微通道換熱器的研究進展及應用前景

一、微通道中流體的熱交換特性

微通道對流換熱與宏觀（大小＞1mm）通道換熱機制不同，受通道形狀、壁面粗糙度、流體質(zhì)量、表面與熱、分子平均自由程和通道尺寸比例等諸多因素的影響，微通道換熱呈現(xiàn)出特殊的特點。

1.1 熱傳導率引起的熱交換效率的變化趨勢

隨著徑向熱阻和器壁軸向熱導的影響，當熱導率變化、熱導率較低時，隨著熱導率的增加，徑向熱阻的影響逐漸減弱，換熱器的效率增大。該區(qū)域稱為熱阻控制區(qū)域。當熱導率增加到一定距離時，隨著熱導率的增加趨勢，熱交換器的效率逐漸減弱，增加到最大值時開始逐漸減小，稱為高效熱交換區(qū)。當熱導率進一步增加時，器壁軸向?qū)釋Q熱過程的影響逐漸加強，換熱器效率降低，當容器壁完全等溫時，導熱效率接近50%，稱為導熱控制區(qū)域。

1.2 流量對換熱效率的影響

在低介質(zhì)流量的情況下，金屬熱交換器的熱交換效率根據(jù)介質(zhì)流量的變化存在最大值。即，在決定結構熱交換器中存在最佳的工作流量值，另外，在相同的流量偏差下，由于系統(tǒng)效率在負載操作時的效率降低幅度比在過載操作時大，因此金屬微通道熱交換器能夠在一定范圍內(nèi)進行過載運轉，在負載狀態(tài)下的操作不優(yōu)選這一點上以前與水垢熱交換器系統(tǒng)明顯不同。

在高介電電流的情況下，空氣壁的軸向熱傳導對熱交換效率的影響逐漸減弱，隨著介電流量的增加，熱交換效率逐漸降低。

1.3 微通道加工材料的選擇

在低電介質(zhì)流量的情況下，熱阻控制區(qū)域是低熱傳導率區(qū)域。因此，玻璃等低熱傳導率材料的熱交換器的熱交換效率明顯高于金屬等高熱傳導率熱交換器。

對于高電流量，在結構參數(shù)固定熱交換器中，隨著操作流量的增加，導熱電阻對熱導率的影響逐漸加強，高效率熱交換區(qū)域也向高熱導率方向移動熱導率低的金屬材料（不銹鋼等）Bier等人對錯流式微通道換熱器內(nèi)的氣體-氣體換熱特性進行了數(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熱器。

1.4 臨界熱流密度

在有相變的熱交換中，微通道的臨界熱流密度現(xiàn)象與通常的通道不同，微通道產(chǎn)生臨界熱流密度是因為微通道的蒸汽被閉塞，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過冷流動沸騰，從微通道脫落。出來的氣泡和進入微通道的液體反復交替沖洗微通道，達到臨界熱流密度后，微通道中的流動和傳熱主要是蒸汽周期性脫出的過程，最后一直持續(xù)到整個微通道被過熱蒸汽阻塞，直至產(chǎn)生過熱蒸汽。全部

1.5 入口段效應

努塞爾數(shù)隨著無量綱加熱長度Lh的增加而降低。對于現(xiàn)有尺度下的圓管內(nèi)層對流熱交換，Lh=0.05時熱交換充分，零芯數(shù)趨于4.51?；贚h取值范圍0.013≤Lh≤0.093，計算出熱交換入口段長度占整個通道長度的比例為53.8%。明確了入口段效應對刀具換熱的影響。

二、.微通道結構優(yōu)化和處理

微通道是微設備的重要組成部分。為了滿足高效傳熱和化學反應的要求，需要加工和制造高性能機械表面，包括各種金屬材料成型微通道技術和金屬表面催化載體技術。微系統(tǒng)和微通道有四種傳統(tǒng)的加工和生產(chǎn)技術：

（1）IC技術：大規(guī)模集成電路（IC技術）開發(fā)的平面處理技術和塊處理技術。所用材料主要由單晶硅及其微米厚的薄膜組成。薄層是通過氧化、化學氣相沉積、噴涂等過程形成的，然后通過犧牲層的蝕刻進行光刻、蝕刻，特別是各向異性蝕刻和各種形式的微力學。IC技術的成熟程度決定了其在現(xiàn)代微加工領域的領先地位。然而，這種微表面處理技術僅適用于硅材料，僅限于薄厚度的平面設計，并限制了應用范圍。

（2）光刻技術（LIGA）：LIGA技術于1986年開發(fā)，結合了同步X射線蝕刻、電解液和高能加速器（如德國埃菲爾鐵塔）制造的塑料模具技術。該技術的特點是能夠處理具有大深度寬比和大加工面積的微觀結構。然而，LIGA需要開發(fā)昂貴的同步加速器X射線源。LIGA實際上是一個標準的二維過程，它使復雜的三維微觀結構難以通過形狀的改變來處理，并且極難為同步加速器創(chuàng)建X射線光刻圖案。

（3）適用于微火花加工、電子束加工、離子束加工、掃描隧道顯微鏡等專用和專用微細加工。加工材料狹窄，工藝復雜。

（4）準分子激光微加工技術是近年來出現(xiàn)的。準分子激光器位于波長短、光子能量高的遠紫外線波段，可以破壞聚合物材料的某些化學鍵，并提供低溫化學處理。采用準分子激光面罩投影直接蝕刻技術，實現(xiàn)了深度寬比大、加工面積大、成本低、批量生產(chǎn)的顯微結構，可采用聚焦激光格柵蝕刻技術加工連續(xù)三維結構。

微通道熱交換器應用前景

目前，隨著微電子和微化學機械系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)熱交換器已不再滿足應用系統(tǒng)的基本要求。熱交換器的小型化已經(jīng)成為一個緊迫和不可避免的趨勢。此外，隨著能源問題變得越來越重要，必須最小化設備的體積，即增加設備的緊湊性，從而減輕設備的重量，節(jié)省材料，并相應地減少體積，前提是滿足熱交換的要求。

目前，微調(diào)元件的設計、制造、裝配、密封技術和參數(shù)測量（非接觸式測量方法）存在許多困難。但隨著設計、性能等技術的改進和優(yōu)化，通過大量數(shù)值實驗和模擬，微熱交換器越來越成熟，將成為應用前景廣闊的新型設備。