综述：从水到绝缘液体：在压力和过冷条件下进行的泳池沸腾研究，为下一代冷却技术提供依据

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：From water to dielectric fluids: Pool boiling research under pressure and subcooling for next-generation cooling

　　金成镇（Sung Jin Kim）| 延镇贤（Hyunjin Yong）| 尤熙相（Hee Sang Yoo）| 朴一雄（Il Woong Park）
韩国仁川市弥楚洞仁荷路100号，仁荷大学机械工程系

**摘要**
在可再生能源系统中，数据密集型技术的快速发展增加了对数据中心和电池储能系统（ESS）中高性能电力电子设备高效热管理的需求。由于介电流体的电绝缘性、化学稳定性和低沸点，它们成为浸没冷却的理想工作流体。然而，与水相比，它们的临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）相对较低，这仍然是主要限制因素。虽然以往的研究主要集中在表面工程上以提高沸腾性能，但本综述综合了现有的实验数据和介电流体CHF及HTC的预测相关性，特别强调了系统压力和液体过冷度的影响。由于介电流体具有独特的热物理性质（如低表面张力和潜热），其与水的无量纲参数和对压力及过冷度的敏感性存在根本差异，因此无法直接应用通用的沸腾相关性。通过批判性地评估不同操作条件下的相关性表现，本文阐明了介电流体的适用性和局限性，并提供了定性的技术经济分析，将沸腾性能趋势与潜在的系统级能源和成本效益联系起来。总体而言，本综述强调了基于压力和过冷度的策略在提高介电流体沸腾性能方面的潜力，并指出了建立稳健且通用预测框架所需解决的关键知识空白。

**引言**
沸腾传热（BHT）利用液-气相变在相对较小的温差下实现高热流密度散热[[1], [2], [3], [4], [5]]。在成核点处反复形成的气泡、生长和脱离增强了对流传输，使得BHT特别适用于高热流密度的传输。在各种配置中，池沸腾是最简单且最具成本效益的方式之一。通过将加热部件浸入静止的液体池中，可以在不使用复杂辅助设备的情况下去除大量热量，从而在效率和系统复杂性方面都具有优势。这一原理广泛应用于工业和科学领域，从制冷[6]和核系统[7,8]到航空航天[9]和电子冷却[10]。最近，池沸腾在可再生能源领域也变得越来越重要[[11], [12], [13], [14], [15]]，例如聚光太阳能[16]、地热能[17]和燃料电池热稳定[18]。

人们对池沸腾的兴趣重新兴起，是因为它与高性能和高能量密度设备中的紧凑型高效冷却密切相关[19]。在这里，包括氟碳化合物和氢氟醚在内的介电流体因其电绝缘性、化学稳定性和与敏感电子组件的兼容性而受到关注[20]。它们的低沸点和有利的介电性能使其适用于数据中心[21]、卫星[22]、电池储能系统（ESS）[23]以及其他涉及电流的高功率密度环境中的两相冷却。因此，准确预测介电流体的沸腾行为对于设计下一代可持续冷却解决方案至关重要。

随着与可再生能源系统相关的数据密集型基础设施（如智能电网和数字孪生平台）的迅速扩展，这种需求进一步加剧，这些系统需要实时监控和高速数据处理[24,25]。高性能计算硬件的增长显著增加了数据中心的热负荷[26]。同时，可再生能源的间歇性推动了电池ESS的广泛部署，以缓冲电力波动并稳定电网[27]。由于这些系统在强电约束下运行，基于介电流体的先进热管理策略对于提高能源效率和运行可持续性变得越来越不可或缺。

鉴于此，近年来有几篇综述总结了介电流体的沸腾研究[[28], [29], [30], [31], [32], [33]]。为了明确本研究的独特贡献，表1总结了这些近期综述文章的范围和局限性。如表所示，大多数先前的综述集中在通过表面改性来增强传热性能[28,30]或临界热流密度（CHF）的一般机制[29]上。最近，也回顾了参数趋势[31]、表面改性[32]和其他主动方法[33]的影响。然而，针对介电流体的具体相关性的严格定量和比较评估仍然不足。本研究通过系统地评估介电流体在系统压力和液体过冷度共同作用下的CHF和传热系数（HTC）预测准确性，填补了这一空白。

尽管有这些先前的努力，关于介电流体基本基线行为的关键知识空白仍然存在。虽然水的压力依赖性CHF相关性已经得到充分建立，但对于介电液体的系统跨流体评估仍然有限，尤其是在过冷条件下的受控数据集尤为稀缺。历史上，池沸腾研究主要集中在饱和条件下的水[34]。相比之下，新兴的热管理系统应用越来越多地涉及非饱和、瞬态或空间局部条件下的介电液体[35]。将相关性从水扩展到这些情况需要仔细考虑过冷度的影响，但现有的支持数据库不足。此外，即使存在数据集，由于压力、过冷度、流体特性和表面特性的耦合影响，其解释也变得复杂，难以单独确定任何单一参数的作用。这种复杂性阻碍了跨研究的比较，强调了精心设计实验的必要性。

本综述通过系统地评估介电流体在不同操作条件下的CHF和HTC行为，重点关注系统压力和过冷度的耦合效应，解决了这一空白。为了确保一致性，分析仅限于未经处理的平面表面和严格控制的实验。我们将实验数据与已建立的CHF模型进行了比较，指出了预测的准确性，并确定了将基于水的相关性扩展到介电流体的局限性。基于这一关键评估，我们提出了研究优先事项，以推进预测能力并加深对池沸腾机制的理解，从而支持可持续和可靠的热管理策略的发展。

除了热性能指标外，CHF和HTC的改进在两相浸没冷却中还具有重要的系统级和经济意义。更高的沸腾极限和增强的传热性能可以放宽运行裕度、循环要求和热排放能力，从而减少辅助功率需求并提高运行灵活性。因此，本综述还包括简要的技术经济分析，以突出改进沸腾性能所带来的潜在能源效率和成本效益。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍池沸腾传热的基本原理；第3节总结介电流体的沸腾行为；第4节回顾常用的CHF和HTC相关性；第5节和第6节分别探讨压力和过冷度对CHF和HTC的影响；最后，第7节讨论压力和过冷度在两相浸没冷却系统中的定性技术经济影响。

**池沸腾传热的基本原理**
本节回顾了池沸腾传热的基本机制和特性。讨论从沸腾区域的概述和代表性沸腾曲线开始，接着描述了关键性能参数——CHF和HTC——以及系统压力和液体过冷度等操作参数的影响。还介绍了提高CHF和HTC的增强策略，包括主动和被动方法。

**介电流体的热物理性质**
池沸腾系统中使用的工作流体类型显著影响传热性能和气泡动态[79]，本综述主要关注介电流体。为了全面了解它们的热物理特性，本节比较了常用介电流体（如氟碳化合物[例如FC-72]和氢氟醚[例如HFE-7100, Novec-649]）与水（作为参考）的关键性质。

**CHF和HTC相关性**
已经提出了多种经验和半经验相关性来预测池沸腾中的CHF和HTC。尽管针对各种条件提出了许多先进模型，但下面总结的基础模型仍然是大多数预测的基础，并在之前的文献中进行了讨论[29,31,98,99]。

**压力和过冷度对CHF的影响**
本节探讨了压力和过冷度条件如何影响CHF，随后的部分则关注HTC。大多数关于这些效应的研究都是用水进行的，而对于FC-72、HFE-7100和AE-3000等代表性介电流体的系统研究则较少，如表5所示。

**HTC的压力依赖性：水与介电流体**
在本节中，将Rohsenow [144]、Kutateladze [145] 和 Cooper [146] 的HTC相关性（考虑了压力的影响）与先前研究中的压力依赖性HTC数据进行了比较。不同工作流体的热流密度比较结果分别展示在图16、图17和图18中。符号代表文献中报告的实验数据，实线表示使用Rohsenow相关性得到的相应预测。

**技术经济和基于成本的评估框架**
对加压和过冷浸没冷却系统进行全面的技术经济分析（TEA）或生命周期评估（LCA）对于系统设计和优化至关重要，因为它需要详细的系统布局、组件规格和供应商依赖的价格数据。此类信息具有应用特定性，而且详细的成本报价在公开文献中并不常见。尽管如此，增强性能的经济和可持续性影响仍然值得关注。

**结论**
本综述批判性地研究了系统压力和液体过冷度对池沸腾中CHF和HTC的影响，重点关注水和代表性介电流体（如FC-72和HFE-7100）。通过仅关注平面表面和严格控制的实验数据集，分析为将实验与广泛使用的预测模型进行比较提供了统一的基础，并确定了当前相关性在哪些方面仍然可靠或在系统上存在问题。

**关于生成式AI的使用声明**
作者承认在选定的图表（图6、图22）的后处理和视觉增强中有限使用了ChatGPT。该工具未用于数据生成、分析或解释。所有科学内容和结论均由作者生成。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号RS-2022-00144494）。此外，本研究还得到了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）的资助（由韩国政府（MOTIE）提供，项目编号RS-2023-00243974，数字基础可持续能源过程创新融合研究生院）。