍的换热效率，这取决于横截面的长宽比和扭曲度。
同时，根据特定管道形状及流体普朗特数的限制，我们对表面积进行了50%-90%的削减，来修正热负荷以及压降。
图7轴向扭曲椭圆管的几何图形和涡流现象（Bishara等，2009）
由切向流进入热流通道内部形成的两种非常规用法的旋流已经被考虑用来强化传热传质能力。
通过切向扰流热空气和豆渣的两相混合流，一项关于蔬菜中的豆腐提取、干燥、蛋白质提取（包含传热和传质）被发现有明显的提高。
相似的，在一个喷淋洗涤器中，通过引入涡旋流，从废气中吸取二氧化碳的能力增强，经由切角进入喷淋洗涤器腔内和流体管道内，这种吸收能力又一次增强。
在这种情况向，整体气相传质系数根据相关报道已经有33%~到35%的提升。
2.6.螺旋管
图8微型涡流管的原理图（Xi等，2010）
螺旋管的使用使得换热器都变得紧凑。
二次流导致更高的单向流传热系数和改善大多数沸腾形式。
在Xi等（2010）的研究当中，蛇形水管（水力直径0.3~0.8毫米）被加工成铜质基础，如图8.相比直管道，这些“漩涡式微通道”能够提高单项流传热系数约50%。
2.7.表面张力装置
这种强化技术包含能够在沸腾或者冷凝作用中引导流动液体的毛细表面和槽状表面。
有很多装置的性状表现出毛细流动，并且也有可能包含在其它形式当中。
Kim等（2010）认为“蒸汽室”最有可能作为散热器/导热器用于微电子组件冷却当中。
如图9所描述，毛细管包含传统的具有高渗透率的铜网格和carcarbon纳米管。
这种网格通常会降低毛细作用，但此时的毛细作用由纳米管建立。
这就导致系统热阻降低，传
图9利用铜管簇与碳纳米管形成的蒸汽室的示意图（散热器和/或导热器）（Kim等，2010）
热能力增强。
2.8.液体添加剂
液体添加剂包括固体颗粒、液体痕迹、可溶性物质（例如,试剂和聚合物）,和气泡等。
各种各样的微粒悬浮、胶体和/或液体混合物系统同时应用于沸腾和单相强迫对流。
最近在这一领域的活动广泛关注纳米离子的使用，并且相当一部分的换热工作是由纳米流体完成的。
他们是些固体分散体或胶体悬浮液,不溶性纳米颗粒（1–100纳米）在基本液体里。
注意一种形式的换热方式，据报道这表明Kim等（2009）已经在纳米粒子的强制对流沸腾方面做了研究。
用氧化铝水溶液之后，低温冷却的临界热通量最大提高了53%。
粒子的大小约为50纳米,浓度是<0.1%。
只在较高的质量流量方面做了改进（2000–2500kg/m2s）。
一些纳米粒子的增强是由于沉积在加热表面将流体的。
而推断饱和条件是有风险的,预计表面张角从80°减少到大约30°。
用数值法推断饱和条件是危险的，它期望流体在合适的范围内，流体热通量会因为湿润性极高的表面稳定的液膜而增加。
尽管这是一个严重的问题，比如说在低速时性能增强的能力可能有所缺乏，但是很多这类换热器还在运行。
为了产生一个稳定的和分散的纳米颗粒的混合物，一种由商业聚酯润滑油做成的润滑油纳米材料，~10纳米Al2O3纳米微粒和一种以商业的表面活性剂作为分散剂的R134a在最近的另一项研究中被考虑（Kedzierski,2011）。
这个试验包含这种纳米冷冻油和制冷剂的混合物在一个粗糙的水平表面上的池内沸腾用。
据报道有明显的强化作用，但是只有十分低的热通量（<40kW/m2）；高热通量取决于粒子浓度，然而，由于制冷剂和润滑油混合物没有纳米粒子，甚至会造成沸腾换热恶化。
在描述由纳米粒子增加而造成强化作用改变时，当制冷剂和润滑油的混合物的影响（混合物没有粒子）已近在数据处理时隔离时，表面活性的影响问题尚未解决。
图10电热圆管表面在不同蒸馏水和HECQP-300在不同摩尔浓度下的现象（Athavale等，2012）
添加试剂、表面活性剂和/或低浓度水的表面活性聚合物是另一种强化沸腾换热的方法，该方法引起了（Manglik,2006;Athavale等,2012;Zhang和Manglik,2005;Hetsroni等,2006）的兴趣。
在最近的一项实验中，用电加热的水平管道加热器（Athavale,2012），当热通量在4.0~200千瓦/㎡，池内沸腾增性能增加了约20%。
在较高的浓度下，2.5-4.0×109mol/cc，然而，在较低的热通量下，换热量降低（初期和局部沸腾），在较高的热通量下（充分发展泡核沸腾），换热量增加约45%。
这是归因于复杂的相互作用改变了液-固湿润性，气液界面整理动态变化。
典型的摄影记录在水的临界通量QP-3OO，在不同浓度下电加热圆管表面的状态见图10，界面变化的影响是显而易见的。
有人建议，湿润的和界面张力可以被退耦和控制（Manglik和Jog,2009;Manglik,2006），并且设计师“试剂或生物聚合物可以合成，用来强化或控制沸腾作用。
2.9.气体添加剂
气体添加剂是指气体液滴（喷雾）或固体颗粒物，可以是稀相（气-固悬浮物）或致密相（流化床）。
关于喷雾冷却的文献十分多。
作为对这一普遍方案的改变，Alam等（2010）在不同浓度和表面活性度的去离子水中加入了多种盐。
试验中发现增加盐的浓度能够增加Leidenfrost点，伴随着膜状沸腾的降低，意味着雾化喷雾淬火冷却中将有更高的平均传热系数和更快的冷却速度。
3.主动技术的发展
3.1.辅助机械
图11刮刀的几何形状
在这个技术中，流体可以通过机械作用来搅动或者表面可能会旋转。
另一个变化是表面“刮”，广泛用于化学工业中批量处理粘性液体。
在这里引用一个例子：
Solano等（2011）设计了一个客观式换热器管道内部的自洁装置。
该技术的原理见图11，安装了一个往复式的杆子来彻底清洁管壁。
流体通过图上所示的开放空间。
除了因预防污垢增加了传热，由于这些元素的存在加强了扰动，同样使得传热能力增加。
当刮刀在具有平均流速的液体里移动时，传热增加了140%，但是压降却增加了150%。
3.2.表面振动
表面振动，在低或高的频率下，主要用来提高单向流的传热能力。
这种情况只能出现在特定的情况下，因为足够的振幅将会形成共振，从而在影响传热的同时会损坏换热器本身。
Park和Kim（2010）在一个自然对流空气冷却散热器的肋片上附件了一个压电致动器。
真如所预期的，随着振幅和振动频率的增加，换热系数也随之增加。
当系统在谐振的频率下被驱动时，传热性能达到最优状态。
一般情况下，可以通过开关热消耗模式来强制对流以获得与振动表面等效的热收益。
3.3.液体振动
流体振动是振动强化传热技术的一种实际类型，因为大量的换热器都在应用这种技术。
振动频率从1赫兹的脉动到超声波。
这里有个例子，Bartoli和Baffigi（2010）通过用脱气过冷水在汽缸冷却中实现超声波振动。
在超声换能器与加热器十分靠近这种过冷沸腾条件下，传热能力强化约30%。
再次，可以通过低速强制流获得进一步的提高换热能力。
3.4.静电场
静电场（直流或交流）可以以很多不同的方式应用在电解质液体当中。
一般来说，静电场可以直接造成更大的体积混合或破坏换热表面附近的流体，这能够强化传热能力。
尽管在几十年前有很多的研究，但是近些年的研究都集中在用静电促进流体流动而不是用泵。
例如最近的一项传热研究，Eronin等（2010）报道了在液氮池沸腾的肋片表面采用强静电场。
泡沫破裂促进了沸腾过热这一结果。
3.5.注入或吸入
注入是利用提供的气体通过一个有孔隙的换热器进入静止或流动的液体，或者将相似的流体注入到液体当中。
去除液体表面的气体可以产生类似于注入气体的强化作用。
首先，最让人感兴趣的是单项流。
吸入包含在核心和膜状沸腾中的去除蒸汽作用或者流体回流，通过有气孔的换热表面的单项流。
如很多强化技术、应用转向微观或者微通道。
Fang等（2010）研究了接近通道入口的切向射流冲击的效果，通道550毫米宽，毫米米深，26毫米长。
这种所谓的“合成射流”绕过了主流。
喷嘴通过一个压电传动装置振动。
获得的最大换热量大约有42%的提升。
这表面混合喷嘴将会很大程度上强化传热能力，特别是在长管道中。
4.混合技术的发展
在这里，研究的对象是将上述技术两个或两个以上相结合来产生强化作用，这将比单独采用任何技术获得更高的强化作用。
这将是强化传热作用研究的前沿技术。
Neshu
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