交錯互通微通道網(wǎng)格板的孔隙特性與傳熱性能

交錯互通微通道網(wǎng)格板的孔隙特性與傳熱性能*

賀占蜀1王培卓1李大磊1李延民1馬泳濤1湯勇2

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001;

2.華南理工大學(xué) 表面功能結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造廣東普通高校重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

摘要：采用多片疊合銑刀加工一種具有規(guī)則孔隙的表面熱功能結(jié)構(gòu)——交錯互通微通道網(wǎng)格板(簡稱網(wǎng)格板).通過理論計算得出網(wǎng)格板的孔隙率、體積比表面積、重量比表面積等孔隙特性,并研究孔隙特性隨微通道間距、微通道深度以及微通道寬度的變化規(guī)律.然后將網(wǎng)格板置于板式換熱器中,分析體積流量、孔隙率以及體積比表面積對壓降與傳熱性能的影響.結(jié)果表明:通過調(diào)節(jié)微通道間距、微通道深度和微通道寬度,孔隙率可以在10.9%～88.0%范圍內(nèi)變化,體積比表面積可以在2.89～6.40mm-1范圍內(nèi)變化；網(wǎng)格板可使換熱器的傳熱性能提升近3倍；同等條件下,高孔隙率和大體積比表面積的網(wǎng)格板強(qiáng)化傳熱效果較好.

關(guān)鍵詞：微通道；網(wǎng)格板；孔隙率；換熱器；傳熱；壓降

中圖分類號：TB383

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.007

交錯互通微通道網(wǎng)格板(CCMMP，簡稱網(wǎng)格板)是一種薄板兩面具有垂直正交的微通道,且兩面微通道交錯互通形成網(wǎng)孔的表面熱功能結(jié)構(gòu)[1-2].微通道可增大傳熱面積,而規(guī)則的網(wǎng)孔有利于成核與氣泡溢出,因而可以用于強(qiáng)化單相傳熱和相變傳熱.

Ramaswamy等[3]將交錯互通微通道網(wǎng)格板應(yīng)用于熱虹吸器.發(fā)現(xiàn)熱虹吸器性能隨著網(wǎng)孔數(shù)目的增多和網(wǎng)孔尺寸的增大而顯著增強(qiáng).Murthy等[4]將網(wǎng)格板應(yīng)用于熱虹吸器的蒸發(fā)部分,研究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格板可以顯著降低壁面溫度.Ghiu等[5]研究不同微通道寬度和間距的網(wǎng)格板的沸騰傳熱性能.研究發(fā)現(xiàn),沸騰傳熱性能隨微通道寬度的增大而增強(qiáng),而隨微通道間距的增大而減弱.Launay等[6]以PF5060氟化液和去離子水為工質(zhì),對多種表面熱功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試,結(jié)果表明使用交錯互通微通道網(wǎng)格板的熱虹吸器的熱通量最大.

表面熱功能結(jié)構(gòu)[7-8]一般既可以實現(xiàn)單相傳熱的強(qiáng)化,也可以實現(xiàn)相變傳熱的強(qiáng)化[9-10].然而目前交錯互通微通道網(wǎng)格板大多應(yīng)用于相變傳熱,尚未檢索發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于單相傳熱.因此,文中通過理論計算得出交錯互通微通道網(wǎng)格板的孔隙率、體積比表面積、重量比表面積等孔隙特性,然后將網(wǎng)格板置于板式換熱器中,研究體積流量、孔隙率以及體積比表面積對壓降與傳熱性能的影響.

1實驗

1.1加工方法

圖1為多刀銑削加工交錯互通微通道網(wǎng)格板的現(xiàn)場加工圖.所用刀具為多片疊合銑刀,由刀柄、鎖緊螺母、多把鋸片銑刀與多個墊片組成.刀具和墊片相互疊合在一起,可以同時加工多個微通道.實驗在X5032普通立式銑床上進(jìn)行,工件為90mm×90mm×2mm的T2紫銅板.銑刀首先在基板一面銑削出微通道,而后在基板另一面銑削出與第一面微通道垂直正交的微通道,兩面的微通道深度相同,且都大于基板厚度的一半,因而兩面微通道將交錯互通形成許多網(wǎng)孔.加工完成后,可以根據(jù)需要截下任意尺寸與角度的網(wǎng)格板(見圖2).

圖1　多刀銑削加工CCMMP Fig.1　Fabricating CCMMP by multi-cutter

圖2　交錯互通微通道網(wǎng)格板 Fig.2　Cross-connected microchannel mesh plate

1.2換熱器結(jié)構(gòu)

由圖3可知,換熱器由2塊蓋板和2塊裝有網(wǎng)格板的換熱板疊合組成,并通過螺栓固定連接,外部采用保溫棉進(jìn)行保溫.換熱器整體外形尺寸約為96mm×86mm×25mm.換熱板的基板尺寸為96mm×86mm×2.5mm.為減小熱阻,換熱板材料與網(wǎng)格板一樣選用T2紫銅.換熱板流體流過區(qū)域包括入口分流腔、網(wǎng)格板、出口合流腔三部分.兩塊換熱板腔體設(shè)計為對稱狀,分別用作冷流體和熱流體的流道.冷、熱流體先經(jīng)入口分流腔分流到網(wǎng)格板內(nèi),并在網(wǎng)格板內(nèi)實現(xiàn)了大部分熱量的傳遞,而后經(jīng)出口合流腔匯合,最終分別流出換熱器.其中,入口分流腔的分流作用有利于流體均勻分布于網(wǎng)格板中進(jìn)行換熱.

1.3測試裝置

傳熱性能測試裝置(見圖4)主要由冷水供應(yīng)部分、熱水供應(yīng)部分和溫度與壓力信號采集系統(tǒng)3部分組成.冷水供應(yīng)部分采用自來水作為工質(zhì),水溫接近恒定值27℃.熱水供應(yīng)部分通過REX-C100溫控儀,使換熱器熱水入口處水溫保持在70℃.圖4中虛線為冷水流動方向,實線為熱水流動方向,換熱器為逆流換熱方式.兩部分皆采用氣壓驅(qū)動流體流動.通過調(diào)節(jié)LZB-4型0～10L/h玻璃轉(zhuǎn)子流量計改變熱水和冷水的流量,并保證兩種流體體積流量相等,在2～10L/h之間調(diào)整,每次遞增2L/h.冷、熱水的進(jìn)出口溫度采用4根K型熱電偶測量.然后利用研華ADAM-4018數(shù)據(jù)采集卡對測量的溫度信號進(jìn)行采集,最后輸送到計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理.同時,由DP1300-DP5E22B1N電容式壓差變送器測量冷水流過換熱器時的壓降.

(a)換熱器

(b)裝有CCMMP的換熱板(單位:mm) 圖3　換熱器與裝有CCMMP的換熱板 Fig.3　Heat exchanger and a heat exchange plate packed with a CCMMP

圖4　傳熱性能測試裝置 Fig.4　Heat transfer performance testing equipment 　1—熱水箱;2—冷水箱;3—REX-C100溫控儀;4—LZB-4型0～10L/h玻璃轉(zhuǎn)子流量計;5—換熱器;6—氣瓶;7—研華ADAM-4018數(shù)據(jù)采集模塊;8—DP1300-DP5E22B1N電容式壓差變送器；9—計算機(jī)

實驗采用單位體積傳熱系數(shù)KV評價傳熱性能，

KV=Q/(VψΔt)

(1)

參考文獻(xiàn)式中：V為總傳熱體積；t為對數(shù)平均溫差,ψ為對數(shù)平均溫差的修正系數(shù),t的計算與ψ的取值[11]；Q為冷熱水之間的換熱總量,本實驗中熱水放出的熱量表示為Qh,而冷水吸收的熱量表示為Qc.考慮到熱損失,本實驗采用Qc作為冷熱水之間的換熱總量.

Q=Qc=ρwqVCp(tco-tci)

(2)

式中,ρw、qV和Cp分別為水的密度、體積流量和定壓摩爾比熱容,tci和tco分別為冷水入口和出口溫度.

2結(jié)果與討論2.1孔隙特性

由于網(wǎng)孔的存在,網(wǎng)格板呈現(xiàn)出多孔材料的孔隙特性,但與泡沫金屬等多孔材料不同,網(wǎng)格板的孔隙結(jié)構(gòu)是規(guī)則的.因此,可以通過計算得到孔隙率、重量比表面積、體積比表面積等孔隙特性.

2.1.1孔隙率

首先在網(wǎng)格板內(nèi)取一最小單元(如圖5所示,圖中剖面線部分為各單元連接位置).經(jīng)計算,該最小單元的理論孔隙率,即網(wǎng)格板的理論孔隙率為

(3)

式中：Ws為微通道間距，0.5～1.0mm；Wc為微通道

圖5　CCMMP的最小單元 Fig.5　Smallest unit of CCMMP

寬度，0.1～0.4mm；Hc為微通道深度，1.1～1.5mm；Ha為基板厚度，2mm.

由圖6(a)可知,在相同條件下,孔隙率P隨著Ws的增大而減小.當(dāng)Wc較小時,P下降速度較小;當(dāng)Wc較大時,P下降速度較大.如圖6(b)所示,P隨著Hc的增大而增大,但增長速度十分緩慢.而Hc的增

( a)P隨W s的變化曲線

( b)P隨H c的變化曲線

( c)P隨W c的變化曲線

大將降低網(wǎng)格板的機(jī)械強(qiáng)度[12],因此Hc只須略大于Ha/2即可.從式(3)可以看出,P是以Wc為自變量的二次函數(shù),其變化曲線應(yīng)為拋物線.但由圖6(c)可知,在本實驗的Wc范圍內(nèi)P隨Wc的增加而增大,且增長速度較大.綜合發(fā)現(xiàn),孔隙率P可以在10.9%～88.0%之間變化,對P的影響程度從大到小依次為Wc、Ws、Hc.

2.1.2體積比表面積

同樣,計算得出網(wǎng)格板的體積比表面積為

(4)

由圖7(a)可知,體積比表面積SV隨Ws的增大

( a)S V隨W s的變化曲線

( b)S V隨H c的變化曲線

( c)S V隨W c的變化曲線

而快速減小.而SV隨著Hc的變化規(guī)律與Ws、Wc有關(guān).由式(4)可知,當(dāng)Ws-2Wc>0時,SV隨Hc線性增大.反之,當(dāng)Ws-2Wc<0,SV時隨Hc線性減小.而當(dāng)Ws-2Wc=0時,SV不隨Hc變化,如圖7(b)所示.而SV隨著Wc的變化規(guī)律則與Ws、Hc、Ha有關(guān).由式(4)可知,當(dāng)Ws+2Ha-4Hc>0時,SV隨Wc線性增大.反之,當(dāng)Ws+2Ha-4Hc<0時,SV隨Wc線性減小.當(dāng)Ws+2Ha-4Hc=0時,SV不隨Wc變化,見圖7(c).綜合發(fā)現(xiàn),SV可以在2.89～6.40mm-1之間變化,對SV影響最大的是Ws.

2.1.3質(zhì)量比表面積

同樣,計算得出網(wǎng)格板的質(zhì)量比表面積為

(5)

式中,材料密度ρ為固定值.為了方便研究,將Smρ作為獨立變量用于評估質(zhì)量比表面積.由圖8(a)可知,Smρ隨著Ws的增大而減小,Wc越大,Smρ隨著Ws減小的速度越大.由圖8(b)可知,Smρ隨著Hc的增加而增大,但增長速度較小.由圖8(c)可知,Smρ隨著Wc的增加而增大,而且增長速度逐漸變大.綜合發(fā)現(xiàn),Ws和Wc對Smρ影響都很大,Hc對Smρ影響最小.

( a)S mρ隨W s的變化曲線

( b)S mρ隨H c的變化曲線

( c)S mρ隨W c的變化曲線

2.2壓降與傳熱性能

本實驗中,8種不同規(guī)格的網(wǎng)格板(見表1)先后裝入換熱器,從而研究其壓降與傳熱性能.8種網(wǎng)格板尺寸皆為70mm×40mm×2mm,因體積固定不變,所以網(wǎng)格板的傳熱面積只與體積比表面積SV有關(guān).

表1CCMMPS參數(shù)Table1ParametersofCCMMPs

序號Wc/mmWs/mmHc/mmP/%SV/mm-1CCMMP-10.20.71.232.74.39CCMMP-20.20.71.436.74.63CCMMP-30.21.01.223.23.44CCMMP-40.21.01.426.43.68CCMMP-50.40.91.249.43.72CCMMP-60.40.91.454.33.77CCMMP-70.41.21.237.83.11CCMMP-80.41.21.442.23.22

2.2.1測量不確定度與熱平衡

本實驗中,DP1300-DP5E22B1N電容式壓差變送器的精度為1.25%,那么壓降p的不確定度為

加工換熱板的銑床精度為0.01mm,那么換熱板的體積V的不確定度為

K型熱電偶的精度為0.1℃.本實驗中tco-tci≥17.8℃,對數(shù)平均溫差Δt≥17.0℃,兩者的不確定度為

LZB-4型玻璃轉(zhuǎn)子流量計的精度為5%,那么qV的不確定度為

經(jīng)計算,Q與KV的不確定度為

本實驗通過計算熱水放出的熱量Qh與冷水吸收的熱量Qc對熱平衡進(jìn)行分析,熱平衡偏差η為

實驗穩(wěn)定后η保持在8%以內(nèi),因此認(rèn)為本實驗數(shù)據(jù)可靠.

2.2.2影響壓降的因素

(1)體積流量qV對壓降p的影響

由圖9可知,當(dāng)qV較小時,與空流道相比,裝入網(wǎng)格板后的壓降略微增大;隨著qV的增大,裝入網(wǎng)格板后的壓降逐漸明顯大于空流道.如CCMMP-3在10L/h時的壓降已高達(dá)1890.5Pa,比空流道時增大近1倍.這是因為裝入網(wǎng)格板后,流道有效流通面積減小,工質(zhì)流入與流出網(wǎng)格板時出現(xiàn)局部壓力損失;同時工質(zhì)流過網(wǎng)格板時與通道壁面的摩擦還產(chǎn)生了沿程壓力損失.不僅如此,網(wǎng)孔的存在迫使流體不規(guī)則流動,流體不斷地被分割和混合,水的湍流程度因而增強(qiáng)[13],導(dǎo)致較大的能量損失.

圖9　壓降 p隨體積流量q V的變化曲線 Fig.9　Change curves of pressure drop Δpwith q V

無論是空流道,還是裝有網(wǎng)格板,壓降Δp都隨著qV的增加而逐漸增大.當(dāng)qV從2L/h增到10L/h時,空流道的壓降從93.8Pa增至920.2Pa,而裝有網(wǎng)格板的壓降增幅更大,3號板的壓降從221.4Pa增至1890.5Pa.p隨qV的增長速度逐漸加快,大致呈指數(shù)規(guī)律,遵循Forchheimer方程[14].

由圖10可知,在qV相同時,流體流經(jīng)高孔隙率網(wǎng)格板時的壓降較小,54.3%孔隙率(CCMMP-6)的網(wǎng)格板在10L/h時對應(yīng)的壓降為1252.4Pa.而低孔隙率網(wǎng)格板的壓降p較大,23.20%孔隙率(CCMMP-3)的網(wǎng)格板在10L/h時的壓降已高達(dá)1890.5Pa.這是因為低孔隙率網(wǎng)格板的有效流通面積較小,流體流入與流出網(wǎng)格板時的局部壓力損失更大.因此壓降最終呈現(xiàn)隨孔隙率增大而減小的趨勢.為減小壓降,在滿足其他使用要求的條件下,應(yīng)盡量選用高孔隙率的網(wǎng)格板.

圖10　不同孔隙率P的交錯互通微通道網(wǎng)格板的壓降 p Fig.10　Change curves of pressure drop Δp with the porosity p of cross-connected microchanel mesh plate

2.2.3傳熱性能

(1)體積流量qV對傳熱性能的影響

由圖11可知,空流道與裝有網(wǎng)格板的單位體積傳熱系數(shù)KV隨qV的變化規(guī)律相同,都是隨著qV的增大而增大,增長速度也都隨著qV的增大而減小.當(dāng)qV較小時,裝有網(wǎng)格板時的KV比空流道略微增大.隨著qV不斷增大,裝有網(wǎng)格板時的KV將大大超過空流道.例如,當(dāng)qV為10L/h,空流道時的KV為181.3kW/(m3·K),而裝有2號網(wǎng)格板時KV高達(dá)720.8kW/(m3·K),比空流道時提升近3倍.這是由于相比空流道,一方面網(wǎng)格板不僅增大了傳熱面積,另一方面網(wǎng)格板內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)具有熱彌散效應(yīng),流體流動時與微通道表面不斷發(fā)生碰撞[15-16],最終換熱效果得到極大的增強(qiáng).

圖11　單位體積傳熱系數(shù)K V隨體積流量q V的變化曲線 Fig.11　Change curves of heat transfer coefficient per unit volume K V with q V

(2)孔隙率P與體積比表面積SV對傳熱性能的影響

實驗發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格板的強(qiáng)化傳熱效果與其孔隙率P和體積比表面積SV都有關(guān).但P與SV同時變化,無法固定其中一個參數(shù),而后任意調(diào)整另一個參數(shù).不過可以從網(wǎng)格板中選取某一參數(shù)近似相等的網(wǎng)格板,對比研究另一參數(shù)的影響.由表1可知,2號板與7號板的P接近,而2號板的SV明顯大于7號板.在qV較小時兩塊板差距不明顯,隨qV增大2號板的KV明顯大于7號板.尤其在10L/h,2號板的KV為720.8kW/(m3·K),比7號板大182.9kW/(m3·K).這是由于在實驗的定體積情況下,體積比表面積越大,網(wǎng)格板的傳熱面積必然越大,強(qiáng)化傳熱效果自然越明顯.4號板與5號板的SV接近,而5號板的P明顯大于4號板.在qV較小時兩塊板差距不明顯.隨著qV的增大,5號板的KV明顯大于4號板.尤其在10L/h,5號板的KV為615.0kW/(m3·K),比4號板大87.6kW/(m3·K).這是由于低孔隙率網(wǎng)格板的網(wǎng)孔較小且數(shù)量較少,流體不易穿過網(wǎng)孔均勻分布到整個網(wǎng)格板中,因而傳熱性能較低;而高孔隙率網(wǎng)格板的網(wǎng)孔較大且數(shù)量較多,流體容易穿過網(wǎng)孔均勻分布到整個網(wǎng)格板中,因而傳熱性能較高.

3結(jié)論

(1)交錯互通微通道網(wǎng)格板的孔隙率P、體積比表面積SV和重量比表面積Sm取決于微通道間距Ws、微通道深度Hc以及微通道寬度Wc.P可以在10.9%～88.0%范圍內(nèi)變化,對P的影響程度從大到小依次為Wc、Ws、Hc.SV可以在2.89～6.40mm-1范圍內(nèi)變化,對SV影響最大的是Ws.Ws和Wc對Sm影響都很大,Hc對Sm影響最小.

(2)無論是空流道,還是裝有交錯互通微通道網(wǎng)格板,壓降p都隨著體積流量qV的增加而逐漸增大,并且p隨孔隙率P增大而減小.本實驗中,微通道寬度0.4mm、間距0.9mm、深度1.4mm的網(wǎng)格板CCMMP-6壓降最小.

(3)網(wǎng)格板可使換熱器的傳熱性能提升近3倍.單位體積傳熱系數(shù)KV隨qV增大而增大.在qV相同時,高孔隙率和大體積比表面積的網(wǎng)格板的KV更大.本實驗中,微通道寬度0.2mm、間距0.7mm、深度1.4mm的網(wǎng)格板CCMMP-2強(qiáng)化傳熱效果最大.

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PoreCharacteristicsandHeatTransferPerformanceofCross-Connected

MicrochannelMeshPlates

He Zhan-shu1WangPei-zhuo1LiDa-lei1LiYan-min1MaYong-tao1TangYong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China;

2.KeyLaboratoryofSurfaceFunctionalStructureManufacturingofGuangdongHigherEducationInstitutes,

SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:Firstly, a functional surface structure with regular pores for heat transfer, namely cross-connected microchannel mesh plate (CCMMP), was designed and fabricated via multi-cutter milling. Secondly, three pore characteristic parameters, namely porosity, specific volumetric surface area and specific weight surface area, were theoretically calculated, and the effects of microchannel interval, depth and width on these three parameters were investigated. Then, CCMMPs were applied to a plate heat exchanger to analyze the pressure drop and the heat transfer performance affected by volume flow, porosity and specific volumetric surface area by experiments. The results show that (1) the porosity ranges from 10.9% to 88.0% and the specific volumetric surface area ranges from 2.89mm-1 to 6.40mm-1 if the interval, depth and width of microchannels are all adjusted correctly; (2) CCMMPs quadruple the heat transfer performance; and (3) high porosity and large specific volumetric surface area are favorable to heat transfer.

Keywords:microchannel;meshplate;porosity;heatexchanger;heattransfer;pressuredrop