强化换热及其研究进展

1 前言

当今世界，由于工业，经济的巨大发展，世界各国普遍面临着能量短缺问题，开发新能源以及如何高效利用现有能源得到了世界

各国的普遍关注。由于换热设备在工业生产中的广泛应用，提高换

热器效率，研究强化换热的新技术成为人们日益关注的传热学新课题。本文将从强化传热技术的发展过程、强化传热新技术以及强化

传热技术的实际应用状况几个方面对近几年来强化传热技术的总体

进展进行介绍。[1]

2 正文

热量传递方式有导热、对流以及辐射三种，因此，强化传热方

法的研究也势必从这三个方面来进行。由于导热和辐射传热的强化

受到的限制条件较多，所以对流换热的强化受到重视。因此，强化

换热方法中研究最多，涉及面最广的是对流换热的强化。强化传热

的研究从50 年代中期开始增多，近几十年来发展迅速，并成为传热学中重要的研究方向和组成部分。[2]

2.1 强化传热的意义

在现代科学技术的许多领域,如动力、冶金、石油、化工、材料、制冷以及空间、电子、核能等,均涉及到加热、冷却和热量传递的问题。换热器是不可缺少的工艺设备,而且在金属消耗和投资方面也占

有较大的比例。目前,能源危机越来越突出,开发新能源及余热回收显

得特别重要。而在这些工作中,通常都要求采用有效的强化传热措施,

以提高传热量来减小换热器的体积和重量。可以说,研究各种传热过

程的强化问题,设计新颖的紧凑式换热器,不仅是现代工业发展过程中

必须解决的课题,同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。[3]

传热学的目的是研究热传播速率的问题,而强化传热研究的主要

任务是改善、提高热传播的速率,以达到用最经济的设备来传递规定

的热量,或是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行,或是用最高

的热效率来实现能源合理利用的目的。

2.2 强化传热的目的和任务

不同场合对于强化传热的具体要求各不相同,但归纳起来应用强

化传热技术可达到下列任一目的:

(1)减小换热器的传热面积,以减小换热体积和重量;

(2)提高现有换热器的换热能力;

(3)使换热器能在较低温差下工作;

(4)减少换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗。

上述目的和要求是相互制约的,要同时达到这些目的是不可能的,

因此,在采用强化传热技术前,必须首先明确要达到的主要目的和任务,以及为达到这一目的所能提供的现有条件,然后通过选择比较,才能确定

一种合适的强化传热技术。

换热器在工业生产中的用途多种多样，换热流体在其内的流动形式众多，且其种类，物性与流态差别很大，因此很难定出一种适用于各种情况的强化传热技术，或者得出一些可确定各种强化传热技术的传热系数及流动阻力的通用计算公式。一般可采用下列方法解决强化换热技术的选用问题。

(1)在换热流体温度、热负荷及总流动阻力给定后，先从使换热体积、尺寸小，重量轻的角度，确定几种强化传热技术并进行比较。

(2)研究强化传热表面上传热流体的流动结构、热负荷与温度场的分布特点，选定最佳强化传热技术。

(3)强化传热技术选定后，确定换热器制造工艺和安全运行的可行性，从而最后定出适宜于某一换热工艺要求的最佳传热技术。[4] 2.3 强化换热技术的新进展

随着强化传热技术的研究和发展，近几年来出现了很多强化换热的新方法，本文主要介绍近年来发展应用的强化换热新工质，并对其他强化换热新方法做简要介绍。

2.3.1 新型强化换热材料及介质的应用

(1)多孔材料的发展应用[5, 6]

多孔材料是20 世纪初出现，二战以后发展较快的一类材料。由于孔隙的存在及孔隙与环境的交互作用引发出各种功能特性，是

一种集结构和功能于一体的功能结构一体化材料，广泛应用于各行业的过滤分离、流体渗透与分布控制、高效燃烧、强化传热传质等领域。

根据材料中孔洞形式的不同，多孔材料可分为蜂窝材料、泡沫金属材料和点阵材料。多孔材料具有质量轻、强度大、刚度高、韧性强的特点，同时由于多孔材料中存在大量有随机性或方向性的孔洞，孔洞中充满低导热系数的空气介质，因此闭孔多孔材料具有优良的隔热性能，而通孔多孔材料应用于强制对流可显著提高对流换热能力。文献[4]指出，利用多孔材料调整流场分布，可以减薄边界层厚度，有效增强换热。其中点阵材料不但具有较高的热导率而且强度很大，当传热设备同时要求具有一定的承载能力时，点阵材料是一种很好的选择。由于多孔材料具有上述优良的机械性能和良好的热性质，因此，近年来被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。

我国对多孔材料的研究工作近几年来发展迅速：2006 年在西安交通大学启动了由国内多所高校和科研院所参与的《超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究》973 计划，该项目计划通过五年的实施完成建立超轻多孔材料的结构设计、制备及应用一体化的完整的科学理论和技术体系，为超轻多孔材料微观构型与宏观结构的一体化多学科协同设计与制造以及其服役寿命与可靠性预测提供技术支撑。2007 年7 月，科技部公布了首批“企业国家重点实验室”名单，金属多孔材料与技术实验室名列其中，该实验室依托西北

有色金属研究院进行筹建，重点进行金属多孔材料孔结构基础理论、制备理论及技术、性能表征以及应用的研究。上述项目的启动和实验室的建立反映了国家对于多孔材料研究的重视。

(2)低熔点液体金属及其合金的发展应用[7]

将低熔点液体金属及其合金作为散热工质是2002 年由中国科学院理化研究所刘静[7]所在的实验室提出的，同年该实验室在我国申请了这一技术的首项专利。由于传统的风冷散热手段已无法满足日益增大的电子器件功率的散热要求，液冷被认为是解决这一问题的有效手段。液冷散热虽然效率较高，但是在运行中一旦发生泄露或蒸发会导致器件老化、腐蚀，一旦驱动装置故障，液体流动停止，有可能会导致芯片烧毁，后果不堪设想。基于液冷散热的上述特性产生了将低熔点液体金属应用于芯片散热液冷系统中的想法。在这种新型散热技术中，流动于流道中的并非传统的水，有机溶液或其他功能流体而是在室温附近即可熔化的低熔点液态金属。由于液体金属具有远高于水、空气及其他非金属介质的热导率且具有流动性，导热量和对流散热量都增大，因而可以进行快速高效的热量输运。采用低熔点液态金属后散热器可以做的很小且仅使用小功率电磁泵就可进行驱动，可实现整体集成化的微型散热器。

虽然可供选择的低熔点液态金属很多，但是目前我国及国外一些相应研究机构的主要目标集中在金属镓上。自然界中，镓是一种柔软无毒的银白色金属，其熔点仅为29.77℃，在熔点时的导热系数为29.23 W⋅m-1⋅℃-1，远高于空气和水。而且镓的蒸发温度很高，