微通道换热器

微通道换热器微通道换热器一、微通道的发展史二、微通道的结构特点及优化加工三、国内外微结构换热器的研究现状四、微通道换热器的举例应用微通道的发展史•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于进行热传递的三维结构单元。•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。微通道的发展史1981年，提出了微通道换热器的概念；1985年，用于两流体热交换的微通道换热器制成，人们已经能够制造水力学直径10-1000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年，印刷电路微尺寸换热器，体积换热系数达7𝑀𝑊/𝑚3∙𝐾。90年代后期，成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵，错流和逆流的微换热器。1994年，体积换热系数达45𝑀𝑊𝑚3∙𝐾。2001年，微热管冷却系统，可实现主动冷却，支持高密度热量电子器件的高速运行。工程背景：高密度电子器件的冷却和微电子机械系统的传热问题。微通道的发展史该结构有高导热系数的材料构成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内。微通道的结构特点一、微通道的流动特性由于微通道换热器特征尺度在微米到亚微米尺度范围内，使它不仅涉及空间尺度的微小化，还涉及更为复杂的尺度效应。1、微尺度效应2、入口段效应微通道的流动特性1、微尺度效应对于气体单相流动，当通道直径当量小于200μm时，流动和传热将受到气体的稀薄效应影响。对于液体单相流动，微通道直径为381μm时，宏观理论公式已经不适用于微通道摩阻及努塞尔尔数不能按传统宏观理论公式来计算。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增加，其影响程度在逐步减小。微通道的流动特性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，在当量直径不太大的情况下，流动趋于充分发展状态，入口段效应对工质流动的影响十分显著。微通道的流动特性二、微通道中流体的换热特性微通道对流换热不同于宏观通道的换热机理。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。1、换热效率随热导率的变化趋势2、流量对于换热效率的影响3、微通道加工材质的选择4、临界热流密度5、入口段效应微通道的优化加工•微通道结构经历了从二维到三维的发展。常规微通道，包括圆形、矩形、V形、梯形、双梯形等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，微通道内流量分配不均、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。微通道的优化加工三维通道的加工制造技术：1.光刻电镀（LIGA）技术2.准分子激光微细加工技术3.双光子聚合（TPP）加工技术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。国外研究现状RobertJ.Kee等人研究了一种陶瓷制成的逆流微通道换热器，由四层微通道组成，总体尺寸类似于手掌大小。包括2层热流微通道以及2层冷流微通道。其中冷流层与热流层之间流动方向是相反的。并且板面上具有增加流体扰动的微通道新型设计，充分实现了热流与冷流的交错流动以及增加换热面积，实现尽可能大的换热效率。国外研究现状J.JBrandner等人提到的微结构换热器是指包括微槽道(逆流和交错流等)，微型柱(包括对称以及不对称)等微结构的换热器，并对不同的微结构进行了比较研究，得出其中影响的关键因素包括微结构的特征尺寸、几何形状、排列方式、流体的状态(层流或者紊流)以及流量大小等。RobertNacke提到了一种交错流换热器，带有槽型或者平行的间断翅片微结构阵列，通过冷却水来对热空气进行冷却换热,发现蛇形通道换热器的换热效率比相同长度下普通直通道换热器的效率提高了20%左右。国外研究现状ThomasFend提到了一种圆筒型微换热器，在圆柱筒内部开有多层微尺度的热流道以及冷流道，相互分层间隔充分实现换热，且热流道与冷流道相互垂直形成交错流，此微型换热器具有995m2/m3的比表面积，工作温度至少可以达到950℃。国内研究现状北京化工大学提出了一种以金属基底为导热单元，以具有微结构的聚合物材料为散热单元的新型复合微结构换热器。微通道换热器的应用微通道在汽车空调中的应用主要集中在汽车空调制冷系统中，其原因主要考虑到CO2的蒸汽密度高，比热和容积制冷量较大，充注量较小及较高的操作压力适合开发小管径的换热器。微通道换热器的应用•微通道在热泵空调目前微通道换热器仅用作单冷空调器冷凝器。微通道换热器用作热泵蒸发器,主要受到翅片表面凝结水排除问题的困扰。微通道换热器的应用•微通道在压缩机中的应用在工业冷冻冷藏领域,压缩冷凝机组的换热器仍为管翅式换热器,系统的能效比不高,整个行业的能源浪费严重。将微通道换热器应用于压缩冷凝机组,不仅能提高机组的能效比,增强产品竞争力,也能节约工业冷冻能耗,促进制冷空调行业节能。结束语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、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中广泛使用;特别是微型核反应堆的试运行、燃料电池动力潜艇的试航、微透平机械以及微化学仪器的应用等,微型化的换热装置作为相应系统的配备设备发挥了举足轻重的作用。谢谢！