高等傳熱學論文

1、傳熱學的應用及最新進展多相表面的沸騰換熱Xx xx（長沙 410083）摘 要：多相系統(tǒng)及過程中存在很多不同的界面，這些界面（氣體、液體、固體）彼此依賴、融合，形成多相表面。相之間的穩(wěn)定邊界企圖通過界面自由能值來改變其界面面積，沸騰傳熱是多相表面?zhèn)鳠岬暮苤匾糠?。沸騰傳熱技術被廣泛應用于熱能動力、核電、地熱能、太陽能、石油化工、食品及低溫工程等傳統(tǒng)工業(yè)領域以及空間技術和微電子散熱等高新技術領域。強化沸騰關鍵技術的突破可有效提高能源利用率和解決狹小空間內高熱流密度的散熱難題。納米多孔銅表面具有高比表面積、優(yōu)異的熱導率、良好的浸潤性以及極高的潛在汽泡核心密度，是極具前景的強化沸騰傳熱表面。本文詳細

2、地介紹了多相表面的沸騰傳熱以及其在一些領域的相關應用。關鍵詞：多相界面；沸騰換熱；汽泡;EHD中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：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 引言沸騰傳熱因在較小的過熱度條件下可以獲得極大的傳熱系數(shù)，在過去 80 余年的時間內一直是研究的熱點。目前，沸騰傳熱技術已被廣泛應用于熱能動力、核電、地熱能、太陽能、石油化工、食品工程以及低溫工程等重要工業(yè)領域的關鍵過程。沸騰傳熱

7、效率的高低直接決定著能源轉換或利用效率。另外，近年來在微型化的趨勢下，以 CPU 及功率元器件（如電源、大功率 LED 等）為代表的微電子器件集成度的飛速增長帶來了器件熱流密度的不斷飆升，給傳統(tǒng)的對流換熱冷卻方式帶來極大的挑戰(zhàn)。鑒于提高沸騰傳熱效率的緊迫性及極大的發(fā)展空間，強化沸騰傳熱一直是國際傳熱領域中最活躍的研究方向。強化沸騰關鍵技術的突破將為提高能源利用率、解決微電子領域等狹小空間內高熱流密度的冷卻難題提供新的手段。沸騰傳熱和兩相流動傳熱現(xiàn)在的探索是建立在盧克亞麻傳熱學先驅努力的基礎上。Gose 等1提出采用氣體介入鼓泡法沖擊熱邊界層的強化傳熱技術。其強化換熱物理模型如圖 1所示，通過強

8、迫氣體通過多孔換熱表面，從而在近壁面熱邊界層內造成人為的汽泡擾動。圖1異氣介入強化傳熱示意圖Kim 等在該領域做出了突破性的貢獻，他們在納米流體沸騰實驗中發(fā)現(xiàn)加熱壁面上有納米顆粒沉積層的生成該納米顆粒層可以有效改善壁面的浸潤性（即降低靜態(tài)接觸角）。他們發(fā)現(xiàn)加熱壁面納米顆粒沉積形成的表面納米多孔層可引起傳熱壁面浸潤性的變化，并最終決定臨界熱流密度的提高。自從 Jacob 等人2的開創(chuàng)性研究開始，傳熱壁面的表面結構對于沸騰傳熱性能的決定性影響被世人所認識。Kurihara 和 Myers5實驗研究了表面粗糙度及液體過熱度對沸騰傳熱系數(shù)的影響。他們通過對核化中心的數(shù)量可視化觀察以及定量化測量加熱表面

9、的粗糙度指出活化核化中心的數(shù)量隨加熱面粗糙度的增加而增長。Griffith 等對核化中心的研究做出了杰出的貢獻。1沸騰傳熱機理研究對汽泡的成因和運動規(guī)律的研究是掌握沸騰原理和探討沸騰傳熱強化方法的基礎,已有的研究表明,影響汽泡狀沸騰傳熱的主要因素有：（1）流體特性參數(shù)的影響汽體壓力增高能使汽化核心增多,汽泡脫離頻率增大,因而能使沸騰傳熱增強。流體與換熱表面的接觸角小,則汽泡脫離頻率增高,因而能增強沸騰傳熱。（2）換熱面布置及形狀的影響當換熱面為水平平板且由上向下放熱時,由于汽泡不易從換熱面上散出,因而傳熱系數(shù)低于換熱面由下向上放熱的情況。對水平放置的管束,由于上升的蒸汽在上部流速較大,引起了附

10、加擾動,因而位于其上部管子的傳熱系數(shù)比下部管子的傳熱系數(shù)高。此外,換熱面和容器的幾何形狀,對汽泡運動和沸騰傳熱均有影響。通過積累,人們開始認識到強化傳熱表面的設計應從三個方面著眼:第一是增加汽化核心的數(shù)量,并提高這些汽化核心在整個沸騰過程中的穩(wěn)定性;三.是在不增加基體表面積的前提下,增加受熱表面的被潤濕面積,即相當于增加傳熱面積;三是改進傳熱機制,提高它們的效果。同時,還必須考慮是否易于大規(guī)模生產(chǎn)和制造成本等問題?，F(xiàn)有的池沸騰傳熱強化方法主要從增加汽化核心數(shù)和提高汽泡脫離頻率兩方面來強化沸騰傳熱過程。研究的方法主要有表面粗糙法、表面特殊處理法、擴展表面法、添加劑法、機械攪拌法、振動法、靜電場法

11、和抽壓法等。圖2顯示了氣-液-固三相表面屬性對沸騰傳熱的影響，氣泡核心的相變過程十分復雜，主要性能決定因素與固液界面的瞬態(tài)行為有關，在氣泡動力學中，除了表面張力，切應力在氣液界面和粘性交互過程中也扮演著重要角色。3圖2 氣-液-固三相表面屬性對沸騰傳熱的影響沸騰表面的凹坑，是產(chǎn)生氣泡的核心。 隨凹坑的增多， 沸騰換熱會有所加強。在這些表面中,微結構化表面強化傳熱能力最顯著,經(jīng)濟效益最高,因而也最受關注。擁有微結構化表面的換熱管己經(jīng)有較為廣泛的工業(yè)應用。微表面如圖3所示。其中：高通量”(HighFlux)表面由直徑10100的金屬顆粒經(jīng)燒結工藝形成；多孔表面。多孔層厚度為25mm左右,孔隙率為5

12、065%；.“Thermoexcel-E”表面。在翅片管的基礎上加工而來,形成內凹形孔穴與互聯(lián)通的通道,孔徑約100 m；Turbo-B表面，對翅片管的翅片進行滾壓,形成內凹形孔穴；Gewa-T表面，類似Turbo-B表面,由德國的Wieland公司生產(chǎn)。圖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新型強化沸騰傳熱技術（EHD）電水動力學(Electrohydrodynamic,簡稱 EHD)強化換熱是指在換熱表面的流體中施加一電場,利用電場 流場和溫度場之間的相互作用達到強化傳熱

13、效果的一門新型傳熱強化技術.早在 1916年 Chubb5就發(fā)現(xiàn)EHD對傳熱有強化效果,但是對EHD強化換熱的定量分析研究從 60 年代才開始. 80 年代以前EHD技術主要針對膜態(tài)沸騰換熱進行了研究, 以期望提高核態(tài)沸騰的極限熱流密度. 90 年代以后,EHD技術得到迅速發(fā)展,在這段時間里,它主要針對管外強化池沸騰進行了研究。到目前為止,分析EHD 強化傳熱的機理,往往從流體所受的電場力著手。在電場作用下,流體所受的力是電場(均勻或非均勻)對單個離子或者對偶極子的作用. Panofsky 和 Philips6根據(jù)電磁學理論,得到電場中的流體所受的電場力 Fe 為：式中第一項稱為庫侖力或電泳力

14、，電泳力的方向取決于自由電荷的極性和電場方向；第二項稱為介電電泳力；第三項稱為電致伸縮力。在兩相傳熱中,即沸騰和凝結中,EHD 對傳熱的強化作用主要是由電場對汽泡的力和作用于汽 液界面上的力等因素單獨或綜合影響的結果4。在 EHD 核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰中,EHD 力對汽泡層產(chǎn)生擾動,使膜態(tài)沸騰向核態(tài)沸騰轉化. 總的來說,由電場產(chǎn)生的擾動導致了傳熱表面換熱熱阻的減小,從而使得換熱系數(shù)得到數(shù)倍的提高.具體研究概括如下：1.由于 Maxwell 應力的作用導致加熱表面蒸汽汽泡的運動，蒸汽汽泡被壓在換熱表面上,增加了汽泡表面與換熱面接觸的薄膜面積。2. 在非均勻電場中,電場力對汽泡的作用并不一定垂直指向

15、管壁,因此電場對汽泡有 橫向作用,即電場力也使汽泡作橫向運動,破壞熱邊界層,減小了熱邊界層的厚度和熱阻。從傳熱強化的機理上看,流體在電場中包含帶電粒子極性分子非極性分子以及汽液界面等. 這些組分在電場中的受力情況各不相同 ,受力以后產(chǎn)生的運動又相互作用,電場影響流場,流體中的溫度梯度使流體的導電系數(shù)發(fā)生變化,從而產(chǎn)生空間電荷; 溫度場影響了電場,同時空間電荷在電場中的運動又影響了流場. 因此 ,EHD強化換熱的機理非常復雜. 目前的研究認為電場對汽泡的力是沸騰強化換熱的主要因素,該力使汽泡產(chǎn)生變形 破碎 粘合等運動,對邊界層產(chǎn)生擾動是換熱得到強化的最直接的原因.3沸騰強化傳熱面臨的挑戰(zhàn)3.1

16、納米表面結構強化傳熱挑戰(zhàn)納米表面結構已經(jīng)顯示了極富吸引力的強化沸騰傳熱應用前景。然而，作為一個嶄新的課題領域，尚有許多問題有待分析和解決。首先，由于加熱表面的沸騰傳熱性能受表面幾何形貌、固液接觸特性、相界面?zhèn)鳠醾髻|以及加熱方式、系統(tǒng)壓力、汽液物性等多種相互聯(lián)系因素的耦合影響，要全面理解表面結構強化沸騰傳熱機理并建立較完善的沸騰傳熱模型是一項非常艱巨的工作。目前對于納米結構表面的沸騰傳熱性能研究主要處于定性的實驗研究階段，其深層的作用機理尚不明確。為了解釋在已經(jīng)報道的研究工作中出現(xiàn)的一些偏離甚至是矛盾的結果，進一步理解納米尺度表面結構強化沸騰的機理，更多的具有不同納米特征的強化傳熱表面需要被制備

17、和測試。因此，簡單靈活的納米表面結構的制備工藝被迫切需求。其次，納米表面強化結構在沸騰實驗環(huán)境中的穩(wěn)定性問題雖已有報道，但尚未引起研究者足夠的重視。納米表面多孔結構在水熱環(huán)境中的穩(wěn)定性以及孔徑演化規(guī)律尚沒有系統(tǒng)的研究報道，且納米多孔結構孔徑的變化對與強化沸騰傳熱性能相關的壁面關鍵物化特性的影響有待深入研究。3.2 EHD強化傳熱挑戰(zhàn)雖然 EHD 強化傳熱的研究在最近的十幾年中得到了很大的發(fā)展,取得了可喜的進展,但我們也不得不注意到在該領域的研究還存在如下一些有待解決或有待突破的問題。（1）到目前為止, EHD強化沸騰傳熱的機理尚未能完全被揭示出來. 雖然不同的學者提出了各自的分析結果,但這些結

18、果無法用統(tǒng)一的理論來解釋和描述,也無法解釋所有的現(xiàn)象,而且有些理論之間還存在相互矛盾之處。（2）到目前為止,大多數(shù)研究主要關注的是外場的作用及工質的熱物性的影響,而未針對工質的電物性(電導率、介電常數(shù)、分子極性、電離程度等)進行研究,更談不上將工質的熱物性 電物性與外場和外部其他有關參數(shù)結合起來的研究了。4結論與建議追尋科學的道路上，問題與挑戰(zhàn)總是會伴隨著技術或理論的進步而產(chǎn)生，而當這些問題與挑戰(zhàn)被解決時，科學又將達到另一個高度。因此，有問題和挑戰(zhàn)并不可怕，科學的道路不是一帆風順的，在多相界面沸騰傳熱也是如此。由于相變傳熱現(xiàn)象本身就十分復雜,在引入電場后,由于電場對傳熱過程 流動過程及汽泡產(chǎn)生作用過程相互影響,使得對 EHD 強化傳熱的機理分析更加困難 ,再加上對該領域研究的歷史較短,因此 EHD 強化換熱的研究還有大量進一步的工作要做. 從前面所給出的結論來看,今后的主要研究方向應從理論和試驗上揭示 EHD 強化沸騰傳熱的機理和復合場之間的協(xié)調理論。而在納米表面結構傳熱中，納米表面結構的制備將是需要努力的方向，特別是微納米表面結構的穩(wěn)定性及其在沸騰傳熱過程中的形貌演變將對傳熱性能造成重要影響，需要給與足夠的重視。參考文獻 (References)1 Gose E.E., Peterson E.E., Acrivos A. On the rate of heat transfer