微通道熱交換器研究進展

歐雍若，王風磊，李文辰，郭祥忠，蘇 錦

（1.青島暢隆電力設備有限公司，山東青島 266700；2.青島科技大學機電工程學院，山東青島 266061）

隨著能源的高效利用，追求更高效的熱交換器、提高換熱效率成為了研究熱點。自上世紀90年代以來，熱交換器的發(fā)展開始走向微型化。微通道熱交換器的概念最早由Tuckerman和Pease[1]于1981年基于高熱流密度芯片冷卻問題提出，是指水力當量直徑小于1 mm的熱交換器，其體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊且換熱效率高，被廣泛應用于化工、汽車及空調(diào)等領域。

文中對近年來微通道熱交換器的研究成果、研究進展進行了綜述，介紹了微通道熱交換器的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)對流動及傳熱特性的影響，并對強化傳熱的幾種方法進行了闡述，以期對今后微通道熱交換器的傳熱研究提供借鑒。

1 微通道熱交換器結(jié)構(gòu)研究

微通道熱交換器結(jié)構(gòu)研究主要采用試驗方法和數(shù)值模擬方法。其中數(shù)值模擬方法主要有計算流體動力學（CFD）方法和格子-玻爾茲曼（LBM）方法[2]，國內(nèi)外學者大都采用CFD方法對微通道熱交換器的流動與傳熱特性進行研究，通過改變微通道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，來研究新結(jié)構(gòu)的流動與傳熱性能。

薛鎮(zhèn)等[3]從理論層面對微型熱交換器的扁管、集流管及翅片進行結(jié)構(gòu)研究，并結(jié)合試驗證實了采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的確提高了熱交換器的換熱能力，為汽車空調(diào)中微型熱交換器的設計開發(fā)提供了借鑒。胡肖芬等[4]分別對微通道熱交換器的扁管與集流管進行了優(yōu)化設計，通過對微通道熱交換器的扁管流程布置進行優(yōu)化，認為增加空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的平均溫差可以有效提高熱交換器的性能，而集流管優(yōu)化設計使得微通道熱交換器可同時作為冷凝器和蒸發(fā)器。文獻[3-4]都對翅片參數(shù)對微通道熱交換器傳熱性能的影響進行了研究。

對微通道熱交換器的結(jié)構(gòu)研究不僅只針對其扁管、集流管等，還有學者研究了幾何特性對微通道熱交換器傳熱性能的影響。王志鑫等[5]對微通道熱交換器的幾何特性（如寬高比、長徑比、孔隙率、當量直徑以及截面形狀）進行了數(shù)值模擬研究，研究得出長徑比取70，取較小的寬高比、較大的孔隙率和當量直徑都可以提高熱交換器的傳熱性能。陳孝根等[6]也對截面的高寬比進行了研究，得出最佳高寬比為2～4。針對圓形[7-10]、三角形[11-13]、梯形[14-16]等常規(guī)截面形狀微通道的研究近些年也相當活躍，研究表明，不同截面形狀會對流動沸騰性能產(chǎn)生影響。此外，早期的部分學者對微通道熱交換器的截面形狀進行了研究，認為等腰三角形截面的傳熱性能最高，矩形截面的傳熱性能最低，根據(jù)傳熱性能從高到低排列依次為等腰三角形截面、等腰梯形截面、圓形截面和矩形截面[17-18]。

由于微通道熱交換器尺寸的數(shù)量級下降到微米級，微槽道系統(tǒng)具有很大的比表面積，故表面粗糙度對傳熱特性的影響將變得十分重要，實際上是一種微尺度效應。周繼軍[19]通過理論和試驗相結(jié)合的方法，對微槽道內(nèi)的單相流動阻力特性進行了研究。研究結(jié)果表明，微通道熱交換器的試驗結(jié)果與常規(guī)尺寸熱交換器的理論預測值存在較大的差異，說明采用常規(guī)尺寸下的傳統(tǒng)理論對微通道熱交換器內(nèi)部流動阻力進行預測已經(jīng)不再適用。

范賢光等[20]研究了凹槽對整體流動及散熱性能的影響，研究結(jié)果表明，凹槽的設計明顯增加了散熱面積，且凹槽增加了流體的擾動能力，進而提升了散熱效果，三角凹槽的傳熱性能最好，其次是圓形凹槽，而矩形凹槽和梯形凹槽的傳熱性能相差不大。姜培學等[21]從傳熱角度分析得出，燒結(jié)顆粒多孔式微型熱交換器的性能優(yōu)于微槽式微型熱交換器及燒結(jié)網(wǎng)絲多孔式微型熱交換器，扁槽結(jié)構(gòu)要強于深槽結(jié)構(gòu)。還有許多研究者研究了肋片高度[22]、水滴型凸肋通道的尾緣角度[23]、通斷微通道的通道數(shù)[24]以及凹穴型微通道[25]等對微通道流動與傳熱特性的影響。

甘甜等[26]對歧管式微通道進行改進和優(yōu)化，提出了一種新型孔板歧管式微通道結(jié)構(gòu)（OPMM），并通過CFD分析表明，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，新型結(jié)構(gòu)依靠頂部集管效應使得流體均勻分布，壁面溫度均勻性有了較大提高。王志敏等[27]通過數(shù)值模擬表明，壓降隨針鰭間距和針鰭高度的減小而呈非線性增加；壁溫隨針鰭間距的增大而上升，隨針鰭高度的增加則呈現(xiàn)出波動趨勢。

范凌灝等[28]在矩形微通道當量直徑不變的情況下研究得出，增大截面高寬比，微通道壓降升高，流動惡化，通道表面平均努塞爾數(shù)升高，傳熱性能提升，評價因子下降，微通道熱交換器綜合性能降低，熱沉底面平均溫度下降且趨勢漸緩。曹彬等[29]對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行的研究表明，器壁厚度對最大傳熱效率影響較小，并得出了熱交換器結(jié)構(gòu)選用大深寬比通道和適當?shù)拈g壁厚度為佳的結(jié)論。

聚合物具有易于成型、加工成本低廉的特點，可以提高微通道熱交換器在微尺度下的設計靈活性。姜輝等[30]的研究結(jié)果表明，金屬-塑料復合微通道熱交換器具有導熱速度快、塑料微結(jié)構(gòu)高效散熱的特點，可以使金屬的導熱能力與塑料的散熱能力相匹配，具有良好的研究、發(fā)展和應用前景。

張克鵬[31]以某冷凝器為研究對象，考慮了微通道熱交換器在溫度載荷下的約束，并利用HyperWorks軟件對結(jié)構(gòu)整體溫度場進行數(shù)值分析，建立了詳細的有限元模型，用OptiStruct求解器計算求得給定溫度載荷下的熱應力分布和變形，為微通道熱交換器的設計提供了經(jīng)驗。

Iris等[32]從壓力損失特性和傳熱性能2方面對氣-氣微通道熱交換器進行了表征，研究了一種氣-氣微通道熱交換器在不同隔板材料和隔板厚度下的壓力損失特性和傳熱性能。

胡肖芬等[4]為了研究微通道光管熱交換器的特性，對單根管、單排3根管、2排6根管的管外繞流進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，相比于大管徑熱交換器，小管徑熱交換器的性能更好；同排管束之間、排與排之間的流場對邊界層有影響，管徑為0.7 mm單管光管的模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，對進一步的傳熱性能分析研究具有一定的指導意義。

2 微通道熱交換器流動與傳熱特性研究

2.1 流動與傳熱特性評價指標

學者們的研究大都從微通道的流動特性、傳熱特性以及綜合性能對微通道熱交換器進行分析研究，以提高微通道熱交換器的換熱能力和流動性能為目的。研究中多以壓降Δp和努塞爾數(shù)Nu作為微通道熱交換器流動和傳熱特性的評價指標，其中壓降通常用來表征流體流動時所受到的阻力大小，從而得出流體流動性能的優(yōu)劣。范賢光等[20]指出，微通道熱交換器的壓降Δp是指微通道入口壓力和出口壓力的差值：

式中，pi為入口壓力，po為出口壓力，Pa。

傳熱特性的評價指標通常為努塞爾數(shù)Nu：

式中，q為熱流密度，W/m2；d為入口當量直徑，m；Tw為微通道的平均溫度，Tf為流體的平均溫度，K；λ 為導熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2 操作參數(shù)對流動及傳熱特性的影響

操作參數(shù)的改變通常對微通道熱交換器的性能有較大影響。在不同的應用領域，操作參數(shù)的影響亦有不同，比如空調(diào)和汽車領域中風速對微通道熱交換器的影響、化工領域中溫度對微通道熱交換器的影響，這些參數(shù)的影響不可忽視。

Yogish等[33]對考慮輻射的共流氣-氣微通道熱交換器的性能進行優(yōu)化和數(shù)值分析，通過改變冷芯液的操作參數(shù)和幾何參數(shù)，研究冷芯液對環(huán)空傳熱、對數(shù)平均溫差、效率和平均傳熱系數(shù)等性能參數(shù)的影響，針對不同的操作條件和幾何條件，對微通道熱交換器進行優(yōu)化設計。

陳華等[34]通過搭建試驗臺研究了操作參數(shù)對微通道熱交換器的影響，得出風速對微通道熱交換器換熱和流動特性影響顯著，風速為2.5 m/s時換熱量和空氣側(cè)傳熱系數(shù)最佳。

曹彬等[29]探究了操作流量對傳熱效率的影響，指出微通道熱交換器不宜在亞負荷狀態(tài)下進行操作，這一點與常規(guī)熱交換器明顯不同，裕量過大反而達不到預定換熱效果。該研究還得出，操作流量越大，最大傳熱效率越低。

張旭等[35]基于Matlab平臺進行仿真研究，分析了汽車內(nèi)外的溫度、壓縮機軸功率以及車內(nèi)相對濕度對系統(tǒng)性能的影響，將所得結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)，仿真數(shù)據(jù)具有較高的準確性，系統(tǒng)能效比隨車內(nèi)溫度和相對濕度的升高而增大，并隨車外溫度的升高和壓縮機軸功率的增大而降低。

焦永剛等[36]設計加工了矩形節(jié)流型微通道試驗件，通過改變試驗工質(zhì)進口溫度、進口質(zhì)量流量和加熱棒功率，研究了節(jié)流型微通道的傳熱特性。研究得出，試驗工質(zhì)的初始溫度與微通道的傳熱效果成反比，初始溫度越低，整個通道的散熱效果越好。對不同入口溫度的試驗工質(zhì)來說，隨著質(zhì)量流量的增加，微通道蒸發(fā)器的對流傳熱系數(shù)不斷增大。

李海軍等[37]對微通道熱交換器與管翅式熱交換器在電動客車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的制熱性能差異進行了研究，并在車外環(huán)境溫度為－10～7℃進行了分析比較，得出在一定的操作參數(shù)范圍內(nèi)，微通道熱交換器的制熱性能比管翅式熱交換器的制熱性能要好。

2.3 微通道熱交換器強化傳熱研究

與常規(guī)尺寸熱交換器相比，微通道熱交換器的強化傳熱研究明顯不同，內(nèi)部流動傳熱研究需要考慮微尺度效應。吉亞萍[38]對微通道的強化傳熱進行了數(shù)值模擬，研究了二維入口段方形粗糙元微通道的流動傳熱特性，以水作為流體介質(zhì)，利用CFD軟件對微通道在層流狀態(tài)下的性能進行模擬，分析了相對粗糙度和粗糙元間距對微通道流動傳熱的影響，并對其進行傳熱強化和流動減阻方面的理論分析，探究了傳熱強化和流動減阻的特性。

對于微通道傳熱的強化，目前主要有流動沸騰換熱、采用納米流體作為工質(zhì)以及選擇新型涂層材料這3種方式。對流動沸騰換熱的研究，主要采用數(shù)值模擬[39-44]和試驗[45-50]方法。王迎慧等[42-43]運用數(shù)值模擬方法分別考察了波形微通道和Ω型凹槽微通道相對于平直微通道的優(yōu)點，二者均有助于提升流動沸騰的傳熱特性。為了提高流動沸騰換熱的臨界熱流密度，宇高義郎等[44]設計開發(fā)了非均勻?qū)嵝詡鳠岚濉Ｔ囼炑芯糠矫?，周正龍等[48]通過搭建試驗平臺，得出疏水微通道的換熱性能高于普通微通道的換熱性能。聶飛等[49]通過沸騰換熱壓降特性研究，得出了壓降與物理參數(shù)之間的關系。劉雄偉[50]通過觀察矩形截面微通道內(nèi)飽和沸騰換熱試驗的流型特點，推導出了適用于預測矩形截面微通道沸騰傳熱系數(shù)的物理模型——四區(qū)模型。

袁俊飛等[51]指出微通道相變換熱是指制冷工質(zhì)流經(jīng)熱交換器內(nèi)部的微細通道時，通過與微通道內(nèi)壁面的相變傳熱和對流傳熱將熱源產(chǎn)生的熱量帶走的一種換熱方式。結(jié)合微通道強化傳熱的優(yōu)勢，設計加工了一種銅基微通道熱交換器，對其傳熱模型進行理論分析，并以R124為制冷工質(zhì)，試驗測量了微通道熱交換器內(nèi)相變換熱的傳熱及壓力特性。

周赟磊等[52]為了改善傳統(tǒng)微通道散熱器的傳熱特性，提出了一種新型微通道散熱器，相較于傳統(tǒng)直通道散熱器，新型微通道散熱器中不僅增加了橫向通道，而且在傳熱板的下表面覆加了具有超高熱導率的石墨烯層。石墨烯層使溫差大幅降低，進一步改善了散熱器的散熱效果。

Li等[53]采用試驗方法，對碳-丙酮納米流體微通道熱交換器的對流傳熱性能進行了測量，對傳熱系數(shù)、摩擦因數(shù)以及壓降等進行定量分析，通過研究碳-丙酮納米流體的傳熱特性，探討強化傳熱的機理，認為熱傳遞的促進是由于微觀尺度的布朗運動和熱泳動等引起。王少鋒等[54]研究發(fā)現(xiàn)不同混合比例的納米流體換熱效果均強于去離子水換熱效果。

翟昊等[55]綜述了納米流體在微通道換熱中的研究進展，指出納米流體與微通道分別作為強化傳熱流動介質(zhì)與強化傳熱結(jié)構(gòu)獲得了廣泛關注，納米流體在微通道中的強化傳熱特性受多種因素影響，主要概括了納米顆粒及基液類型、納米顆粒濃度、粒徑對微通道傳熱特性的影響，闡述了納米流體在微通道中強化傳熱的機理，指出了將納米流體應用于微通道傳熱過程中需要解決的問題和未來的發(fā)展方向。

3 結(jié)語

近十多年來，微通道熱交換器的研究和應用發(fā)展迅速，無論是對微通道的結(jié)構(gòu)還是操作參數(shù)的研究，最根本目的均是為了提高流動及傳熱性能。國內(nèi)外對微通道熱交換器的截面形狀、扁管等結(jié)構(gòu)的研究已較為成熟。對微通道熱交換器強化傳熱方面的研究，主要集中在流動沸騰換熱、采用納米流體作為工質(zhì)以及選用新型涂層材料等方面。近年來對流動沸騰換熱的研究主要包括氣泡的生成、流型的變化等。新型高效換熱材料也應用在了微通道熱交換器，在微通道熱交換器的表面添加涂層可提高其換熱能力。此外，納米流體在微通道熱交換器方面的應用研究也越來越多。

通過對近年來研究成果的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，納米流體在微通道內(nèi)的流動與傳熱、流動沸騰換熱的機理以及采用新材料涂層強化傳熱是今后微通道熱交換器研究的重要方向。