微通道換熱器-why(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微通道換熱器綜述1 前言換熱器工質(zhì)通過的水力學直徑從管片式的10-50mm，板式的3-10mm， 不斷發(fā)展到小通道的0.6-2mm，微通道的10-600，這既是現(xiàn)代微電子機械快速發(fā)展對傳熱的現(xiàn)實需求，也是微通道具有的優(yōu)良傳熱特性使然。微通道技術同時觸發(fā)了傳統(tǒng)工業(yè)制冷、汽車空調(diào)、家用空調(diào)等領域提高效率、降低排放的技術革新。微通道換熱器的工程背景來源于上個世紀80年代高密度電子器件的冷卻和90 年代出現(xiàn)的微電子機械系統(tǒng)的傳熱問題。1981年，Tuckerman和Pease提出了微通道散熱器的概念；1985年，Swife，Migliori和Wheatley研制出了用于兩流體

2、熱交換的微通道換熱器。隨著微制造技術的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠制造水力學直徑10-1000 通道所構成的微尺寸換熱器。1986年，Cross和Ramshaw研制了印刷電路微尺寸換熱器。體積換熱系數(shù)達到7MW/(m3·K)；1994年，F(xiàn)riedrich和Kang研制的微尺度換熱器體積換熱系數(shù)達45MW/ ( m3·K)；2001年，Jiang等提出了微熱管冷卻系統(tǒng)的概念。該微冷卻系統(tǒng)實際上是一個微散熱系統(tǒng)，由電子動力泵、微冷凝器、微熱管組成。如果用微壓縮冷凝系統(tǒng)替代微冷凝器，可實現(xiàn)主動冷卻，支持高密度熱量電子器件的高速運行。在汽車空調(diào)方面，由于傳統(tǒng)的氟利昂系列制冷劑對臭氧層具有較

3、強的破壞作用。已被蒙特利爾議定書禁止。R134a作為一種過渡型替代品，由于其溫室效應指數(shù)很高(約為CO2的1300倍)，也被京都議定書所否定。CO2 在蒸發(fā)潛熱、比熱容、動力黏度等物理性質(zhì)上具有優(yōu)勢。若采用合適的制冷循環(huán)，CO2在熱力特性上可與傳統(tǒng)制冷劑相當，甚至在某些方面更具優(yōu)勢。但是CO2制冷循環(huán)為超臨界循環(huán)，壓力很高。在空調(diào)系統(tǒng)中高壓工作壓力要到13MPa以上，設計壓力要達到42.5MPa，這對壓縮機和換熱器的耐壓性均提出了很高的要求。在結構輕量化和小型化的前提下，微通道氣體冷卻器是同時滿足耐壓性、耐久性和系統(tǒng)安全性的必然選擇。目前歐盟已做好準備，將于2011年全面使用CO2工質(zhì)的汽車空

4、調(diào)系統(tǒng)。在家用空調(diào)方面，當流道尺寸小于3mm時，氣液兩相流動與相變傳熱規(guī)律將不同于常規(guī)較大尺寸。通道越小，這種尺寸效應越明顯。當管內(nèi)徑小到0.5-1mm 時，對流換熱系數(shù)可增大50%-100%。將這種強化傳熱技術用于空調(diào)換熱器，適當改變換熱器結構、工藝及空氣側的強化傳熱措施，預計可有效增強空調(diào)換熱器的傳熱、提高其節(jié)能水平。與最高效的常規(guī)換熱器相比，空調(diào)器的微通道換熱效率可望提高20%-30%。在這方面，全球幾大散熱器生產(chǎn)廠家如Delphi、Aluventa和Danfoss等已經(jīng)開始將微通道散熱器推廣應用于家用空調(diào)如多聯(lián)機、戶式中央空調(diào)，這將使產(chǎn)品擁有巨大的競爭力。我國陽江寶馬利、江蘇康泰也在緊

5、跟全球換熱器發(fā)展步伐，已開發(fā)出多種微通道家用空調(diào)散熱器1。20世紀50年代末，著名的物理學家Richard Feynman曾預言微型化是未來科學技術的發(fā)展方向。換熱器作為化工過程機械的典型產(chǎn)品，是工藝過程中必不可少的單元設備，廣泛地應用于石油、化工、動力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制藥等工業(yè)部門及國防工程中。其材料及動力消耗占整個工藝設備的30%左右，在化工機械生產(chǎn)中占有重要的地位。如何提高換熱器的緊湊度，以達到在單位體積上傳遞更多的熱量，一直是換熱器研究和發(fā)展應用的目標。器件裝置微型化(Miniaturization)的強大發(fā)展趨勢推動了微電子技術的迅猛發(fā)展和MEMS(microe

6、lectromechanical system)技術的不斷進步，也推動了更加高效、更加小型化的微通道換熱器(micro- channel heat exchanger)的誕生。所謂微通道換熱器是一種借助特殊微加工技術以固體基質(zhì)制造的可用于進行熱傳遞的三維結構單元。當前關于微通道換熱器的確切定義，比較通行、直觀的分類是由Mehendale.s.s提出的按其水力當量直徑的尺寸來劃分。通常含有將水力當量直徑小于1mm換熱器稱為微通道換熱器。早在二十世紀八十年代，美國學者Tuckerman和Pease報道了一種微通道(Micro- channel)換熱結構。該結構有高導熱系數(shù)的材料(如硅)構成，其換熱

7、過程為在底面加上的熱量經(jīng)過通道壁傳至通道內(nèi)，其換熱性能得到超過傳統(tǒng)換熱手段所能達到的水平，成功地解決了集成電路大規(guī)模和超大規(guī)?；鶐淼摹盁嵴稀眴栴}。隨后Wu和Little、Pfahler等、Choi等都對通道中的單相流進行了分析和研究。用于兩種流體熱交換的微通道換熱器于1985年由Swift研制出來，研究表明，其微通道換熱器的單位體積換熱量可高達幾十MW/(m2·K)。美國太平洋西北國家研究所(Pacific Northwest National Lab)于90年代后期研制成功燃燒/氣化一體化的微型裝置以及微型熱泵等?？査刽斞芯恐行?Forschungszentrum Karls

8、ruhe GrabH)也在利用經(jīng)過成型工具超精細車削加工的器件，將其彼此連接形成錯流和逆流的微換熱器2。2 微通道換熱器的類型、材料及加工方式微通道換熱器按外形尺寸可分為微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。2.1 微型微通道換熱器微型微通道換熱器是為了滿足電子工業(yè)發(fā)展的需要而設計的一類結構緊湊、輕巧、高效的換熱器。其結構形式有平板錯流式微型換熱器、燒結網(wǎng)式多孔微型換熱器。微型微通道換熱器可選用的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4和鋁等。采用鎳材料的微通道換熱器，單位體積的傳熱性能比相應聚合體材料的換熱器高5倍多，單位質(zhì)量的傳熱性能也提高了50%。采用銅材料。可將金

9、屬板材加工成小而光滑的流體通道，且可精確控制翅片尺寸和平板厚度，達到幾十微米級， 經(jīng)釬焊形成平板錯流式結構，傳熱系數(shù)可達45MW/ ( m3·K)，是傳統(tǒng)緊湊式換熱器的20倍。采用硅、Si3N4等材料可制造結構更為復雜的多層結構。通過各向異性的蝕刻過程可完成加工新型換熱器，使用夾層和堆砌技術可制造出各種結構和尺寸，如通道為角錐結構的換熱器。隨著微加工技術的提高，目前可以加工出流道深度范圍為幾微米至幾百微米的高效微型換熱器。此類微加工技術包括：平板印刷術、化學刻蝕技術、光刻電鑄注塑技術( LIGA) 、鉆石切削技術、線切割及離子束加工技術等。燒結網(wǎng)式多孔微型換熱器采用粉末冶金方式制作。

10、2.2 大尺度微通道換熱器大尺度微通道換熱器主要應用于傳統(tǒng)的工業(yè)制冷、余熱利用、汽車空調(diào)、家用空調(diào)、熱泵熱水器等。其結構形式有平行流管式散熱器和三維錯流式散熱器。由于外型尺寸較大( 達1.2 mx4 mx25.4 mm)，微通道水力學直徑在0. 6- 1 mm以下，故稱為大尺度微通道換熱器。微通道結構經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展。常規(guī)微管道( 陣列式)，包括圓形、矩形、V形、梯形、雙梯形等的截面形狀以及目前的一種基于熱邊界層中斷技術的交錯結構，大多屬于準二維的直線形微管道。微通道內(nèi)流量分配不均、微通道分布均勻性差、局部散熱不佳成為二維微通道面臨的難題。三維結構(分形網(wǎng)絡)的微通道正是在這種背景下發(fā)

11、展起來的。常見的有樹狀分形結構、雙層樹狀網(wǎng)絡、T形樹狀分形流體網(wǎng)絡、仿哺乳動物呼吸系統(tǒng)樹狀分形微管道結構和仿蜂巢結構的分形網(wǎng)絡。三維微通道的加工制造技術：(1) 光刻電鍍( LIGA) 技術： 1986年由德國W.Ehrfeld發(fā)明，等利用高能加速器產(chǎn)生的同步輻射x射線刻蝕、結合電鑄成形和塑料鑄模技術發(fā)展出的LIGA工藝。控制光刻時的照射深度，亦即使用部分透光的掩模，在曝光同一時刻光刻膠在不同處的曝光深度不同，從而獲得的光刻模型可以有不同的高度，從而獲得真正的三維為立體微型器件。(2) 準分子激光微細加工技術：準分子激光處于遠紫外波段，波長短、光子能量大，可以擊斷高聚物材料的部分化學鍵而實現(xiàn)化

12、學“冷加工”。利用準分子激光的掩膜投影直刻技術能獲得大深寬比的微結構、加工面寬、成本低、可實現(xiàn)批量生產(chǎn)；利用聚焦激光束光柵掃描刻蝕技術能實現(xiàn)連續(xù)三維結構的加工。(3) 雙光子聚合(TPP)加工技術：是通過光敏劑中的非線性雙光子吸收過程所引發(fā)的聚合反應，采用多重斷面分層疊加的方法進行加工，各斷面的掃描數(shù)據(jù)從三維CAD數(shù)據(jù)中得到。在聚合反應后，沒有固化的液態(tài)樹脂，其采用在樹脂上澆注類似于酒精之類溶劑的方法去除，從而顯露出聚合的三維微結構。隨著加工制造技術的發(fā)展，目前已實現(xiàn)了一些復雜的機械表面。但從當前國際微型機械產(chǎn)品的生產(chǎn)來看，三維復雜微成形在技術上仍未得到很好的解決， 正在積極開發(fā)新型的、更有效

13、的微加工和微成形技術。3 微通道中流體的傳熱特征微通道對流換熱不同于宏觀( 指尺寸>1mm) 通道換熱的機理。受通道形狀、壁面粗糙度、流體品質(zhì)、表面過熱量、分子平均自由程與通道尺寸之比等眾多因素的影響， 微通道換熱呈現(xiàn)出一些特殊的特點。3.1 換熱效率隨熱導率的變化趨勢根據(jù)徑向熱阻和器壁軸向熱傳導的影響，換熱器效率隨熱導率的變化可分為3個區(qū)域：低熱導率時，隨熱導率的增加，徑向熱阻的影響逐漸減弱，換熱器效率增大，該區(qū)域可稱為熱阻控制區(qū)；熱導率增加到一定程度時，換熱器效率隨熱導率增加的趨勢逐漸減弱，增至最大值后開始逐漸減小，稱為高效換熱區(qū)；熱導率進一步增加時，器壁軸向?qū)釋Q熱過程的影響逐漸

14、增強，換熱器效率隨之減小，并逐漸趨近于器壁完全等溫時的換熱效率50%，稱為熱傳導控制區(qū)。3.2 流量對于換熱效率的影響在低介質(zhì)流量時，金屬換熱器的換熱效率隨介質(zhì)流量的變化存在一個最大值，亦即對于確定結構的換熱器而言，存在一個最佳的操作流量值。并且，在相同的流量偏差下，系統(tǒng)效率在亞負荷操作時，效率降低幅度要比在超負荷操作時大得，因此，在一定范圍內(nèi)，金屬微通道換熱器可超負荷運行，不宜在亞負荷狀態(tài)下操作，這點與常規(guī)尺度換熱器系統(tǒng)有明顯的區(qū)別。在高介質(zhì)流量時，器壁軸向?qū)釋Q熱效率的影響逐漸減弱。隨介質(zhì)流量的增加，換熱效率逐漸減小。3.3 微通道加工材質(zhì)的選擇在低介質(zhì)流量時，熱阻控制區(qū)為低熱導率區(qū)。因

15、此低熱導率材料換熱器(如玻璃) 的換熱效率要明顯高于諸如金屬等具高熱導率的換熱器。在高介質(zhì)流量時， 對于結構參數(shù)一定的換熱器，隨操作流量的增加，導熱熱阻對換熱效率的影響逐漸增強，高效換熱區(qū)也向高熱導率方向移動，換熱器材料可用熱導率相對較低的金屬材料(如不銹鋼)。Bier等對錯流式微通道換熱器內(nèi)氣-氣換熱特性進行了數(shù)值分析和實驗研究，結果表明，不銹鋼微通道換熱器的換熱效率高于銅微換器。3.4 臨界熱流密度對于有相變的換熱，微通道中的臨界熱流密度現(xiàn)象不同于常規(guī)通道。微通道中臨界熱流密度的產(chǎn)生是由于微通道的蒸汽阻塞。在達到臨界熱流密度之前，微通道的流動和傳熱主要是周期性的過冷流動沸騰，從微通道逸出的

16、汽泡和進入微通道的液體反復交替沖刷微通道。一旦達到臨界熱流密度，微通道中的流動和傳熱主要是一個蒸汽周期性逸出的過程。一直持續(xù)到過熱蒸汽的出現(xiàn)，直到最后整個微通道被過熱蒸汽阻塞。4 微通道換熱實驗研究2004西安電子科技大學的王衛(wèi)東3等人提出了一種用來測試微通道換熱性能的實驗裝置，該實驗裝置由微通道換熱器、模擬熱源、微型水泵、連接管、測試三通及其它測試原件構成。通過檢測溫度、壓力及流量等參數(shù)能夠得到微通道的傳熱和摩阻系數(shù)。并針對該實驗裝置對微通道中流體的壓降和傳熱分別進行分析和研究。實驗表明，當做通道水力直徑為381um時，宏觀理論公式已不適用于微通道摩阻及其換熱的計算。此時，微通道的摩阻比宏觀

17、理論計算值小31.6% -41.9%；微通道結構具有良好的換熱性能，其Nu可達9.2。2008年周子成4研究了微通道換熱器的壓力損失和傳熱系數(shù)的確定，以及在中央空調(diào)單元式機組中替代銅管鋁箔風冷冷凝器所做的試驗，結果表明，在換熱量相接近的情況下，冷凝器迎風面積由1.22減小到0.352，材料質(zhì)量由銅材10kg和鋁材3.5kg減小到銅材0kg鋁材2.7kg。由于微通道換熱器的熱系數(shù)小、體積小、重量輕和不使用銅材等優(yōu)點，使它的應用范圍漸漸擴展到家用空調(diào)和中央空調(diào)領域。是一種很有發(fā)展前途的換熱器。5 微通道換熱器的應用前景5.1 微通道換熱器在CO2 制冷方面的應用隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展， 汽車空調(diào)逐

18、漸普及并成為國產(chǎn)汽車的標準配件， 市場空間巨大。基于環(huán)保要求，環(huán)境友好型工質(zhì)CO2的應用引起學術界和工業(yè)界的高度重視。與R134a和R1234yf 相比，CO2的低溫室效應指數(shù)( GWP =1)、破壞臭氧潛能值低(ODP= 0)、不可燃性、無毒以及穩(wěn)定的化學性質(zhì)都具明顯優(yōu)勢。CO2的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當高，故壓縮機及部件尺寸較小，但CO2 排熱與吸熱過程在跨臨界狀態(tài)下進行，要求以其為工質(zhì)的換熱器有較高的耐壓能力。歐洲制冷界經(jīng)過8年的摸索后發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的換熱器中，微通道換熱器具有最好的綜合效率。美國伊利諾斯大學制冷空調(diào)中心制造的使用微通道換熱器的汽車空調(diào)樣機的性能已達到甚至超過了參照的R134a系統(tǒng)。微通道換熱器在空調(diào)器中的應用具有如下優(yōu)勢5：1、 節(jié)能。節(jié)能是當今空調(diào)器的一項重要指標。常規(guī)換熱器很難制造出高等級如I級能效標準的產(chǎn)品，微通道換熱器將是解決該問題的最佳選擇。2、 成本。與常規(guī)換熱器不同，微通道換熱器不依靠增加材料消耗提高換熱效率， 在達到一定生產(chǎn)規(guī)模時將具有成本優(yōu)勢。3、 推廣潛力。微通道