综述：气泡注入强化换热器传热性能的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Critical review of heat transfer advancements using bubbles injection in heat exchangers

本综述系统分析了气泡注入（ABI）技术在各类换热器（HX）中的传热强化机制与应用。文章详细探讨了气泡诱导湍流、边界层破坏等核心机理，重点评述了气泡动力学参数（如尺寸分布、空泡分数α）对努塞尔数（Nu）和摩擦因子（f）的影响规律，并对比了简单几何结构（如直管）与复杂结构（如管壳式换热器（STHX））中ABI的强化效果。综述还涵盖了热力学（如?分析）和经济性评估（如热性能因子（TPF）），为多相流传热优化提供了重要参考。

　　

气泡注入（ABI）作为一种被动的传热强化技术，通过向流动的液体工质中引入离散的气泡，能够显著提升换热器（HX）的 thermal performance。其核心机理在于，气泡在流场中的运动能够有效破坏热边界层，诱导湍流，并增强流体的混合效果，从而强化对流传热过程。这篇综述系统梳理了ABI技术在各类换热器中的应用、机理与效果评估。

气泡注入的强化传热机理

气泡对传热的强化作用主要通过几种物理机制实现。首先是气泡诱导湍流。气泡在液相中上升或随流运动时，其尾迹和界面波动会生成涡旋，增加流体的扰动，从而减薄热边界层并提高近壁区的换热系数。其次是边界层破坏。气泡与换热表面直接接触或在其附近通过时，会周期性地扫掠壁面，阻碍稳定边界层的形成。此外，气泡的变形、破裂与合并等动力学行为会进一步加剧局部混合，而气泡群的存在也会改变流体的有效热物性（如等效热导率）。这些机制共同作用，使得即使在较低的雷诺数（Re）下，努塞尔数（Nu）也能获得显著提升。

关键参数与性能评估

ABI的强化效果受到一系列关键参数的影响。气泡尺寸（通常用等效直径d_eq表征）和空泡分数（α） 是决定性因素。较小的气泡通常提供更大的比表面积，有利于换热，但过高的空泡分数可能导致流型转变（如从泡状流向弹状流转变），增加流动阻力。注入位置与方式（如多孔板、喷射器）决定了气泡的初始分布和均匀性。流体的物性参数，如普朗特数（Pr）、表面张力（σ）以及系统的流动条件（Re、质量流速G）也至关重要。

性能评估通常综合热力性能和流体动力性能。热力性能的核心指标是努塞尔数（Nu）或其增强比（Nu/Nu_p，其中Nu_p为光管情况）。流体动力性能则通过摩擦因子（f）或压降（ΔP）来表征。为了平衡传热增强与泵功消耗的增加，常采用热性能因子（TPF） 进行评价，其定义为 TPF = (Nu/Nu_p)/(f/f_p)^1/3。TPF > 1 表明该强化技术在同等泵功下具有净收益。

此外，基于热力学第二定律的?分析（Exergy Analysis）可以量化传热温差和流动阻力引起的不可逆损失（?损），从而更深刻地揭示能量利用的效率。经济性分析则关注技术的投入产出比，例如单位换热量下的净收益（η_p）。

气泡注入在简单几何结构中的应用

在直管、矩形通道等简单几何结构中，ABI的研究较为深入。气泡的引入能有效提升管内单相液体的传热系数。研究表明，传热强化效果与流动工况（层流或湍流）以及气泡特性紧密相关。在泡状流 regime 下，通常能观察到最佳的传热增强。此时，努塞尔数（Nu）可表示为空泡分数（α）、液相表观雷诺数（Re_sl）等多种参数的函数。

气泡注入在管壳式换热器（STHX）中的应用

管壳式换热器（STHX）是工业中应用最广泛的换热设备之一，ABI技术在其壳程或管程流体中的应用展现出巨大潜力。在STHX中，气泡的注入可以显著改变壳程的流动路径，减少死区，提高换热效率。对流传热系数（h）和总传热系数（U）通常随气泡注入率的增加而先增后缓，存在一个最优值。同时，ABI也能有效减轻结垢问题。然而，壳程内复杂的挡板结构和流动空间使得气泡行为更为复杂，对气泡分布均匀性的控制要求更高。对数平均温差（ΔT_LMTD）、传热单元数（NTU）等STHX的设计参数在ABI作用下也会发生相应变化。

挑战与未来展望

尽管ABI技术前景广阔，但仍面临一些挑战。对气泡动力学（如破碎、合并）与局部湍流相互作用的微观机理理解仍需深化。ABI系统的优化设计（如气泡发生器、注入策略）缺乏普适性指导。数学模型 的准确性，特别是在复杂几何和宽工况范围内，有待提高。此外，经济性 和 长期运行的稳定性（如设备腐蚀、气泡发生器堵塞）也是实际应用中必须考虑的问题。

未来研究趋势可能包括：利用人工智能（AI） 算法优化ABI操作参数；将ABI与其它强化技术（如纳米流体、表面改性）结合，寻求协同效应；开发新型气泡发生器以实现对气泡尺寸和分布的精确控制；将研究拓展至更多类型的换热器，如板式换热器（PHE）；以及开展更全面的?经济性和生命周期评估。