微通道换热器的特性分析及应用

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1、苏尚美，张亚男，成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002)摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性，通过换热器火用效率的分析,发现微通道 具有高传热系数，高表面积一体积比，低传热温差，低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率 高，性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择，微通道结构的优化及加工方法，分析了微 通道换热器的应用前景.关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构引言2O世纪5O年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技 术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品，是工艺过程中必不可少的单元设备，广 泛地应用于石油,化工,动力，核能

2、，冶金，船舶，交通，制冷，食品及制药等工业部门及国防工程中. 其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提 高换热器的紧凑度，以达到在单位体积上传递 更多的热量，一直是换热器研究和发展应用的 目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(microelectromechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效，更加小型化 的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生.1微通道发展简史所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用

3、于进行热传递的三维 结构单元.当前 关于微通道换热器的确切定义，比较通行，直观的分类是由Mehendale.s.s提 出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm换热器称为微 通道换热器.早在二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种如图1 所示的微通道(Micro-channel)换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成，其换热过 程为在底面加上的热量经过通道壁传至通 道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达 到的水平，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的”热障”问题.随后Wu和 Little,Pfahler 等,Choi等都对

4、通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微 通道换热器于1985年由Swift研制出来，研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可 高达几十.美国太平洋西北国家研究所(Pacific Northwest National Lab)于90年代后期 研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心 (Forschungszentrum Karlsruhe GrabH)也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其 彼此连接形成错流和逆流的微换热器.图一 微通道的基本结构2 微通道中流体的流动特性由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内，使它不仅涉及空间尺度的微

5、小化，还 涉及更为复杂的尺度效应.2.1 微尺度效应对于气体单相流动，当通道直径当小于200时，即努森数0.001时(其中为分子的平均自 由程，为水力当量直径)，流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响.对于液体单相流动，当微通道直径为381时，宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔 数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例，微通道换热器的最高达到了 9.20，而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23,说明微通道换热已具有微尺度效应(表 面效应) .对于两相流，微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著，导致流型分布及转换准则发生变化. 由于表面张力的影响，流动中不存在非球形泡沫.表

6、面张力对微流动的影响一般表现在两相 微流动的初始阶段，随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减小.2.2入口段效应微电子器件尺寸一般都很小,集成在这些元件上的微通道长度也就很小.这样一来，在当量直 径不太小的情况下，无量纲长度（）的取值就很小（0.089M 1mm）通道换热的机理.受通道形状，壁面粗糙度，流体品 质，表 面过热量,分子平均自由程与通道尺寸之比等众多因素的影响，微通道换热呈现出一些 特殊的特点.3.1换热效率随热导率的变化趋势根据径向热阻和器壁轴向热传导的影响,换热器效率随热导率的变化可分为3个区域:低热 导率时，随热导率的增加，径向热阻的影响逐渐减弱，换热

7、器效率增大，该区域可称为热阻控制 区;热导率增加到一定程度时，换热器效率随热导率增加的趋势逐渐减弱，增至最大值后开始 逐渐减小，称为高效换热区;热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强, 换热器效率随之减小,并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率50%,称为热传导控制区.3.2 流量对于换热效率的影响在低介质流量时，金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值，亦即对于确定结 构的换热器而言,存在一个最佳的操作流量值.并且，在相同的流量偏差下，系统效率在亚负荷 操作时，效率降低幅度要比在超负荷操作时大得,因此,在一定范围内，金属微通道换热器可超 负荷运行，不宜在亚负荷状态下

8、操作,这点与常规尺度换热器系统有明显的区别.在高介质 流量时，器壁轴向导热对换热效率的影响逐渐减弱.随介质流量的增加，换热效率逐渐减小.3.3微通道加工材质的选择在低介质流量时，热阻控制区为低热导率区.因此低热导率材料换热器（如玻璃）的换热效率要 明显高于诸如金属等具高热导率的换热器.在高介质流量时,对于结构参数一定的换热器，随操作流量的增加，导热热阻对换热效率的影 响逐渐增强，高效换热区也向高热导率方向移动，换热器材料可用热导率相对较低的金属材 料（如不锈钢）.Bier等对错流式微通道换热器内气-气换热特性进行了数值分析和实验研究, 结果表明，不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换热器.3.

9、4临界热流密度对于有相变的换热，微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的 产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前，微通道的流动和传热主要是周期 性的过冷流动沸腾，从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达 到临界热流密度,微通道中的流动和传 热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过 热蒸汽的出现，直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞.3.5入口段效应Nusselt数随无量纲加热长度 的增加而减小.而对于常规尺度下圆管内层流换热，当=0.05 时,换热趋于充分发展状态,Nusselt数趋于定值4.51.根据的取值范围0.013 0.093

10、,可以 计算得到换热入口段长度占总通道长度的百分比为53.8%.入口段效应对工质换热的影响 十分显著.4微通道换热器换热性能此处以换热器的火用效率作为衡量换热器热性能的指标 其中热效率一一冷流体吸热量，一一热流体放热量；温度火用效率，环境温度， 分别微冷流体吸热平均温度和热流体平均放热温度压力火用效率，冷介质相对火用耗 损,一一热介质相对火用耗损4.1热效率当热介质侧散热量一定时，热效率与换热量有关.根据热流密度公式：，在传热温差一定时, 微换热器无相变传热系数可达1015，有相变传热系数可达3035 ;微通道具有高表面积 -体积比，微通道中流体与通道单位体积接触表面积要远大于常规通道中流体与

11、通道的单位 体积接触 表面积.微通道可使热流密度高达100-150，而一般传统换热形式只能达到 10-20，热效率可达0.95以上.4.2温度火用效率在传热温度水平一定时，传热温差引起的不可逆传热损失是火用耗损增加的原因.表1温差 对换热器火用效率的影响 275 200 150 100 50 0 62.1 62.1 55.7 43.7 25.6 0 0.451 0.579 0.666 0.760 0.868 1微通道换热器换热系数维持在一个较高的水平,从而减小了传热温差，减小不可 逆传热造成的能量损失.实验证明，采用10C的去离子水作为冷媒，以6 m/s的速度流人微 通道，在1芯片上散热150

12、时水与芯片温差可维持在15C以下，对500的热通量快速散 热时硅底部的温升只有21.153C.由表可知，温度火用效率在0.92以上.4.3 压力火用效率相对火用耗损，由流动阻力决定，其中冷介质侧的相对火用耗损 对压力火用效率的影响较 大.尽管微通 道内径很小，但其沿程流动阻力不大，微通道的摩阻比宏观理论值小31.6% 41.9%.综合分析可知，微通道具有高传热系数，高表面积一体积比，低传热温差，低流动阻力 等特点.微通道换热器火用效率高，性能优于常规换热器.5工质的选择对于微通道热沉的设计来讲，无论采用沸腾换热还是采用单相强制对流换热，工质的选择都至 关重要.用于微通道的传热介质一般是经过纯化

13、的空气,氮气,，水等.除此之外还有液氮，乙醇, 硅油，氟利昂等液体，工程常用的乙二醇水溶液则少见报道.根据换热系数关联式可以看出, 在微通道长度，直径和介质流量一定时,宜选用在导热系数及比热比较大的工质.试验表明, 空冷硅微通道热沉的热阻小于1 ,水冷硅热沉的热阻小于0. , 1液氮冷却硅微通道热沉的 热阻小于0. . O5随着冷却介质导热系数和比热的增大,换热被加强.6微通道结构的优化及加工微通道结构经历了从二维到三维的发展.常规微管道（阵列式），包括圆形,矩形,V形,梯形,双 梯形等的截面形状以及目前的一种基于热边界层中断技术的交错结构，大多属于准二维的 直线形微管道.微通道内流量分配不均

14、,微通道分布均匀性差，局部散热不佳成为二维微通道 面临的难题.三维结构（分形网络）的微通道正是在这种背景下发展起来的.常见的有树状分 形结构,双层树状网络,T形树状分形流体网络，仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构和 仿蜂巢结构的分形网络.三维微通道的加工制造技术：光刻电镀（LIGA）技术：1986年由德国W.Ehrfeld发明,等利用高能加速器产生的同步辐射x射线刻蚀，结合电铸 成形和塑料铸模技术发展出的LIGA工艺.控制光刻时的照射深度，亦即使用部分透光的掩 模，在曝光同一时刻光刻胶在不同处的曝光深度不同，从而获得的光刻模型可以有不同的高 度,从而获得真正的三维为立体微型器件.准分子激光微

15、细加工技术：准分子激光处于远紫外波段，波长短，光子能量大，可以击断高聚物材料的部分化学键而实现 化学”冷加工”.利用准分子激光的掩膜投影直刻技术能获得大深宽比的微结构，加工面宽，成 本低，可实现批量生产;利用聚焦激光束光栅扫描刻蚀技术能实现连续三维结构的加工.双 光子聚合(TPP)加工技术：是通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的聚合反应，采 用多重断面分层叠加的方法进行加工，各断面的扫描数据从三维CAD数据中得到.在聚合 反应后，没有固化的液态树脂，其采用在树脂上浇注类似于酒精之类溶剂的方法去除,从而显 露出聚合的三维微结构.随着加工制造技术的发展,目前已实现了一些复杂的机械表面.但从 当前国际微型机械产品的生产来看，三维复杂微成形在技术上仍未得到很好的解决,正在积 极开发新型的，更有效的微加工和微成形技术.7微通道换热器的应用前景目前，随着微型机械电子系统和微型化学机械系统的发展,传统的换热装置已不能满足应用系 统的基本要求，换热装置微型化的发展成为迫切要求和必然趋势;另外,随着能源问题的日渐 突显，也要求在满足热量交换的前提下，尽可能缩小设备体积,即提高设备的紧凑性，进而减轻 设备重量，节约材料，并相应地减少占地面积.微通道换热器具有结构紧凑，换热效率高，质量 轻,运行安全可靠等特点.它在微电子，航空航天,医疗，化学生物工