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1、第9卷 第5期制 冷 与 空 调 2 0 0 9年1 0月REFRIGERATION AND AIRCONDITIONING124 收稿日期:2009208217 通信作者:钟毅,Email :zy5125990 微通道换热器研究进展 钟毅 尹建成 潘晟旻 (昆明理工大学) 摘 要 从微通道换热器的发展历史出发,介绍其制造方式、 结构和材料,重点介绍对微通道换热器发展和 降低成本有重要影响的全铝微通道管材成形加工技术。对微通道传热的特征进行述评,从微电子微机械高 效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现微通道换热器的应用前景。 关键词 微通道;换热器;传热特性;压力降
2、;空调;制冷 Research development of microchannel heat exchanger Zhong Yi Yin Jiancheng Pan Shengmin ( Kunming University of Science and Technology) ABSTRACT Based on the historical development of microchannel heat exchangers ,intro2 duces its manufacturing methods ,structures and materials. Focuses on th
3、e microchannel tube forming aluminum processing technology. The technology for the development of mi2 crochannel heat exchanger ,reducing manufacturing costs ,is very meaningful. Reviewes the characteristics of microchannel heat transfer. Unfolds the application prospect of this technology in microe
4、lectronics or micromechanical high2efficiency heat transfer ,CO2refrig2 erant to reduce greenhouse gas emissions and improve energy efficiency home air2condi2 tioning. KEY WORDS microchannel ;heat exchanger ;heat transfer characteristics;pressure drop ; air2conditioning ;refrigeration 换热器工质通过的水力学直径从
5、管片式的 1050mm ,板式的 310mm ,不断发展到小通 道的 0.62mm ,微通道的 10600m ,这既 是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求, 也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技 术同时触发了传统工业制冷、 汽车空调、 家用空调 等领域提高效率、 降低排放的技术革新。 1 微通道换热器的发展历程 微通道换热器(见图1122)的工程背景来源于 上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年 代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年, Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念; 1985年,Swife ,Migliori和Wheatley研制出了用 于两流
6、体热交换的微通道换热器。随着微制造技 术的发展,人们已经能够制造水力学直径 10 1 000m通道所构成的微尺寸换热器。1986年, Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热 器,体积换热系数达到7MW/ (m 3 K) ;1994年, Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热 系数达45MW/ (m 3 K) ;2001年,Jiang等提出 了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实际上 是一个微散热系统,由电子动力泵、 微冷凝器、 微 热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝 器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的 高速运行 3 。 在汽车空调方面,由于传统的氟利
7、昂系列制 冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用,已被 蒙特利 尔议定书 禁止。R134a作为一种过渡型替代品, 2 制 冷 与 空 调第9卷 (a)结构图 (b)外形图 图1 微通道换热器的结构和外形图 由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300 倍4 ) , 也被 京都议定书 所否定。CO2在蒸发潜 热、 比热容、 动力黏度等物理性质上具有优势5,若 采用合适的制冷循环,CO2在热力特性上可与传 统制冷剂相当,甚至在某些方面更具优势。但是 CO2制冷循环为超临界循环,压力很高 6 ,在空调 系统中高压工作压力要到13MPa以上,设计压力 要达到42.5MPa ,这对压缩机和换热器的耐压性 均提
8、出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的 前提下,微通道气体冷却器是同时满足耐压性、 耐 久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好 准备,将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调 系统。 在家用空调方面,当流道尺寸小于3mm时, 气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大 尺寸,通道越小,这种尺寸效应越明显。当管内径 小到 7 000 体积换热系数/ (W/ (m 3 K) (气体工质) 20100503003002 000 流动方式湍流湍流层流 热流量/ (W/ cm 3) 10 相对长度201 等效率下的尺寸101 投资减少约25% 4 微通道换热器的应用前景 4. 1 微通道换热器在C
9、O2制冷方面的应用 随着我国汽车工业的发展,汽车空调逐渐普 及并成为国产汽车的标准配件,市场空间巨大。 20012008年我国汽车空调压缩机产量与汽车产 量增长趋势如图2所示(数据来源:国家统计局)。 基于环保要求,环境友好型工质CO2的应用 引起学术界和工业界的高度重视。与R134a和 R1234yf相比,CO2的低温室效应指数( GW P = 1) 、 破坏臭氧潜能值低(OD P = 0)、 不可燃性、 无毒 以及稳定的化学性质都具明显优势。CO2的蒸发 潜热较大,单位容积制冷量相当高,故压缩机及部 件尺寸较小,但CO2排热与吸热过程在跨临界状 4 制 冷 与 空 调第9卷 图2 我国汽车
10、空调压缩机及汽车产量 态下进行,要求以其为工质的换热器有较高的耐 压能力。欧洲制冷界经过8年的摸索后发现,在现 有的换热器中,微通道换热器具有最好的综合效 率 16 。美国伊利诺斯大学制冷空调中心制造的使 用微通道换热器的汽车空调样机的性能已达到甚 至超过了参照的R134a系统17。 微通道换热器在空调器中的应用具有如下 优势: 节能。节能是当今空调器的一项重要指 标。常规换热器很难制造出高等级如 级能效标 准的产品,微通道换热器将是解决该问题的最佳 选择。 成本。与常规换热器不同,微通道换热器 不依靠增加材料消耗提高换热效率,在达到一定 生产规模时将具有成本优势。 推广潜力。微通道换热器技术
11、在空调制造 领域还有向大型商用空调系统推广的潜力,可以 极大提升产品的竞争力和企业的可持续发展 能力 3 。 4. 2 微通道换热器在微电子等领域的应用 微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶 体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度 已达510MW/ m 2 ,散热已经成为其发展的主 要 “瓶颈”,微通道换热器取代传统换热装置已成 必然趋势。因此在嵌入式技术及高性能运算依 赖程度较高的航空航天、 现代医疗、 化学生物工 程等诸多领域,微通道换热器将有具广阔的应用 前景。 5 结束语 与常规换热器相比,微通道换热器不仅体积换 热系数大,换热效率高,可满足更高的能效标准,而 且具有优良的耐压性
12、能,可以CO2为工质制冷,符 合环保要求,已引起国内外学术界和工业界的广泛 关注。目前,大尺度微通道换热器的关键技术 微通道平行流管的生产方法在国内已渐趋成熟,使 得微通道换热器的规模化使用成为可能。 参 考 文 献 1 http :chillers. aquaproducts. us/ attachments/ Micro2 channelCoilComparison.pdf. 2009208217. 2 https: shared/ pdf/ ppd/ other/ mcrchn_cndn2 sr.pdf. 2009208217. 3 http:www. bylm. net/forum/ read2htm2tid2146128. html. 2009208217. 4 http :www. CO22Air2Conditioning2 System21013640000000001.aspx . 2009208217. 5 杨俊兰,马一太,管海清.微通道换热器在CO2跨临 界制冷系统中的应用.制
