微通道換熱器的研究進(jìn)展及應(yīng)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?。?mm）通道換熱機(jī)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(diǎn)。

1.1 熱傳導(dǎo)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(dǎo)的影響，當(dāng)熱導(dǎo)率變化、熱導(dǎo)率較低時(shí)，隨著熱導(dǎo)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(dāng)熱導(dǎo)率增加到一定距離時(shí)，隨著熱導(dǎo)率的增加趨勢，熱交換器的效率逐漸減弱，增加到最大值時(shí)開始逐漸減小，稱為高效熱交換區(qū)。當(dāng)熱導(dǎo)率進(jìn)一步增加時(shí)，器壁軸向?qū)釋Q熱過程的影響逐漸加強(qiáng)，換熱器效率降低，當(dāng)容器壁完全等溫時(shí)，導(dǎo)熱效率接近50%，稱為導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(fù)載操作時(shí)的效率降低幅度比在過載操作時(shí)大，因此金屬微通道熱交換器能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行過載運(yùn)轉(zhuǎn)，在負(fù)載狀態(tài)下的操作不優(yōu)選這一點(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)率區(qū)域。因此，玻璃等低熱傳導(dǎo)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(dǎo)率熱交換器。

對于高電流量，在結(jié)構(gòu)參數(shù)固定熱交換器中，隨著操作流量的增加，導(dǎo)熱電阻對熱導(dǎo)率的影響逐漸加強(qiáng)，高效率熱交換區(qū)域也向高熱導(dǎo)率方向移動(dòng)熱導(dǎo)率低的金屬材料（不銹鋼等）Bier等人對錯(cuò)流式微通道換熱器內(nèi)的氣體-氣體換熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)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?yàn)槲⑼ǖ赖恼羝婚]塞，在達(dá)到臨界熱流密度之前微通道的流動(dòng)和傳熱主要是周期性過冷流動(dòng)沸騰，從微通道脫落。出來的氣泡和進(jìn)入微通道的液體反復(fù)交替沖洗微通道，達(dá)到臨界熱流密度后，微通道中的流動(dòng)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(gè)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(yīng)

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(shí)熱交換充分，零芯數(shù)趨于4.51。基于Lh取值范圍0.013≤Lh≤0.093，計(jì)算出熱交換入口段長度占整個(gè)通道長度的比例為53.8%。明確了入口段效應(yīng)對刀具換熱的影響。

二、.微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化和處理

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

（1）IC技術(shù)：大規(guī)模集成電路（IC技術(shù)）開發(fā)的平面處理技術(shù)和塊處理技術(shù)。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(xué)氣相沉積、噴涂等過程形成的，然后通過犧牲層的蝕刻進(jìn)行光刻、蝕刻，特別是各向異性蝕刻和各種形式的微力學(xué)。IC技術(shù)的成熟程度決定了其在現(xiàn)代微加工領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。然而，這種微表面處理技術(shù)僅適用于硅材料，僅限于薄厚度的平面設(shè)計(jì)，并限制了應(yīng)用范圍。

（2）光刻技術(shù)（LIGA）：LIGA技術(shù)于1986年開發(fā)，結(jié)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(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是能夠處理具有大深度寬比和大加工面積的微觀結(jié)構(gòu)。然而，LIGA需要開發(fā)昂貴的同步加速器X射線源。LIGA實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二維過程，它使復(fù)雜的三維微觀結(jié)構(gòu)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(xì)加工。加工材料狹窄，工藝復(fù)雜。

（4）準(zhǔn)分子激光微加工技術(shù)是近年來出現(xiàn)的。準(zhǔn)分子激光器位于波長短、光子能量高的遠(yuǎn)紫外線波段，可以破壞聚合物材料的某些化學(xué)鍵，并提供低溫化學(xué)處理。采用準(zhǔn)分子激光面罩投影直接蝕刻技術(shù)，實(shí)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(jié)構(gòu)，可采用聚焦激光格柵蝕刻技術(shù)加工連續(xù)三維結(jié)構(gòu)。

微通道熱交換器應(yīng)用前景

目前，隨著微電子和微化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)熱交換器已不再滿足應(yīng)用系統(tǒng)的基本要求。熱交換器的小型化已經(jīng)成為一個(gè)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(shè)備的體積，即增加設(shè)備的緊湊性，從而減輕設(shè)備的重量，節(jié)省材料，并相應(yīng)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(shè)計(jì)、制造、裝配、密封技術(shù)和參數(shù)測量（非接觸式測量方法）存在許多困難。但隨著設(shè)計(jì)、性能等技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，通過大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)和模擬，微熱交換器越來越成熟，將成為應(yīng)用前景廣闊的新型設(shè)備。