平板微熱管陣列換熱器的研究現(xiàn)狀與展望

摘要：平板微熱管陣列換熱器作為一種高效的傳熱設(shè)備，在當(dāng)前節(jié)能減排的背景下具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要針對(duì)平板微熱管陣列換熱器的優(yōu)化研究應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)行總結(jié)分析，得出其傳熱性能主要影響因素有：平板微熱管陣列的微槽尺寸、工質(zhì)選擇、充液率、傾斜角度及換熱器的翅片結(jié)構(gòu)尺寸、熱流量、運(yùn)行溫度、流動(dòng)特性等，這些都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生性能影響。在上述性能影響因素當(dāng)中，對(duì)于平板微熱管陣列換熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化研究相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然較少，需要進(jìn)一步的重視和探究。

關(guān)鍵詞：平板微熱管陣列換熱器；平板微熱管陣列；研究現(xiàn)狀；傳熱性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A """"" 文章編號(hào)：

Current Research Status and Prospect of Flat Plate Micro-Heat Pipe Array Heat Exchangers

LIU Zhenghong1，LENG Bingbing2， ZHAO Shiqi1， JING Ling1， YANG Jingang1*

（1：School of Municipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China;2：State Grid Jilin Electric Power Co.， Ltd. Changchun Power Supply Company，Changchun Jilin 130028，China）

Abstract：As an efficient heat transfer equipment， flat plate micro-heat pipe array heat exchanger has a broad application prospect in the context of energy saving and emission reduction. This paper mainly summarizes and analyzes the optimization and application status of flat plate micro-heat pipe array heat exchanger， and concludes that the main influencing factors of its heat transfer performance are： the micro-slot size of flat plate micro-heat pipe array， working medium selection， liquid filling rate， tilt angle， fin structure size of heat exchanger， heat flow rate， operating temperature， flow characteristics， etc.， which will affect its performance. Among the above performance influencing factors， the optimization of fin structure size parameters of plate micro-heat pipe array heat exchanger is still relatively few， which needs further attention and exploration.

Keywords： flat plate micro-heat pipe array heat exchanger; flat plate micro-heat pipe array; research status; heat transfer performance

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的背景下，能源消耗所導(dǎo)致的全球變暖和環(huán)境污染已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，各個(gè)國(guó)家紛紛采取措施，實(shí)施低碳發(fā)展模式，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的雙重目標(biāo)[1]。2021年11月，第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)再次強(qiáng)調(diào)了《巴黎協(xié)定》中的目標(biāo)，即將全球平均氣溫上升控制在工業(yè)化前水平的2 ℃以下，并努力將氣溫上升限制在工業(yè)化前水平的1.5 ℃以下[2]。根據(jù)測(cè)算，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，2020年—2050年，中國(guó)需要在保持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)碳減排超過(guò)2/3以上的目標(biāo)[3]。為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，節(jié)能減排技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用尤為重要，包括調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大低碳或清潔能源的使用占比；調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐漸淘汰高污染、高排放產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)而發(fā)展高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)；提高能源利用效率，增加余熱和廢棄物回收設(shè)備。當(dāng)前階段，提高能源效率占據(jù)節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的首要地位，而換熱器的優(yōu)化研究應(yīng)用是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

平板微熱管陣列作為一種高效的傳熱裝置，因其能夠快速傳遞和分散熱量，所以在近年來(lái)得到了重點(diǎn)的應(yīng)用和發(fā)展。將平板微熱管陣列應(yīng)用到換熱器當(dāng)中，使得其具備了體積小、傳熱效率高、傳熱速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在電子電器、冶金化工、新能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。平板微熱管陣列換熱器擁有的獨(dú)特性能，使其成為替代傳統(tǒng)換熱設(shè)備的理想選擇。

1 平板微熱管陣列換熱器的簡(jiǎn)介

平板微熱管陣列外形呈平板狀，是由多個(gè)內(nèi)部帶有微槽結(jié)構(gòu)的熱管組成，每個(gè)內(nèi)部熱管直徑僅為50μm～3 mm，長(zhǎng)度為5 mm～90 cm，如圖1所示。

平板微熱管陣列的工作原理類(lèi)似于傳統(tǒng)熱管，通過(guò)熱傳導(dǎo)和相變?cè)韺?shí)現(xiàn)熱量的傳遞和散熱。平板微熱管陣列中每個(gè)帶有微槽結(jié)構(gòu)的熱管都是獨(dú)立封閉的，內(nèi)部抽真空并填充有氨、制冷劑、乙醇、甲醇等，有些高溫平板微熱管陣列通常還會(huì)使用鉀、鈉等低熔點(diǎn)金屬。在工作過(guò)程中，通過(guò)加熱內(nèi)部工質(zhì)引發(fā)相變，并使其順著平板微熱管陣列內(nèi)壁流向冷凝段，冷卻凝結(jié)后再返回蒸發(fā)段，并以此循環(huán)往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)熱量運(yùn)輸傳遞的目的，運(yùn)行原理如圖2所示。平板微熱管陣列的優(yōu)點(diǎn)在于其高密度的熱傳遞能力和均勻的溫度分布。每個(gè)內(nèi)部微熱管均能獨(dú)立傳遞熱量，使得其能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的熱管理，并保證高度可靠性。此外，平板微熱管陣列還能夠均勻分散熱量，有效避免熱點(diǎn)的產(chǎn)生，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

平板微熱管陣列換熱器主要將平板微熱管陣列作為核心傳熱元件，通過(guò)內(nèi)部工作流體的相變循環(huán)（蒸發(fā)和冷凝）有效地傳輸熱量。

2 平板微熱管陣列換熱器的研究現(xiàn)狀

目前對(duì)平板微熱管陣列換熱器的研究主要是為了提升其傳熱性能，將實(shí)驗(yàn)與模擬研究相結(jié)合，提升換熱效率。平板微熱管陣列換熱器性能穩(wěn)定性的影響因素主要包括流態(tài)變化、表面張力、熱阻和熱容、操作條件及運(yùn)行條件等，上述因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生性能影響。為解決上述的影響因素，現(xiàn)有的研究主要分為兩大類(lèi)，一是對(duì)平板微熱管陣列進(jìn)行優(yōu)化研究，二是對(duì)平板微熱管陣列換熱器的性能進(jìn)行分析。

2.1 平板微熱管陣列的優(yōu)化研究

2.1.1 微槽尺寸

合理地改變平板微熱管陣列的微槽結(jié)構(gòu)形狀和尺寸可以增強(qiáng)平板微熱管陣列的傳熱性能。Nagayama等[4]提出了帶有槽道收斂的微通道陣列，以此來(lái)增強(qiáng)熱管毛細(xì)力。在給定工作條件下設(shè)計(jì)優(yōu)化槽道收斂部分和直通部分的尺寸，與直通微通道和未優(yōu)化的收斂微通道相比，提高了熱性能，并指出提高平板微熱管陣列熱性能的關(guān)鍵是優(yōu)化其微槽尺寸。

2.1.2 工質(zhì)選擇

平板微熱管陣列工質(zhì)的熱物性參數(shù)，如蒸發(fā)潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等，會(huì)影響熱量的傳遞和換熱器的傳熱效率。Zhao等[5]提出了平板微熱管陣列的傳熱極限與工作介質(zhì)的蒸發(fā)潛熱呈正相關(guān)關(guān)系，含有去離子水的甲醇二元流體可以增加工作介質(zhì)的蒸發(fā)潛熱。研究中使用了含有不同甲醇和去離子水二元流體濃度以及純甲醇的熱管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了這5種平板微熱管陣列的性能。結(jié)果顯示，80%甲醇含量的平板微熱管陣列具有最大的熱功率，并且相比于100%甲醇含量的平板微熱管陣列，其傳熱特性更好，最大熱功率增加了12.0%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間減少了15.1%。另外，60%甲醇含量的平板微熱管陣列具有最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，比100%甲醇含量的平板微熱管陣列低30.42%，但最大熱功率相對(duì)較低，減少了10.0 W。

2.1.3 工質(zhì)充液率

平板微熱管陣列充液率是指管內(nèi)工作介質(zhì)的填充程度。合理的充液率可以提高換熱器的傳熱性能，過(guò)高或過(guò)低的充液率都會(huì)降低傳熱效率。Li等[6]采用可視化的方法研究了超薄平板微熱管陣列在不同充液率下的傳熱性能表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳充液率為15%，工作介質(zhì)剛好填滿(mǎn)吸附層，熱阻最小為1.2 ℃/W。在過(guò)高的充液率下，加熱時(shí)觀察到沸騰現(xiàn)象，對(duì)提高傳熱極限的效果非常有限，只能增加4 W的傳熱極限。毛細(xì)極限是限制超薄平板微熱管傳熱極限的關(guān)鍵因素。過(guò)多的液體在蒸汽腔中形成液體橋梁，將阻礙蒸汽的流動(dòng)。同時(shí)，它會(huì)破壞冷凝工作介質(zhì)的毛細(xì)流動(dòng)，導(dǎo)致冷凝區(qū)域的液體積聚，增加平板微熱管的熱阻。

2.1.4 傾斜角度

傾斜角度的選擇可以影響平板微熱管陣列的傳熱性能。Huang等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了平板微熱管陣列的最佳充液工質(zhì)和傾斜角度。首先制備了3種不同充液工質(zhì)的平板微熱管陣列，分別是丙酮、環(huán)戊烷和正己烷。對(duì)這3種平板微熱管陣列進(jìn)行了性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丙酮工質(zhì)平板微熱管陣列表現(xiàn)出了最佳的性能，原因是丙酮液體蒸汽的較小流動(dòng)黏性摩擦力和剪應(yīng)力。提出了一種確定平板微熱管陣列最佳傾斜角度的標(biāo)準(zhǔn)。在該研究中，以74±7%的體積分?jǐn)?shù)（αc，a），能夠很好地預(yù)測(cè)具有不同工作流體和熱負(fù)荷的平板微熱管陣列的最佳傾斜角度。

體積分?jǐn)?shù)αc，a，公式如下：

"""""""""""""""""（1）

式（1）中：V工質(zhì)為冷凝段和絕熱段中的工作流體體積，m？；V槽道是冷凝段和絕熱段的槽道體積，m？。

綜上所述，針對(duì)平板微熱管陣列的優(yōu)化研究，通過(guò)調(diào)整微槽尺寸、選擇合適的工質(zhì)、控制充液率以及確定最佳傾斜角度，可以有效地增大熱傳輸效率，降低熱阻，并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，從而優(yōu)化平板微熱管陣列的整體性能。上述優(yōu)化方向不僅為平板微熱管陣列的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也顯著提升了平板微熱管陣列換熱器的運(yùn)行效果。通過(guò)這些綜合性的優(yōu)化措施，可以使平板微熱管陣列在電子冷卻、余熱回收和其他領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)更為高效和可靠的應(yīng)用效果。

2.2 平板微熱管陣列換熱器的性能分析研究

2.2.1 實(shí)驗(yàn)分析研究

當(dāng)前對(duì)平板微熱管陣列換熱器的實(shí)驗(yàn)分析研究主要是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下或?qū)嶋H工程中進(jìn)行安裝和使用后，進(jìn)行性能分析研究。換熱器性能分析問(wèn)題主要是在給定換熱量、傳熱面積、傳熱系數(shù)以及出入口溫度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析各變量之間的依賴(lài)關(guān)系，從而得出換熱器的性能表現(xiàn)。目前應(yīng)用的方法主要有效率分析、有效度—傳熱單元數(shù)法、基于熵理論、火積理論、火用理論分析等?？偨Y(jié)出不同參數(shù)下的換熱器傳熱性能表現(xiàn)，為日后平板微熱管陣列換熱器在不同領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

靖赫然等[8]提出一種基于平板微熱管陣列的換熱器，利用冬季和過(guò)渡季室外空氣冷量，解決基站的散熱降溫問(wèn)題。設(shè)定不同室外溫度，對(duì)該換熱器順流、逆流下的換熱性能、溫度分布、阻力特性等參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)逆流式相較于順流式性能提升了16.9%，換熱器具有良好的性能表現(xiàn)。

Yang等[9]介紹了基于平板微熱管陣列的氣水換熱器（見(jiàn)圖3），將此應(yīng)用到工程實(shí)例中，采用控制變量法分析了不同進(jìn)口溫度和風(fēng)速對(duì)傳熱的影響。結(jié)果表明在換熱器到達(dá)最大傳熱量時(shí)，煙氣進(jìn)口溫度為190 ℃，傳熱效率穩(wěn)定在70%以上，超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)引入無(wú)量綱等效熱阻R *和熱導(dǎo)N *來(lái)分析傳熱過(guò)程的不可逆性，研究發(fā)現(xiàn)到達(dá)換熱器臨界溫度前，應(yīng)適當(dāng)降低風(fēng)速以保持溫度。在到達(dá)臨界溫度后，引入了有效度傳熱單元數(shù)法和有效度熱導(dǎo)率法對(duì)傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

等效熱阻RA，公式如下：

""""""""""（2）

無(wú)量綱等效熱阻R*，公式如下：

""""""（3）

無(wú)量綱熱導(dǎo)N*，公式如下：

（4）

式（2）～（4）中：Cmin為換熱器較小熱容量流；ε為換熱器有效度；C為熱容量流比。

Diao等[10]在住宅建筑熱回收系統(tǒng)中，采用了鋸齒翅片的平板微熱管換熱器。對(duì)該換熱器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了在不同室內(nèi)外空氣溫度、空氣體積流量和平板微熱管陣列排列方式下的性能。結(jié)果表明，該平板微熱管換熱器表現(xiàn)了較高的傳熱能力，具有高熱回收效率、高可靠性、低阻力和小巧的體積。在實(shí)驗(yàn)條件下，最大熱回收效率和COP分別可達(dá)到78%和91.9%。

Jing等[11]基于平板微熱管陣列換熱器，提出了新型分體式自然冷卻系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的熱管理系統(tǒng)中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室性能研究，分析了不同室外溫度、空氣和水流量以及室內(nèi)外側(cè)換熱器組合形式對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試了28 ℃和38 ℃兩種室內(nèi)溫度。結(jié)果顯示，空氣流量對(duì)換熱器性能的影響大于水流量，并建立了壓降擬合曲線，為換熱器設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備的選擇提供了參考依據(jù)。當(dāng)室內(nèi)外側(cè)換熱器組合形式為M=0.75時(shí)，系統(tǒng)的綜合性能最佳，最大換熱量為8.7 kW，最大制冷能效系數(shù)為14.01。在封閉了熱通道的散熱條件下，當(dāng)M=0.75時(shí)，最大換熱量達(dá)到12.4 kW，并且最大制冷能效系數(shù)為17.15。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用平板微熱管陣列換熱器的冷卻系統(tǒng)具有良好的性能表現(xiàn)。

楊金鋼等[12]提出了基于平板微熱管陣列的氣氣換熱器，應(yīng)用到廚房低溫油煙余熱回收，對(duì)該換熱器性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，對(duì)不同室外溫度、風(fēng)量、翅片尺寸進(jìn)行了傳熱性能和阻力測(cè)試。結(jié)果表明，換熱器的換熱量隨著室外溫度升高而減小，隨著風(fēng)速增大呈線性增加趨勢(shì)，而隨著翅片尺寸增大則呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì)。換熱效率穩(wěn)定在0.77～0.97之間，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該換熱器具有較好的低溫適應(yīng)性，在不同場(chǎng)景下都能滿(mǎn)足使用要求，因此應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

2.2.2 模擬分析研究

有學(xué)者采用計(jì)算機(jī)模擬研究，直觀展現(xiàn)了平板微熱管陣列換熱器的性能表現(xiàn)，韋新東等[13]對(duì)采用平板微熱管陣列換熱器散熱的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房進(jìn)行模擬研究，優(yōu)化了機(jī)房氣流組織，得出平板微熱管陣列換熱器的溫度云圖，如圖4所示，分析得出換熱器運(yùn)行效果優(yōu)異，并有效地降低了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

綜上所述，對(duì)平板微熱管陣列換熱器的實(shí)驗(yàn)分析和模擬研究展示了其在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用中的優(yōu)異性能。實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)設(shè)定不同的運(yùn)行條件，如進(jìn)出口溫度、流量等，詳細(xì)分析了換熱器的性能，包括傳熱效率、溫度分布和阻力特性，為換熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考數(shù)據(jù)。模擬分析研究則利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，直觀展現(xiàn)了換熱器的運(yùn)行效果和溫度分布，有助于進(jìn)一步優(yōu)化空氣流動(dòng)性能，降低系統(tǒng)能耗。現(xiàn)有研究成果不僅展示了平板微熱管陣列換熱器具有廣泛應(yīng)用的潛力，也為其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，但是根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該換熱器翅片的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化相關(guān)研究較少。

總體來(lái)看，平板微熱管陣列換熱器具有良好的熱傳遞能力和熱回收效率，在不同運(yùn)行參數(shù)下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

平板微熱管陣列換熱器作為一種高效傳熱設(shè)備，相較于傳統(tǒng)的換熱器擁有更好的性能表現(xiàn)，在節(jié)能減排的背景下具有廣闊的應(yīng)用前景，本文介紹了平板微熱管陣列換熱器的性能影響因素和應(yīng)用情況，主要的結(jié)論如下。

1） 平板微熱管陣列換熱器的性能受到平板微熱管陣列的微槽尺寸、工質(zhì)選擇、充液率、傾斜角度及換熱器的翅片尺寸、熱流量、運(yùn)行溫度、流動(dòng)特性的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮和優(yōu)化這些因素，以獲得最佳的換熱器性能。

2） 平板微熱管陣列換熱器的相關(guān)研究中，針對(duì)平板微熱管陣列選型優(yōu)化的研究較多且較為全面。然而，在換熱器性能分析方面，關(guān)于換熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究?jī)?nèi)容較少，因此仍需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。

3） 平板微熱管陣列換熱器的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及農(nóng)業(yè)基站室外自然冷卻系統(tǒng)、住宅建筑熱回收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心的熱管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。這些實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證了微熱管換熱器的高效性和可靠性。未來(lái)的研究和應(yīng)用方向包括進(jìn)一步優(yōu)化平板微熱管陣列的微槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部工質(zhì)的選擇，提高傳熱效率和穩(wěn)定性；開(kāi)發(fā)新型的換熱器結(jié)構(gòu)和材料，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景；探索換熱器在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源節(jié)約減排中的應(yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，綠色發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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編輯：劉 巖