微通道换热器流动和传热特性的研究

微通道换热器流动和传热特性的研究微通道换热器流动和传热特性的研究杨海明朱魁章张继宇杨萍(中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043)摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型1引言通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A.Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术,在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。2流动、传热特性的相关准则2.1研究内容(1)直线微通道换热器流动的理论研究根据国外已经研究的光滑直线微通道换热器的流动特性的换算法则:层流时管流摩擦系数与雷诺数的乘积为一定值,它与矩形截面的尺寸比有关,在保持换热效率和压力降不变的前提下,得出了微通道尺寸、长度与流量的关系,以及摩擦系数f的计算。在直线微通道换热器的基础上,研究微通道的结构尺寸、压力等因素对流动摩擦因子和压力降的影响,根据动量传输和能量传递的比拟理论,利用阻力系数推算换热系数、雷诺数比拟,通过实验来进行直线微通道换热器中流动特性研究。(2)直线微通道内的对流传热特性利用直线微通道的特点,建立玻璃微通道试验模型,在直线微通道换热器的基础上,测量流动气体的温度变化、研究其对流传热特性。2.2流动、传热特性的相关准则要进行微通道换热器流动和传热特性的研究,就需要找到气体在微通道换热器中流动时雷诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)、雷诺数Re、普朗特数Pr-努谢尔特数Nu(传热特性)的对应关系,而这些对应关系只能通过相关准则及通过实验测量气体流量、压力差及制冷功率等数据来推算。现列出流动、传热特性的相关准则:从上述准则可知,对于特定的微通道换热器、实验气体,我们只要通过实验测定出气体流量、压力差及制冷功率等数据,就可以推算出摩擦系数f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu等值,进而找出它们之间的相互关系,得出微通道换热器的流动和传热特性。3实验装置的设计3.1实验方案的确定在微通道换热器中,传热研究中的基本待测量主要为:温差、热流、热导率等,以及流体力学参量如流量、压强、粘度、摩擦系数等。对这些参量在一定空间和时间范围内的测量,构成了流体和传热学研究的基础。为了能精确地测量出微通道换热器中气体流量、压力差及制冷功率等数据,我们在消化吸收相关资料的基础上对微通道模型实验方案进行了设计,确定了微通道模型的实验方案框架。整个实验方案的基本组成构思如下:(1)高压气源模块:工作输出压力:70Mpa,可调节输出压力;(2)调压模块:调节输出压力:70Mpa,高压调压阀;(3)输出模块:含有高压气动阀和电磁阀,实现自动控制;(4)干燥模块:高压氮气进气干燥过滤,保证高纯瓶装氮气进气质量(CO2:≤2ppm,H2O:≤2ppm);(5)压力监控模块:高压压力传感器两支与(6)高压储气模块:高压缓冲罐,工作压力:70MPa;(7)高压流量模块:高压氮气流量传感器与二次仪表显示,最大工作压力:70Mpa,流量:4g/min~600g/min,(8)制冷测温模块:制冷温度传感器采用Pt-100等测量模式,两路信号采集,二次仪表显示,温度范围:330K~60K,精度:+0.5K;(9)干燥模块:高压氮气进气干燥,保证高纯瓶装氮气质量(除去CO2、H2O等杂质);(10)数据系统模块:具有压力、温度、流量、时间数据采集记录功能。a)超高压质量流量计和软件测试J-T制冷器输出气体流量;b)温度测量:测试J-T制冷器制冷温度;c)压力测量:两路压力测量显示;d)8路采集控制:软件/数据采集/曲线生成打印报告。(11)气体质量检测模块:具有露点仪(+40℃~-100℃);O2为高纯在线O2分析仪,H2O为全范围量程露点仪,CO2为在线气相色谱仪。检测①:每次检测低压钢瓶气源质量;检测②:在线检测高压纯化干燥器后的气体品质。3.2实验装置的设计制作由于微通道模型几何结构很小,微尺度内流体的冷却特性、流动模式转变、流体流速和压力、通道表面过流及相关表面过热、质量流、可压缩性、多相态等不易观测到,测量误差较大。这对推算微通道气体流动特性的理论产生一定的影响,故需要通过精密的质量流量计、压力表、温度传感器等实验用仪器仪表,同时通过精密流量计和精密压力表等仪表来进行精确测量。根据确定的实验方案,我们进行了实验装置的设计,微通道模型实验装置图如图2所示:4实验模型的建立为了使微通道换热器的流动和传热特性具有广泛性,我们选用了最常用、最具代表性的氮气来作为实验气体,其物性参数为:密度ρ=1.25kgm3,动力粘度μ=1.5×10-5kg/m·s,气体导热系数λ=7.6×10-3W/m·K;微通道换热器的具体参数为:微通道的长度L=0.2m,水力当量直径dh=100μm=1×10-4m。通过实验装置,我们测得了9组数据,结合相关准则公式(1)~(4)可推算出微通道摩擦系数f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu。再通过应用OriginPro7.0图表软件,我们可以得到雷诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)曲线图、雷诺数Re-努谢尔特数Nu(传热特性)的对应关系曲线图,如图3、4所示。对于管内强迫对流换热,函数间存在以下的关系:至此,我们通过实验操作和理论推算得到了雷诺数Re-摩擦系数f间的对应关系,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu的对应关系,建立了微通道换热器气体流动所产生的流动特性和传热特性实验模型。5实验模型的分析根据传热学等的相关理论可知,对于普通的管道摩擦系数f由传统的Moody图给出,它与雷诺数Re的关系如式(9)所示:当Re2000时,摩擦因子f受入口条件、压力波等引起的初始湍流度的影响而发生变化。对于气体的流动特性,则遵循如下的经验公式:比较微通道与普通管道换热器的流动特性式(7)、(9),我们可以看出:在相同雷诺数Re的情况下,摩擦系数f的值在微通道换热器时较大。这主要是因为微通道换热器的流道尺寸很小,当量直径也很小,这样通道表面的相对粗糙度就变得很大,同时通道表面的粗糙度极不对称造成的。比较微通道与普通管道换热器的传热特性式(8)、(10),我们可以看出:在相同雷诺数Re、普郎特数Pr的情况下,努谢尔特数Nu的值在微通道换热器时较大。这除与流动特性中摩擦系数影响增大的因素有关外,还因为微通道换热器的传热过程比常规的要复杂,特别是矩形截面又增大了换热系数。总之,微通道换热器通道的粗糙表面增强了换热,但在雷诺数Re很小时,粗糙度没有明显地改善换热。参考文献[1]陈国邦,等.最新低温制冷技术[M].北京:机械工业出版社:第2版,2003.[2]边绍雄.低温制冷机[M].北京:机械工业出版社,1991.[3]E.I.米库林,等.微型金属片式J-T低温制冷器[M].莫斯科:莫斯科国立技术大学,1995.[4]刘静.微米/纳米尺度传热学[M].北京:科学出版社,2001.[5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社:第2版,2004.[6]LittleWA,PaughRL.CoolingtechnologiesforthermamanagementandenhancedhighspeedoperationoCMOSmicroprocessorsandmemorychip[C].Proceed-ingofASMInternationals'3rdElectronicsMaterialsanProcessingCongress,SanFrancisco,USA,1990.