高等传热学论文

1、传热学的应用及最新进展多相表面的沸腾换热Xx xx（长沙 410083）摘 要：多相系统及过程中存在很多不同的界面，这些界面（气体、液体、固体）彼此依赖、融合，形成多相表面。相之间的稳定边界企图通过界面自由能值来改变其界面面积，沸腾传热是多相表面传热的很重要部分。沸腾传热技术被广泛应用于热能动力、核电、地热能、太阳能、石油化工、食品及低温工程等传统工业领域以及空间技术和微电子散热等高新技术领域。强化沸腾关键技术的突破可有效提高能源利用率和解决狭小空间内高热流密度的散热难题。纳米多孔铜表面具有高比表面积、优异的热导率、良好的浸润性以及极高的潜在汽泡核心密度，是极具前景的强化沸腾传热表面。本文详细

2、地介绍了多相表面的沸腾传热以及其在一些领域的相关应用。关键词：多相界面；沸腾换热；汽泡;EHD中图分类号： 文献标识码： 文章编号：The application of heat transfer and the latest progressThe boiling heat transfer with multiphase interfacesJIANG Tao(Central south university institute of science and engineering energy ,Changsha 410083)Abstract：In multiphase systems

3、 and processes, many different interfaces can exist, depending upon which state( gas, liquid, or solid) is finely dispersed in another.The stable boundary demarcating this region tends to alter the interface area by virtue of its interfacial free energy, The boiling heat transfer is the most importa

4、nt part of multiphase interfaces heat transfer.Boiling heat transfer technology is widely used in traditional industrial areas, like thermal power, nuclear engineering, solar energy, chemical, food engineering and cryogenic engineering, as well as space technology and microelectronics cooling. The d

5、evelopment of boiling enhancement technology can improve heat transfer efficiency and provide a solution for the heat dispersing problem in small space with high heat flux. The nanoporous copper surface with high specific surface area, excellent thermal conductivity, good wettability as well as a hi

6、gh density of potential bubble nucleate sites, is a promising heating wall for enhancing boiling heat transfer.Key words：multiphase interfaces; boiling heat transfer; steam bubble;EHD0 引言沸腾传热因在较小的过热度条件下可以获得极大的传热系数，在过去 80 余年的时间内一直是研究的热点。目前，沸腾传热技术已被广泛应用于热能动力、核电、地热能、太阳能、石油化工、食品工程以及低温工程等重要工业领域的关键过程。沸腾传热

7、效率的高低直接决定着能源转换或利用效率。另外，近年来在微型化的趋势下，以 CPU 及功率元器件（如电源、大功率 LED 等）为代表的微电子器件集成度的飞速增长带来了器件热流密度的不断飙升，给传统的对流换热冷却方式带来极大的挑战。鉴于提高沸腾传热效率的紧迫性及极大的发展空间，强化沸腾传热一直是国际传热领域中最活跃的研究方向。强化沸腾关键技术的突破将为提高能源利用率、解决微电子领域等狭小空间内高热流密度的冷却难题提供新的手段。沸腾传热和两相流动传热现在的探索是建立在卢克亚麻传热学先驱努力的基础上。Gose 等1提出采用气体介入鼓泡法冲击热边界层的强化传热技术。其强化换热物理模型如图 1所示，通过强

8、迫气体通过多孔换热表面，从而在近壁面热边界层内造成人为的汽泡扰动。图1异气介入强化传热示意图Kim 等在该领域做出了突破性的贡献，他们在纳米流体沸腾实验中发现加热壁面上有纳米颗粒沉积层的生成该纳米颗粒层可以有效改善壁面的浸润性（即降低静态接触角）。他们发现加热壁面纳米颗粒沉积形成的表面纳米多孔层可引起传热壁面浸润性的变化，并最终决定临界热流密度的提高。自从 Jacob 等人2的开创性研究开始，传热壁面的表面结构对于沸腾传热性能的决定性影响被世人所认识。Kurihara 和 Myers5实验研究了表面粗糙度及液体过热度对沸腾传热系数的影响。他们通过对核化中心的数量可视化观察以及定量化测量加热表面

9、的粗糙度指出活化核化中心的数量随加热面粗糙度的增加而增长。Griffith 等对核化中心的研究做出了杰出的贡献。1沸腾传热机理研究对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础,已有的研究表明,影响汽泡状沸腾传热的主要因素有：（1）流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多,汽泡脱离频率增大,因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小,则汽泡脱离频率增高,因而能增强沸腾传热。（2）换热面布置及形状的影响当换热面为水平平板且由上向下放热时,由于汽泡不易从换热面上散出,因而传热系数低于换热面由下向上放热的情况。对水平放置的管束,由于上升的蒸汽在上部流速较大,引起了附

10、加扰动,因而位于其上部管子的传热系数比下部管子的传热系数高。此外,换热面和容器的几何形状,对汽泡运动和沸腾传热均有影响。通过积累,人们开始认识到强化传热表面的设计应从三个方面着眼:第一是增加汽化核心的数量,并提高这些汽化核心在整个沸腾过程中的稳定性;三.是在不增加基体表面积的前提下,增加受热表面的被润湿面积,即相当于增加传热面积;三是改进传热机制,提高它们的效果。同时,还必须考虑是否易于大规模生产和制造成本等问题。现有的池沸腾传热强化方法主要从增加汽化核心数和提高汽泡脱离频率两方面来强化沸腾传热过程。研究的方法主要有表面粗糙法、表面特殊处理法、扩展表面法、添加剂法、机械搅拌法、振动法、静电场法

11、和抽压法等。图2显示了气-液-固三相表面属性对沸腾传热的影响，气泡核心的相变过程十分复杂，主要性能决定因素与固液界面的瞬态行为有关，在气泡动力学中，除了表面张力，切应力在气液界面和粘性交互过程中也扮演着重要角色。3图2 气-液-固三相表面属性对沸腾传热的影响沸腾表面的凹坑，是产生气泡的核心。 随凹坑的增多， 沸腾换热会有所加强。在这些表面中,微结构化表面强化传热能力最显著,经济效益最高,因而也最受关注。拥有微结构化表面的换热管己经有较为广泛的工业应用。微表面如图3所示。其中：高通量”(HighFlux)表面由直径10100的金属颗粒经烧结工艺形成；多孔表面。多孔层厚度为25mm左右,孔隙率为5

12、065%；.“Thermoexcel-E”表面。在翅片管的基础上加工而来,形成内凹形孔穴与互联通的通道,孔径约100 m；Turbo-B表面，对翅片管的翅片进行滚压,形成内凹形孔穴；Gewa-T表面，类似Turbo-B表面,由德国的Wieland公司生产。图3 （a）高通量表面（b）Thermoexcel-E表面 （c）Turbo-B表面（d）Gewa-T表面（e）Gewa-TX表面（f）Gewa-TXY表面2新型强化沸腾传热技术（EHD）电水动力学(Electrohydrodynamic,简称 EHD)强化换热是指在换热表面的流体中施加一电场,利用电场 流场和温度场之间的相互作用达到强化传热

13、效果的一门新型传热强化技术.早在 1916年 Chubb5就发现EHD对传热有强化效果,但是对EHD强化换热的定量分析研究从 60 年代才开始. 80 年代以前EHD技术主要针对膜态沸腾换热进行了研究, 以期望提高核态沸腾的极限热流密度. 90 年代以后,EHD技术得到迅速发展,在这段时间里,它主要针对管外强化池沸腾进行了研究。到目前为止,分析EHD 强化传热的机理,往往从流体所受的电场力着手。在电场作用下,流体所受的力是电场(均匀或非均匀)对单个离子或者对偶极子的作用. Panofsky 和 Philips6根据电磁学理论,得到电场中的流体所受的电场力 Fe 为：式中第一项称为库仑力或电泳力

14、，电泳力的方向取决于自由电荷的极性和电场方向；第二项称为介电电泳力；第三项称为电致伸缩力。在两相传热中,即沸腾和凝结中,EHD 对传热的强化作用主要是由电场对汽泡的力和作用于汽 液界面上的力等因素单独或综合影响的结果4。在 EHD 核态沸腾和膜态沸腾中,EHD 力对汽泡层产生扰动,使膜态沸腾向核态沸腾转化. 总的来说,由电场产生的扰动导致了传热表面换热热阻的减小,从而使得换热系数得到数倍的提高.具体研究概括如下：1.由于 Maxwell 应力的作用导致加热表面蒸汽汽泡的运动，蒸汽汽泡被压在换热表面上,增加了汽泡表面与换热面接触的薄膜面积。2. 在非均匀电场中,电场力对汽泡的作用并不一定垂直指向

15、管壁,因此电场对汽泡有 横向作用,即电场力也使汽泡作横向运动,破坏热边界层,减小了热边界层的厚度和热阻。从传热强化的机理上看,流体在电场中包含带电粒子极性分子非极性分子以及汽液界面等. 这些组分在电场中的受力情况各不相同 ,受力以后产生的运动又相互作用,电场影响流场,流体中的温度梯度使流体的导电系数发生变化,从而产生空间电荷; 温度场影响了电场,同时空间电荷在电场中的运动又影响了流场. 因此 ,EHD强化换热的机理非常复杂. 目前的研究认为电场对汽泡的力是沸腾强化换热的主要因素,该力使汽泡产生变形 破碎 粘合等运动,对边界层产生扰动是换热得到强化的最直接的原因.3沸腾强化传热面临的挑战3.1

16、纳米表面结构强化传热挑战纳米表面结构已经显示了极富吸引力的强化沸腾传热应用前景。然而，作为一个崭新的课题领域，尚有许多问题有待分析和解决。首先，由于加热表面的沸腾传热性能受表面几何形貌、固液接触特性、相界面传热传质以及加热方式、系统压力、汽液物性等多种相互联系因素的耦合影响，要全面理解表面结构强化沸腾传热机理并建立较完善的沸腾传热模型是一项非常艰巨的工作。目前对于纳米结构表面的沸腾传热性能研究主要处于定性的实验研究阶段，其深层的作用机理尚不明确。为了解释在已经报道的研究工作中出现的一些偏离甚至是矛盾的结果，进一步理解纳米尺度表面结构强化沸腾的机理，更多的具有不同纳米特征的强化传热表面需要被制备

17、和测试。因此，简单灵活的纳米表面结构的制备工艺被迫切需求。其次，纳米表面强化结构在沸腾实验环境中的稳定性问题虽已有报道，但尚未引起研究者足够的重视。纳米表面多孔结构在水热环境中的稳定性以及孔径演化规律尚没有系统的研究报道，且纳米多孔结构孔径的变化对与强化沸腾传热性能相关的壁面关键物化特性的影响有待深入研究。3.2 EHD强化传热挑战虽然 EHD 强化传热的研究在最近的十几年中得到了很大的发展,取得了可喜的进展,但我们也不得不注意到在该领域的研究还存在如下一些有待解决或有待突破的问题。（1）到目前为止, EHD强化沸腾传热的机理尚未能完全被揭示出来. 虽然不同的学者提出了各自的分析结果,但这些结

18、果无法用统一的理论来解释和描述,也无法解释所有的现象,而且有些理论之间还存在相互矛盾之处。（2）到目前为止,大多数研究主要关注的是外场的作用及工质的热物性的影响,而未针对工质的电物性(电导率、介电常数、分子极性、电离程度等)进行研究,更谈不上将工质的热物性 电物性与外场和外部其他有关参数结合起来的研究了。4结论与建议追寻科学的道路上，问题与挑战总是会伴随着技术或理论的进步而产生，而当这些问题与挑战被解决时，科学又将达到另一个高度。因此，有问题和挑战并不可怕，科学的道路不是一帆风顺的，在多相界面沸腾传热也是如此。由于相变传热现象本身就十分复杂,在引入电场后,由于电场对传热过程 流动过程及汽泡产生作用过程相互影响,使得对 EHD 强化传热的机理分析更加困难 ,再加上对该领域研究的历史较短,因此 EHD 强化换热的研究还有大量进一步的工作要做. 从前面所给出的结论来看,今后的主要研究方向应从理论和试验上揭示 EHD 强化沸腾传热的机理和复合场之间的协调理论。而在纳米表面结构传热中，纳米表面结构的制备将是需要努力的方向，特别是微纳米表面结构的稳定性及其在沸腾传热过程中的形貌演变将对传热性能造成重要影响，需要给与足够的重视。参考文献 (References)1 Gose E.E., Peterson E.E., Acrivos A. On the rate of heat transfer