增强传热的超声检查:检查和最新进展

文摘

本文总结了一些关于传热增强超声振动的应用技术。研究文献综述,特别注意示例使用超声波技术与传统的传热过程,以提高它。在一些工业应用,超声波的使用往往是一种提高生产力的过程本身,而且还利用各种后续现象。相关的例子提出了涉及热交换器,它被发现,超声波不仅增加传热率,但也可能是一个解决方案减少污染。

1。介绍

在工程应用中,超声波是有益的用于提高系统效率。加强化学反应、干燥、焊接、和清洗的各种可能的应用超声波(1]。一个类似的观察可以为传热过程,在业界无处不在:冷却应用,热交换器,温度控制等等。有些逻辑,自然想知道可以对传热的影响超声系统。奇怪的是,它没有一个研究课题深入研究直到最近。

看来,有关研究在过去的基本系统,通常用一个液体,加热棒或墙壁等体积的水受到超声波振动。用于系统越来越复杂趋势(例如,冷却微型组件,热交换器的振动结构)与强大的数值模拟和模型越来越准确。

本文的目标是为未来的研究提供科学和历史背景有关传热增强超声振动和提出的进化这一领域的几个例子应用程序。第一部分描述了超声波的概述,诱导现象,以及如何积极影响传热过程。然后,感兴趣的例子来自各领域的分析(热能工程、食品工业、实验和数值模拟)。重点是最好的改进和结果。最后,最近的改编的超声波技术彻底讨论了换热器设备,通过示例来自新专利,目前实验室工作。

2。超声波的

2.1。标准分类的功率、频率和使用

声波的频率高于人类听觉范围的上限,通常在16到20 kHz,称为超声。这些波通常分类根据其频率或权力。

20至100 kHz,波被定义为“低频率超声波”或“超声波力量”。事实上,它通常是在高功率传输(几十瓦),因此,超声波能够修改媒介传播。功率超声可以扰乱流体批量创建空泡或声流,两种现象与强大的宏观传热强化的效果。因此,功率超声发现各流程如清洁,使用塑料焊接、声化学(1),等等。这也是通常用于强化传热传质过程。

进一步的频谱,高于1 MHz,发现“低功率超声”(通常少于10 W),在“高频率”,并不影响媒介的传播。因此,特别是用于医学诊断或无损材料控制,和引用有关传热增强非常稀缺的文献。

100年中程kHz-1兆赫,高频超声检查发现。它比力量更少使用超声波促进传热。图1给出了一些典型使用的超声波频率和功率。全面的描述超声波技术的发展可以在文献中找到(1,2]。

2.2。超声波传播和诱导效应

许多现象可能产生传播的超声波流体,尤其是液体介质。他们两个,重大的传热增强,声空化、声流。存在其他的后续影响等加热介质由于耗散的机械能。这种现象是用于测定介质的超声能量提供给超声波反应器,知名的量热法(1]。与高频超声声学喷泉达到气液界面也可能出现。温度高达250°C可以达到精确这个接口(3]。拉博尔德等。(4]提供了一个通用描述和数学建模的一些现象产生的超声波的传播变成液体。图2说明了其中的一些可能发生在液体的重要的影响。

这些现象一直是一个主题感兴趣的,因为他们发现,尽管研究仍在进行中,一些全面的描述是由几位作者和经常更新1,4]。因此,本文只关注两个重要现象:声学流,声空化,从传热的角度解决。

2.2.1。声流

声流可以被认为是一个众所周知的现象自1978年全面的数学描述(5]。他解释说声流就会从声波能量的耗散,允许在动量梯度,从而液体流。莱利(6]之间的区别也使石英风力流发生在液体散货,和瑞利流位于边界层和固液界面。所获得的流体速度允许一个更好的固体边界附近的对流传热系数,有时导致动荡和促进传热速率(图3)。

Fand和Kave7)预测1960年可能的声流对传热强化的影响,研究被评为“管路流”,强流比等温声流现象。

声流(强制气流)成立于上方的空气振动梁(8,9]。足以漂浮小物体,使其旋转,从而计算流速。物体的温度高于敏感梁的水平降低,和周围的对流传热系数增加了气流速度成正比。这是一个有趣的第一个例子的声流可以修改传热系数。

声流也是一个因素,减少了石蜡熔化时间(10]。的影响进行了研究,描述为类似于强制对流,驻波场的配置文件。中川(11]甚至设法模拟和控制流流引起的4个振动器,允许选择区需要由声喷射冷却。

传热研究类型的配置通常是发生在一个通道由两个板块或与振动梁在不同的温度下应用之间的流体或墙壁的(12- - - - - -14]。

声流的典型数量级速度通常是每秒几厘米(1至100厘米⁻¹)[9,15),但它似乎也略有不同超声功率和频率(16]。

2.2.2。声空化

声空化的主要现象是可能出现的超声波传播的液体。许多作者所描述的空化过程彻底但不总是出现在一个振荡压力场,在特定情况下叫做声空化17,18]。形成、发展、振荡和强大的气泡崩溃成液体。当定义声空化,还必须准确地描述实验条件它出现(气体溶解、温度、压力等),因为它取决于几个参数。当地压力下降充分稀疏时期蒸汽压力下的声波,静态压力和粘性力是克服和气泡形成。他们通常会摆动,成长,然后崩溃暴力(19,20.]。

还有许多其他的方法来创建空泡成液体,例如,水动力空化使用微细血管也会促进冷却传热(21]。全面的细节声空化在纯水中可以找到22]。

存在两种类型的声空化:稳定和瞬态18,23,24]。当泡沫振荡平衡大小,这叫做稳定空泡。时不到一个周期存在,它们是短暂的蛀牙。另一个重要的事实是,雾状的空腔的内爆比一个充气暴力因为当蒸汽变成液体,没有残余气体缓冲泡沫的崩溃。实验结果和摄影的一些研究表明,空化泡崩溃的影响可能会持续10⁻⁷年代,达到当地193 MPa压力(23]。这可以解释许多现象参与化学、生物学、工程,25)等等。这也解释了为什么声空化被认为是超声传热的主要效应增强。事实上,固液界面附近的一个泡沫崩溃破坏热层和速度边界,减少热阻和创建microturbulence示意图如图解释道4。

通常在泡沫崩溃被认为是微秒的顺序,和泡沫大小大约是10⁻⁴(但也取决于频率)(1]。所以,粒子的数量级位移速度在泡沫崩溃可以估计约100年代⁻¹。大约有2或3个数量级之间的声流和microturbulence速度。这是声空化的原因之一是通常被认为是由超声波传热强化的主要原因。它也可以用来促进或控制动荡,已经表明一些可能的在换热设备中使用。流摩擦边界附近可以减少(26]。

3所示。超声波对传热的影响

3.1。历史

有必要回到60年代找到第一个报道的研究涉及超声波振动处理传热强化。这些非常先锋研究(参见部分3.3。1)经常给有趣的结果,但不幸的是,承诺不足以导致更深的询盘。完全不同的技术可能被开发在此期间(例如,减少通道大小)。因此,这个话题很忘记直到90年代,它恢复了兴趣与增长趋势越来越高效的能源管理设备。图在图5显示了出版物的数量使用超声波处理传热增强,发现在斯高帕斯等书目数据库和谷歌学者自1960年以来10年时间。引用考虑那些在本文档的所有表。早于这个日期,他们很难找到,即使有些人可能存在。

很少有作品发表在70年代- 80年代但是重要的增加发生自90年代。根据这一趋势,可以预计,在即将到来的年,这个问题很可能知道一个实质性的发展。

在三种传热方式、传导和辐射由超声波辅助的研究较少。奇怪的是,只有少数作者调查他们虽然有前景的结果已经发表在1979年费尔班克斯(27]。他发现辐射(人工或自然)和超声波加热液体流动导致更好的结果比单独每个进程的总和;此外,金属传导可以增强的2.25和5.55倍。相反,在熔化的石蜡,传导对流主导,哦等人发现小超声波的影响(10]。这种差异可能是由于材料的性质(石蜡和金属),有一个完全不同的振动响应。野村和中川(15]研究传热增强空化和声学流在一个狭窄的表面传导也非常重要。量化空化强度,他们测量的质量损失率15μ米厚的铝箔。微型喷气发动机空泡增加引起的表观导热系数,但他们是如此强大以至于侵蚀将是一个问题(例如,为微电子组件冷却)。在一个非常狭窄的表面,在对流传导总是支配。

3.2。与相变传热

3.2.1之上。融化和凝固

功率超声是一个方法来减少冰晶的大小在冷冻产品和质量获得(28]。这导致最好的冰晶,缩短发作之间的时间结晶和完整的冰的形成,主要是由于声空化。出生成核站点,microstreaming,一些清洗热交换器的作用是在随后的优势。此外,超声波是一种不干扰技术。综合评价使用的超声波在食品技术存在29日,30.),很多处理的例子,结晶,冻结。

冻结温度过冷的水也可以控制的超声振动使冰浆固液混合物非常有趣的热能储存和运输冷。相变的概率与空化气泡的总数增加,作为核凝固的《盗梦空间》(31日,32]。相反,温暖存储热能,超声波允许减少熔化时间(例如,利用阳光)没有过多的电力消耗(10]。表1总结了一些在超声波用于相变应用程序的引用。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

费尔班克斯(27]	辐射(太阳和红外)成水,传导到金属,熔化异构系统	50千赫,61 W(辐射);20 kHz, 250 W(融化);20 kHz, 75 W(传导)	辐射:双传热速率,传导:导热系数的3.55倍,融化率翻了一番
Inada et al。31日]	实验,从过冷的水冰相变,声空化、纯净水和自来水	28 kHz, 0 - 6.5千瓦⁻²	重要的减少过冷和超声波两种类型的水
哦,et al。10]	融化石蜡与恒热流一辆坦克,声学流空化,实验和模拟研究	40 kHz, 70 - 340 W	熔化时间72分钟有340 W超声波功率,而不是275分钟没有超声波
Zhang et al。32]	实验研究中,水相的概率改变数量的气泡核,空化,方形容器,传感器在底部	39 kHz, 4.4千瓦⁻²	相变的概率增加,气泡核的数量和压力振幅

3.2.2。沸腾

沸腾传热在超声波场分开描述成为一个非常活跃的研究领域。超声波可以改善几乎沸腾传热系统。出现第一个气泡成核的网站被振动,因此膜沸腾的幽灵是延迟这更高的热通量达到(见图6)。

据几位作者,这仍然是由于声空化,这有助于创造和泡沫的增长,而他们的振荡使创建micro-streaming和当地风潮在表面附近扫他们离开(20.,33- - - - - -36]。但这部分的解释是质疑37因为传热不像它应该加强在饱和液体的温度。

饱和池泡核沸腾传热强化研究使用组合方法:超声振动和玻璃珠(49μ平均直径,120 ppm)混合到蒸馏水(38]。对流传热系数被发现的4倍大。

据报道几次声压的分布和当地传热强化的阶段(39- - - - - -43]。

水的过冷沸腾临界热通量的超声波是由几个参数的影响(44,45]。报告板倾角的影响和最优参数表面面对入射声波,超声波功率交付和低温冷却低的温度升高。临界热通量的提高密切相关泡沫离开表面,通过声流或microstreaming空化引起的。在[46),同样的观察对水低温冷却了(增加临界热通量的低温冷却温度降低)但板的不同倾向。公园和Bergles [47)发现很小的倦怠热通量的增加相比,文学只有10到5%,分别为饱和和过冷池沸腾。引发的震动,虽然不是超声波但流,也允许临界热通量的变化,加强结果与超声振动(48,49]。

表2总结了一些研究对沸腾传热强化与超声振动。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

Baffigi和莎娃45]	过冷沸腾实验,卧式气缸,气蚀	40 kHz, 300 - 500 W	~ 2331/5000 W m⁻²K⁻¹低温冷却温度:41 K
Bergles和纽厄尔50]	水平环空,过冷沸腾,瑞士法郎	70千赫;²80 kHz, 1.4 W /厘米	70 kHz, non-boiling当地增加40%
Bonekamp和棺材51]	池沸腾,纯液体(R23 R134a),两者的混合物	42.0千赫;69.2千赫;84.7 kHz, 4 W	42 kHz,克分子数相等的混合物, > 1 W,增加90%+重要减少滞后
Heffington和Glezer36]	池沸腾的增强,氛围机制(vibration-induced泡沫喷射)	1.65兆赫	水/乙醇~ 70/30:增长425%,瑞士法郎(600 W厘米⁻²)
宋和Kwon44]	瑞士法郎增大池和过冷沸腾,倾角	40千赫	瑞士法郎87 - 126%增长所面临的下行表面
金等。33]	实验结果,自然对流,过冷和饱和沸腾池,铂丝,换能器在底部,液体fc - 72	48千赫	至少60%的全球传热增加(自然对流)
金和宋52]	数值研究中,水浴,底部传感器、倾角和过冷沸腾	40千赫	看到宋和Kwon [44]
Kwon et al。46]	瑞士法郎增强池沸腾,倾角和池温度的变化,传感器在底部	40千赫	瑞士法郎在池温度95°C增加了110%,水平向下的板
公园和Bergles [47]	惰性,电介质液体典型用于浸冷却的微电子组件(r - 113)酷小直径不锈钢管电力供应	55 kHz, 75 W、8000 W m⁻²	饱和池:倦怠热通量增加10%;过冷池:增加5%
Serizawa et al。37]	水平和垂直的表面水和垂直圆管在强制循环的水。银杆在750 - 800 K蒸馏水(电影沸腾),超声波在底部	28 kHz, 70 W	自然对流和高低温冷却液池泡核沸腾增强。温度变化与超声波定期。淬火时间减少
黄和分20.]	自然对流和沸腾的蒸馏水和甲醇在铂丝,空化,实验工作	20千赫;44千赫;108千赫;306 kHz, 0 - 200 W(放大器)	八在自然对流传热系数增加
Yamashiro et al。42,43]	淬火过程中,水平铂丝在过冷水	24千赫;44 kHz, 0 - 280 W	冷却速率和热通量增加空化强度和水低温冷却,在24 kHz更好的效果
周和刘35]	实验研究中,丙酮在立方池沸腾在水平圆管,声空化	吗?	传热与水低温冷却和空化强度增加
周(53]	声空化,实验调查、铜nanofluid立方容器充满了丙酮、水平铜管	吗?	传热在声场的存在与纳米颗粒浓度增加,空化强度、低温冷却液
周和刘54]	实验调查,碳酸钙纳米粒子在丙酮中,声空化,立方船水平铜管	吗?	添加纳米颗粒对流和沸腾的减少,但与声场强度增加
周等。(34]	丙酮沸点在水平铜管一立方,声空化对沸腾传热的影响	吗?	更高的热通量与声空化降低壁温

3.2.3。食品行业/干燥

因为特别充足的(不,nonchemical等等),超声技术在食品工业集中发展。粮食干燥是一个最好的例子。如果有一个好的声学换能器之间的匹配和食品材料,超声振动可以直接应用于材料干(55,56]。这可以产生一种海绵效应,正如图所示7:收缩和扩张周期,导致一个更好的干燥效果。非常多孔产品效果更显著,作为解释(57),这就是为什么产品干的孔隙度是一个重要的参数考虑到之前应用超声波。

功率超声主要影响外部热阻。如果传感器没有接触的材料和超声波是空运的,据报道,高空气流量可能引入的修改在声学领域,减少声能量传播媒介。功率超声增加有效水分扩散系数较低的空气速度但改进变得微不足道的在高空中速度(58]。超声波脱水系统的原型是建立和研究59]。一个阻抗匹配单元添加到振动器是在直接接触食物。应用声强度足够高,这种技术将允许在干燥过程节约热能,保持食品质量。

的影响,目的是杀菌食品、粒子大小和输入功率之间的传热流体和食物颗粒大小是调查60]。这些参数几乎没有影响,因为对流传热系数已经在超声波每次大约翻了一番。全面审查的使用超声波技术在食品工业中可以找到的文献[29日,30.]。总结的一些研究对超声技术在食品工业的使用可以在表中找到3。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

Carcel等。(58]	干燥柿子圆柱体,气流速度变化,实验和数学模型	21.8 kHz, 75 W, 154.3 dB	干燥速度增加超声波在空气速度低(< 4 m s⁻¹),影响内部和外部的热电阻
de la Fuente-Blanco et al。59]	与直接接触干燥过程,振动板	20 kHz, 0 - 100 W	在100 W功率,60分钟后,样品质量27%而不是85%
Gallego-Juarez et al。55]	与直接接触干燥过程,振动板	20 kHz, 100 W	最终水分小于1%,速度增加,和更好的质量的产品
李和太阳28]	实验研究:土豆样品冷冻成50/50%水/乙二醇混合物在−18°C	25 kHz, 7.34 W;15.85 W;25.89 W	最有效的力量:15.85 W;曝光时间:2分钟;相变期间
梅森et al。30.]	评论文章(食品技术)
Sastry et al。60]	灭菌应用但食物残渣被金属样品。大小和输入功率的影响	输入功率:0.139、0.069和0.046 W g⁻¹的液体	在所有情况下对流系数大约翻了一番
郑和太阳29日]	评论文章(食品冷冻过程)

3.3。强化对流

对流和沸腾一样,是一种最下的传热研究模式超声振动的影响。提高传热系数报告[25倍61年]。几年前,一个微不足道的超声波对传热的影响被描述(48,62年,63年]。但最近,这种强化方式的兴趣是恢复和一些作者开始分析属性传播环境的影响(气体溶解、温度、流量等)和波本身的特点(振幅、频率等)37,38,64年]。其他研究几何图形发现新的可能的使用(65年- - - - - -67年),或在68年),研究了振动的影响(超声波)过渡到湍流和屈曲流理论。在这一领域的研究进行总结。在处理对流时,观察到这一点是至关重要的超声波可以被看作是一个“外部帮助”传热。因此,有趣的是在想如果没有更合适的强制对流而不是自由对流超声波时打开。这个基本问题仍然开放的讨论。

3.3.1。先锋研究

Fand和Kave7]在开拓者预计从声学流强制对流传热增强(见部分2.2.1)。Bergles和纽厄尔50)可能是第一个调查annulus-type结构,也就是说,两个同心管道之间的水流,供暖系统位于中央管。在这个工作中,多达40%的本地增加传热系数据报道全球系数,但只有10%的盈利是不够的。这是部分原因在于声音的衰减效应,或接触不良和发射极之间包含水的管。Bergles [63年)做了一个调查的技术与超声振动强化传热。他通常报道,作者发现在nonboiling传热显著增加适度的流速。显然是与空化改进,报道不那么有效建立沸腾。主要的限制来自超声能量的衰减由蒸汽和困难来定位传感器,以获得良好的耦合流体和遭受最小衰减,也报道50]。

相反,在拉尔森的博士论文62年)、自然和强制对流流动在一个球体。超声波频率、努塞尔特和雷诺数是主要的变量。拉森说,空化负责努塞尔特数的增加在低频段,而声流的主要因素是增强在更高的频率。但他最后报告,没有足够的传热增加获得授权使用超声波作为一种传热强化技术(雷诺数和超声波强度测试)。理查森(69年]研究了水平和垂直的影响声波(710和1470赫兹,而不是超声波)传热卧式气缸。他发现了一些当地边界层厚度的变化,因此在对流传热系数高强度噪音。

实验和数值结果报告的古尔德(70年)表明,传热速率与声音振幅近似线性增加水时使用。值与声流增加了10倍。当使用更多的粘性液体,热流和声波振幅之间的关系被发现是非线性的。

3.3.2。影响环境和波的特征

使用频率低于20 kHz,科马罗夫和Hirasawa64年调查了预热铂丝的冷却。就像在8),最有效的效果使用高烈度声波。除此之外,一个温和的导线温度也是必要的,否则冷却辐射效应更大,对流效应减弱。这观察加入了(71年),一个更好的效率,超声波热通量较低是由于薄热边界层,空化气泡更容易受到干扰。

在当地的规模,在静止的声场,观察到的对流传热系数最高声压是最大39- - - - - -41]。这是由于浮力的作用耦合的压力和热边界层厚度减少,因为水的运动在地表附近。

溶解气体也可以影响见(72年)与气体空化有限公司₂饱和水。之间的区别是两种类型的声空化:低强度气体空化和高强度雾状的空化。气体空泡被发现是一个很好的方式来提高传热通过增加湍流,在流雷诺数不是已经很高。没有接触的流体流动也可能控制(只有通过超声波振动)73年]。速度降低的压力波腹点附近的空化气泡所致。这种效果是微不足道的,如果流速太高因为泡沫进行下游。

流体特性的影响也一些重要性,所示(74年]分析了对流换热增强超声成丙酮、乙醇和水。最好的改善比获得的是丙酮的4倍。相反,空化的影响似乎不同的水、盐水、糖水(71年]。但传热强化的最可能原因仍然空化气泡产生的干扰和冲击表面由于他们的内爆,造成地方热边界层变薄。

更不寻常的研究也一直在进行像纳米颗粒结合声空化的影响在对流和沸腾53,54]。另一个例子中可以找到(75年处理之间的传热,熔融金属(1520°C)流入管和水来降温。对流系数被认为是几乎翻了一倍的超声波在20 kHz。

两个图已经绘制的人物8和9分别总结超声功率的影响提供和波频率增加的对流传热系数。每一个点代表了相应的引用的论文最好的结果。

你可以看到在图8的强化对流似乎提供的超声功率成正比,至少在较低的值(< 200 W,蓝色区域)。这将是有趣的情节作为一个功能的声强度(W m⁻²),甚至体积功率(W m⁻³)。不幸的是,这一信息并不总是在论文中提出,它通常是不可能或很难计算准确。这就是为什么在未来,这将是有趣的和需要找到共同的词比较研究他们之间(如已是可能与频率)。然而,目前可以假定大多数系统调查的大小在文学实验室规模(有几十厘米长)。的绘图函数总功率可以先给一个好的近似。顺便说一下,外面的3点图上的蓝区8可能对应于引用声强度和/或体积功率非常不同于那些蓝区。

关于图9和频率的影响,很难找到一个趋势。报告的大多数作品都集中在一个区域15到60 kHz(低频率,功率超声),但似乎并不依赖于频率的改进。更重要的可能是另一个参数,如系统配置或超声波功率相对于表面或体积。强调一个重要问题是60赫兹和800千赫之间的频率(高频率超声波)没有被调查。这样的频率可能会带来新的有趣的结果。

3.3.3。系统的几何形状的影响

一个有趣的实验装置中描述(65年)检查超声波照射角的影响在对流传热速率从斜平板水。前面的板是向下的传感器和电加热。倾角的影响传热系数很低如果声空化没有生成,除了如果板垂直检测到小声流效应。

野村证券(Nomura)等。66年)测量实验在自然对流传热系数下降面临水平面和垂直表面。这个系数是周期性变化的超声振动根据振荡器的距离,但可能使用不同的超声波频率时变得更加均匀。它还与波振幅增加,报道在8,70年]。之间的距离传感器和设备冷却的重视76年]。必须使用的半波长的倍数来创建一个共鸣中,为了获得更多的高架声流速度和更高的传热系数。显然也可以创建声流墙后面,例如冷却系统的内部组件从外面(67年]。在[16),喇叭换能器产生振动研究中通过自然对流冷却技术开发和脱气水。对流系数高达10倍比没有超声波振动计算和不同地区增强或多或少明显的观察。

一个有趣的和原来的使用功率超声对木材治疗(77年]。超声波可以有非常积极的影响在木材的中心温度升高速度风干或完全被水浸透的圆柱体。

3.3.4。对流研究的总结

在超声领域改善传热、对流是研究最多的区域,正如图所示10。

这个图表是由表除了表中引用的所有引用3(食品),因为存在许多其他的研究在这一领域,它不会一直代表(例如,看到29日,30.])。对流覆盖至少一半的这些研究,更因为它似乎也在热交换器和相变。

非常重要的一点是传热强化的原因,这是非常困难的决定,因为许多现象同时出现在超声波的传播。图11显示了一个图,这些不同的现象和这些影响的次数是假定为传热(质量)增强的原因。这个图是由引用的所有表的文本(评论除外),但一个以上的效果可以引用一个纸(这也解释了为什么引用数量的影响优于的论文数量)。

根据这个统计图表,声空化是主要的传热增强的现象。这是紧随其后的是声由于振荡流媒体和当地风潮。等现象,减少污染,减少滞后、泡沫行为的变化,副作用可能是非常重要的,当超声波将用于工业系统。

表4综合改进获得对流传热通过超声波辅助。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

Bergles [63年]	评论文章,传热增强
Cai et al。71年]	实验,自然对流,声空化,循环加热铜管在水、盐水、糖水	18 kHz, 0 - 250 W	从汽缸热通量:132 W m⁻²、超声波强度:80厘米⁻²、增强360%。
Fand和Kave7]	声流媒体,对流传热,热缸	800 Hz - 4800赫兹 (没有超声波)	三倍增加传热速率
古尔德(70年]	声流、金属和水之间对流或glycerin-water混合物	吗?	增加了10倍
Hoshino和汤川41]	实验调查、冷热缸、纵驻波,局部和全局系数脱气水	28 kHz, 0.1 - -0.215厘米⁻²	当地的系数在0.125 W厘米⁻²在波腹,最大和最小的节点
Hoshino et al。40]	自由对流换热加热丝	28千赫	当地的系数在0.24 W厘米⁻²声强度、最大在波腹和最小节点
Hyun et al。8]	实验和CFD模拟梁的弯曲振动,引起的声流冷却固定的梁	28.4千赫	温度下降40°C在4分钟,157 W m⁻²K⁻¹
Iida et al。39]	实验、自然对流传热从细缸水,比较对流系数和声压概要文件	28千赫	Δ时增加比率约为1.6P> 0.02 MPa
科马罗夫和Hirasawa64年]	站和旅行声波在管道,铂丝	0.3 - -17.2千赫	17.2 kHz,没有气体流和预热导线温度~ 675 K
林等。77年]	实验研究、饱和和风干木材气缸内加热水浴59.8°C和超声波在圆柱体的中心记录温度	50 - 55 kHz, 商业清洁	重大影响的超声温度增加气缸的中心
拉尔森(62年]	声流在汽缸内一个球体,空化,甲苯和水	20 - 1000 kHz, 6厘米⁻²	努塞尔特数增加4倍,但不足以保证技术
李和Loh [76年]	声流的热源和传感器之间的差距	30千赫	传热速率增加了75%
李和崔(72年]	声空化进有限公司₂饱和水	138 W	湍流强度提高369.5%
Loh et al。9]	实验和模拟(CFX4),梁的弯曲振动、声流在空中(打开)冷却固定梁	28.4千赫	温度下降40°C在4分钟,流速度达到2米⁻¹
马尔可夫等。75年]	熔融金属流动(~ 1520°C)水冷管	20千赫	传热系数增加了一倍
中川(11]	实验和计算结果(CFX4), 4个振动器来控制声流在一个包含硅油	1兆赫兹	最大流速度测量:0.07年代⁻¹,飞机的位置修改
Nakayama和卡诺38]	实验中,圆柱形玻璃器皿,蒸馏水,有或没有玻璃珠子	20 kHz, 0 - 140 W	在饱和压力13.3 kPa,玻璃珠,增加了4倍
野村和中川(15]	冷却一个狭窄的表面声波流和空化效应分离、水箱、实验调查	40 kHz, 600 W	声流在0.4年代⁻¹,预测与强制对流方程。空化:增加了10倍
野村证券(Nomura)等。16]	面对表面向下,超声波从下面,实验,空化、声流	60.7 kHz, 5 - 20 W	传热系数增加10倍,自来水和脱气水
野村证券(Nomura)等。26]	湍流强度测量实验,广场通道,传感器在底部	25 kHz, 0-50 W	湍流强度与超声振动3倍和5倍
野村证券(Nomura)等。66年]	超声频率对面临下行的影响和垂直表面	28千赫(110 W), 45千赫(210 W), 100千赫(25 W)	平均增加2到3倍
野村证券(Nomura)等。67年]	实验,自然对流,障碍的受热面(不同材料)、声流	60.7 kHz, 5 - 20 W	3倍压克力板在20 W,阻塞盘子放在喇叭提示
理查森(69年]	横向加热缸、水平和垂直声音字段,皮影戏	710和1470赫兹 (没有超声波), 120 - 140分贝	当地传热边界层厚度的变化和提高
Uhlenwinkel et al。61年]	实验、气体容器(空气氩氦),共振音响领域,传感器之间的距离20 - 200毫米	10和20千赫	传热增强多达25次环境压力约为0.9 MPa和20 kHz
Vainshtein et al。12]	两个水平板在不同温度、声流在纵向方向	200 Hz-15 kHz, 140和145分贝	ν从1到10,随着频率增加
汤川et al。65年]	倾向于铜板在水里	28 kHz, 0.1 - -0.48厘米⁻²	对流系数在90°倾角增加了6倍,强度0.48 W厘米⁻²
周et al。74年]	水平铜管在水、丙酮、乙醇、实验研究	吗?	最大比例的传热增强:3.95与丙酮、源强度最大,并关闭声音的距离

3.3.5。数值研究,建模

数值模拟是一个越来越重要的地方计算计算的增长潜力。即使经常感兴趣的系统仍然非常简单(一个流体,一个移动的一部分),计算精度非常高的水平(8,9,11,52]。至少有四个方程必须解决在处理涉及传热和声波数值问题:连续性、动量(n - s),能量,和至少一个用于流媒体力量(来自Nyborg的理论(78年])。如果声空化模型,流体方程必须解决的两个阶段(液体、蒸汽)。振动通常是由一个移动的边界和动态网格模型(例如,52])或液体内的声场分布(例如,79年])。

声流的数值模型在两个平行光束分离的气隙提出[0.1至2毫米宽80年]。努塞尔特数增加恒热流条件下只有1%,0.5%在热源条件下。最初的目的是在笔记本电脑芯片冷却的可行性研究。(描述的二维模拟81年)表明,一个驻波模式是必要的,以获得增加传热。传热强化的原因在调用52)是由超声振动流体混合提供淡水传热表面,增加了温度梯度。波和流模式可以预测准确,这将是未来的基础工具的优化振动热交换器(13]。

场协同原理也是一种令人信服的方式来说明cavitation-enhanced传热(79年]。这一原则说,当地的温度梯度向量应该平行于当地速度矢量获得对流传热效果越好。事实上,它是出现在流线模式和温度梯度模式,声空化有助于减少在许多区域之间的交会角这两个向量场。表5总结了增强观察到进行数值模拟。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

Aktas等。(81年]	浅圈地,振动垂直侧壁、声流	20 kHz和25 kHz	5 ms之后,Δ20 kHzT= 10 K
Cai et al。79年]	广场enclosure-hot底部,自然对流,声空化,超声束的中心	18 kHz	场协同原理分析,增加25%中心
林和法鲁克13]	充气、方形外壳振动边墙船壳加热	20千赫	传热强化与流流速(最大的中间底部墙)
广域网和“库兹涅佐夫”(80年]	声流在两个水平之间的差距(0.1 - 2毫米)梁、较低的振动	160赫兹 (没有超声波)	努塞尔特数持续增长1%热通量的顶梁
广域网和“库兹涅佐夫”(14]	空气通道由两平行光束,顶梁的振动	21千赫	从0.9到82 W h m⁻²K⁻¹在恒定热流,随通道宽度

4所示。应用程序热交换器

在前面的部分中,有关示例配置只有一个流体热接触与另一个实体在不同的温度。有必要获得一个好的知识的基本系统之前研究更复杂的。热交换器至少有两个液体(流动或静止),这使得系统有时更棘手的研究。事实上,它们受到诸多限制,和超声振动对各种参数的影响(例如,传热、污染和损失)。因此,更加难以评估超声等系统的效率。这可能是其发展的主要原因之一是相当近。这是目前正在研究领域的发展在我们的实验室。

4.1。来自文献的例子

第一个研究是由Kurbanov和2003年Melkumov强力82年]。他们全面解释为什么超声波振动非常适合增加liquid-to-liquid热交换器的性能。根据他们的说法,声波同质化的速度向量的子流管道,降低液体的表面张力在边界附近。后者现象更有趣如果坚持薄膜润滑的管道表面,通常发生在制冷系统。这种薄膜热电阻和性能改进的去除是非常有趣的。

声化学的反应堆的冷却冷水流入一个线圈,呈现在图12实验和分析分析(83年]。一定量的水的冷却时间,存储在化学反应器,比较有和没有高频超声振动。204%和135之间的对流系数是提高声波的存在,有效减少冷却时间。观察改进解释整体的风潮是由于当地的混合(声空化)和全球反应器内流体运动(声流)。

fluid-to-fluid振动换热器的壳管配置是建立和研究[84年,85年]。这个系统呈现在图13。

整体传热系数之间的比例和超声波的没有超声波壳管换热器计算,发现从1.2到2.6根据液体在壳程流量(85年]。超声波功率有微不足道的影响热交换率和整体传热系数总是与超声比不高,不管液体流速或范围的温度测试。在同一个系统上进一步的调查表明,更高的改进可以预期,尤其是对shell层流流动缓慢。

4.2。其他后续优势

所示(51),超声振动可以有趣的实现完整的成核激活网站扩展的大型蒸发器表面,通常达到足够高的热通量(因此壁温度升高)。事实上,超声波是有效减少滞后效应(86年),也就是说,一个系统的趋势仍在其初始状态尽管原因应该发生改变。

超声波振动产生的另一个重要的现象才应用和描述这是表面清洗(本质上是由于声空化)。这是非常重要的,因为它可能是解决方案的一部分,以减少自然污染过程的热交换器。事实上,这些设备的环境条件使他们容易腐蚀或微生物沉积。他们产生额外的热电阻,防止系统在最优条件下操作,增加环境和经济成本。然而,必须注意的侵蚀能力可能损害材料的空化。Benzinger et al。87年]研究了超声波在微结构的影响热交换器,以避免污染。他们的结果是非常有前途,因为对流传热系数几乎增加了一个超声波脉冲周期后的初始值。超声波的生物淤积控制是一个可能的应用,即预防微生物增长(藻类、真菌、细菌)表面超声振动的应用程序(88年]。其他的例子有轴向超声波传播的协同性质和抗生素的去除生物膜在水管道89年]。一个类似的研究分析了臭氧和超声波振动的综合效应(90年]。结果观察到的是,臭氧和超声波的使用比单独每个流程更有效。但有时很难找到最优参数,例如,关于除锈(91年)选择温度、距离和声音强度。

超声波对压降的影响,或电荷损失,似乎也不错,虽然很少研究解决这个问题(26,82年,92年]。

表6总结了不同振动热交换器的例子和超声波在这些系统中遇到的积极作用的研究文献。


参考	描述的研究	频率、功率强度	最好的和/或有趣的结果

Benzinger et al。87年]	微观结构换热器,防污调查	20 kHz, 35 W	脉冲1分钟打破污垢层但是污染速度增加
马胃蝇蛆和专业90年]	臭氧+超声波清洗热交换器,轴向超声波传播	20 kHz, 2357.8千瓦⁻²	2357.8千瓦米⁻²3×1分钟脉冲/天,减少高达70%的生物膜厚度
马胃蝇蛆(88年]	控制生物膜的形成或生物膜去除在热交换器	20千赫	减少88%的生物膜增长10治疗/天,3×30年代幅度40%
Gondrexon et al。85年]	振动壳管式热交换器,实验调查	35 kHz, 80 W	整体传热系数增加了257%
Kurbanov和Melkumov强力82年]	加热和制冷的热换热器种类	3和16赫兹	增加27%但是其他的主要优势
李等人。91年]	各种参数对防垢和除垢效果。沉积速度和规模抑制率分析	14到20千赫; 0 - 250 W	更大的声强度对除垢更好。 40°C对防垢剂最好,50°C除垢。小距离超声换能器的使用效果更佳
Monnot et al。83年]	化学反应器的冷却(2.9 L),实验和建模	800千赫;1.6 MHz;20千赫;0 - 109 W	马克斯57.6 ~ 2.04在800 kHz, W
莫特et al。89年]	实验调查,装满水的玻璃管,驻波	20 - 350 kHz, 35 - 45 W	生物膜被的95.3% 2×30年代治疗20 kHz管7厘米,87.5%在50厘米管3×30年代
Tisseau et al。84年]	壳管式热交换器,实验调查	35 kHz,变量的力量	整体传热系数提高250%

4.3。专利设备

评估所有这些优势的学术研究文献很少。然而,多个系统(设置)关于振动热交换器最近专利(93年- - - - - -104年]。几乎所有的索赔能源消费储蓄通过减少污染(或清洁效果)(93年- - - - - -97年)或提高热交换效率,有时他们两人。这些专利可能涉及不同类型的结构如壳管热交换器(94年,95年,98年,99年),水箱和加热线圈(批处理配置图12)[One hundred.),或各种热交换器设备在化学工程中的应用(减少反应时间(101年),增加除霜速度(102年),低温应用程序(103年),和炼钢应用程序(104年])。

5。结论

超声波从行业获得了日益增长的兴趣在过去的几十年里,导致几个具体应用程序的开发。超声波显示为一个有趣的方式来提高流程的生产力特别是克服传输限制。对传热问题,超声波还可以被视为一个可能的换热增强技术解决方案。因此,很多出版物处理基本的研究可以在文献中找到。但大多数实验室规模的执行这些作品涉及学术支架,通常使用古典低频超声波。知名ultrasonicallyinduced影响如声空化、声流、传热和流体粒子振荡负责改进。也是非常重要的注意,很难区分这些效应的影响,因为他们往往同时发生。有人可能会因此考虑超声作为一个整体的积极影响作用。详细介绍超声对对流的影响仍然感兴趣的专业。局部传热系数是增加2至5倍的超声波。 Phase change heat transfer also covers a great number of studies that demonstrate the beneficial effect of ultrasound on boiling as well as melting or solidification. A more recent and scarce research field that focuses on heat exchangers has shown that the use of ultrasonic waves can improve overall performances regarding heat transfer and/or fouling.

虽然很有前景的结果报告,超声波技术的扩大试点规模或工业热交换器尚未被深入研究。只有少数引用文献,说明困难满足这样一个技术挑战。然后希望声学工作者的共同努力下,化学和机械工程师还将帮助设计一种新型的热交换器的“振动”。因此,它可能导致改进性能和防污行动在不久的将来。

命名法

拉丁语和希腊语的符号

h:	对流传热系数W m⁻²K⁻¹
ν:	努塞尔特数
P:	功率W
T:	温度K或°C
ΔT:	温差K

缩写/下标

瑞士法郎:	临界热通量
CFD:	计算流体动力学
我们:	超声波。

承认

这项工作是支持的研究所卡诺,能量du将来时。

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国际化学工程杂志》上

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