通过射入气泡来提高壳式及盘管流动逆流换热器的热传递效率与性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Heat transfer and effectiveness improvements in shell and coiled flow reverser heat exchangers using air bubble injection

　　• 创新性地将卷曲流动反转器（Coiled Flow Reverser）与气泡注入技术相结合。
• 通过气泡注入，效率提高了28–73.6%。
• 实现了最高的传热系数，达到2652.27 W/m2·K。
• 进行了48个实验案例，研究了不同的水和空气流量组合。
• ANSYS验证结果显示：NTU和效率的偏差均小于7.2%。

## 引言
随着全球对节能和效率要求的不断提高，各个工业领域的相关研究工作也在加强，重点是如何提升换热器（HX）的性能。工程师和研究人员面临的持续挑战是如何提高换热器的效率和传热速率，从而减少能源消耗和运营成本。在各种换热器结构中，壳管式换热器（Shell-and-Coiled-Tube Heat Exchangers, SCHEs）因其紧凑性、高传热能力以及在有限空间内提供大面积传热表面的适用性而广受青睐。SCHEs被广泛应用于包括暖通空调系统[1]、废热回收[2]、化工过程[3]、食品和制药工业[4]、海水淡化[5]以及紧凑型热能系统[7]等多个领域。然而，它们的性能仍受限于热边界层的发展和壳侧混合效果不足的问题。因此，研究者们探索了多种被动和主动性的增强技术来提升热性能并降低能耗。被动增强方法无需外部能量输入即可修改流体流动结构；弯曲和卷曲的管管壁[8][9]尤其有效，因为曲率会产生离心力，形成Dean涡流，促进径向混合[10][11]，从而增强对流传热。

1927年，Dean[12]对不可压缩流体在弯曲管中的流动进行了基础性研究，他发现由于离心力的作用，流体在横截面上会形成两个对称的涡流。在直线螺旋形卷曲管（Straight Helical Coiled Tube, SHT）中，流体在两到三圈后达到完全流动状态，但在未完全流动区域，传热速率显著高于完全流动区域。为了解决这一问题，人们引入了流动反转概念。Mansour等人[13]证明，在流体达到完全流动状态前通过180度弯头改变流动方向，可以重新启动流动过程并增强二级循环，从而提高传热效果。基于这一原理，卷曲流动反转器（Coiled Flow Reverser, CFR）的几何结构提供了一种被动方式，能够定期干扰流动结构，维持更高的热性能。

与此同时，主动增强技术如气泡注入、振动[14]、流体注入[15][16]和射流冲击[17]也被应用来强化湍流并扰动热边界层。其中，气泡注入[17][18]特别具有吸引力，因为它能促进多相混合，增加界面扰动，并在壳侧局部扰动边界层。以下详细介绍了关于本研究的两个核心点——气泡注入以及利用CFR提升壳管式换热器传热性能的相关文献综述。

Mansour等人[13]对三种螺旋管配置下的液体混合效果进行了数值比较：直线螺旋管、卷曲流动反转器（Coiled Flow Inverter, CFI）和新型改造的卷曲流动反转器（Coiled Flow Reverser, CFR）。他们的研究涵盖了雷诺数范围从Re = 10到3000的各种层流情况。结果表明，当Re ≥ 500时，CFR的增强效果最为显著，在Re = 1000时出口温度比CFI高出约5%；然而，他们的研究仅限于数值分析，并未探讨CFR几何结构与主动增强技术的结合应用。

Farhadi等人[19]研究了带有扭曲带插入物的CFR内的传热增强和压力降。他们的研究涵盖了层流（10 < Re < 2000）和湍流（12,000 < Re < 18,000）两种状态，采用了实验和数值方法。在雷诺数2000的层流状态下观察到了最佳效果。不过，与CFI相比，关于CFR用于传热增强的研究仍较为有限。

为了简明概述与CFR用于传热增强相关的研究，表1总结了相关研究成果。

Farhadi等人在一项结合数值和实验的研究中[20]分析了螺旋卷曲管的传热性能和摩擦系数。他们的主要目标是建立相关公式，以帮助工程师和研究人员预测传热特性和压力降。作为研究的一部分，作者推导出了螺旋卷曲管内努塞尔特数（Nusselt number）的计算公式。

Mousavi等人[21]通过两种注入方式（壳侧通过穿孔环管注入和管侧直接注入）在壳管式换热器中实验研究了气泡注入的效果。结果发现，壳侧注入的传热增强效果更明显，整体传热系数根据空气流量的不同提高了6–187%，是最有效的方法。Hasan等人[22]通过实验研究了气泡大小对垂直逆流壳管式换热器传热的影响。使用直径为0.1、0.8和1.5毫米的气泡，他们发现气泡尺寸越大，传热性能提升越显著，整体传热系数和NTU的最大增强幅度分别为153%和68%，其中1.5毫米气泡的效果最佳。

Khorasani和Dadvand[23]研究了将细小气泡（平均直径约100微米）注入水平逆流螺旋卷曲管换热器壳侧的实验效果。空气注入显著提高了整体传热系数，在空气流量为6升/分钟时观察到最大增强幅度为158%，这归因于壳侧流动的扰动增强和气泡与热边界层之间的更强相互作用。然而，换热器方向对气泡分布和壳侧混合的影响仍有待进一步研究。Baqer等人[24]使用带有气泡注入的垂直逆流壳管式换热器， Cold water入口温度固定为17°C，而热水以三种不同温度（37°C、47°C和53°C）进入卷曲管，形成了20°C、30°C和35°C的温度差。NTU的最大增强幅度为1.93；不过改变螺旋管的入口温度并未显著改善性能。Mahood等人[25]报告称，在垂直卷曲管换热器中，通过壳侧空气注入使整体传热系数提高了高达158%。不过，该研究主要关注整体传热系数（U）的增强效果，未评估系统的压力降和水力性能。

Wang等人[26]通过将螺旋卷曲金属丝（Helical Coiled Wire, HCW）扰流器与气泡注入结合使用，实验研究了双管式换热器的热性能提升。单独使用气泡注入和HCW时，传热效率分别提高了66%和78%，两者结合使用时最大增强幅度达到156%，热增强因子（TEF）达到1.28。Al-Darraji等人[27]探讨了气泡注入和挡板布置对壳管式换热器凝结传热的影响，结果表明这种被动（挡板）和主动（气泡注入）策略的联合应用产生了协同效应，显著提升了凝结系数和流动混合效果。Zarei等人[28]在实验研究中考察了利用气泡注入改进的螺旋卷曲管换热器的冷热能储存性能，四种不同的气泡注入几何结构显示出气泡注入对线圈外部努塞尔特数（Nusselt number outside coil, Nu_uo_f）的显著影响，这种增强效果受到注入气泡的几何形状和流量的显著影响。与传统注入方式相比，气泡注入使Nu_uo_f提高了多达4.52倍。Kazemi-Esfe等人[29]研究了壳管式换热器的热性能，重点比较了使用CFR与直线螺旋管的效果，发现整体传热系数提高了39.5%至49.9%，效率提高了26%至31%。这种创新方法为设计高效节能的换热器提供了潜在优势。

该研究的实际意义在于促进了更高效、更紧凑的换热器设计。提升的热性能可以减小设备体积，通过降低能耗降低运营成本，并改善诸如暖通空调系统、工业过程加热/冷却和能量回收系统等应用中的过程控制。通过证明这种组合方法的有效性，本研究为未来追求更高能源效率的设计奠定了宝贵基础。

尽管已有许多研究探讨了带有气泡注入的壳管式换热器，但这些研究大多局限于传统的螺旋管几何结构。据作者了解，尚无实验研究结合气泡注入和卷曲流动反转器（CFR）的使用，后者的周期性流动反转和二次流生成特性与标准螺旋管有本质差异。因此，气泡辅助的CFR系统在热-水力行为方面的理解仍不够充分。

基于这一研究空白，本研究通过实验评估了将CFR几何结构与壳侧空气注入结合的混合增强方法，在不同操作条件下的效果进行了系统研究。图1示意性地展示了所提出混合方法的增强机制：卷曲流动反转器（CFR）定期改变弯曲管内形成的Dean涡流方向，ANSYS Fluent模拟结果显示在0°、90°和180°角度位置的流速大小轮廓。这种周期性流动反转延缓了完全流动状态的建立，促进了边界层的反复重新形成，并增强了管内的横截面混合。同时，壳侧气泡注入打破了外部热边界层，增强了线圈周围的局部湍流。CFR诱导的二次流动与气泡诱导的混合作用共同构成了本研究探索的混合传热增强机制的基础。

总共进行了48次实验测试，涵盖了不同的冷水流量（1.5至6升/分钟）、热水流量（1至2升/分钟）和气泡注入流量（8至12升/分钟）。在单相和两相操作条件下，系统评估了CFR几何结构和气泡注入对热性能和压力降的影响。

本文的其余部分结构如下：第2节描述了实验设置和程序；第3节解释了热计算方法和边界条件；第4节展示并分析了实验结果；第5节总结了研究发现，并提出了未来研究的方向。Pourya Omidvar：负责写作、审稿与编辑工作，以及项目监督和概念框架的构建。

利益冲突声明
作者声明：他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。

致谢
感谢Yasouj大学为这项研究提供的财务支持。
Hossein Kazemi-Esfehi, Younes Shekari, Pourya Omidvar