微通道换热器的特性分析及应用

苏尚美,张亚男,成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002) 摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性,通过换热器火用效率的分析,发现微通道具有高传热系数,高面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择,微通道结构的优化及加工方法,分析了微通道换热器的应用前景. 关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构 引言2O 世纪5O 年代末,著名的物理学家Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品,是过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油,化工,动力, 核能,冶金,船舶,交通,制冷,食品及制药等工业部门及国防工程中.其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提高换热器的紧凑度,以达到在单位体积上传递更多的热量,一直是换热器研究和发展应用的目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效,更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生. 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元.当前关于微通道换热器的确切定义,比较通行,直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm 换热器称为微通道换热器. 早在二十世纪八十年代, 美国学者Tuckerman 和Pease 报道了一种如图 1 所示的微通道(Micro-channel) 换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成,其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平,成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的"热障"问. .随后Wu 和Little,Pfahler 等,Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微通道换热器于1985 年由Swift 研制出来,研究表明,其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十. 美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O 年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH) 也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件,将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器. 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内,使它不仅涉及空间尺度的微小化,还涉及更为复杂的尺度效应. 2.1 微尺度效应 对于气体单相流动,当通道直径当小于200 时,即努森数≥0.001 时(其中为分子的平均自由程, 为水力当量直径) ,流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响. 对于液体单相流动,当微通道直径为381 时,宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例,微通道换热器的最高达到了9.20,而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应(表面效应) . 对于两相流,微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著,导致流型分布及转换准则发生变化.由于表面张力的影响,流动中不存在非球形泡沫.表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段,随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减 小. 2.2 入口段效应 微电子器件尺寸一般都很小,集成在这些元件上的微通道长度也就很小.这样一来,在当量直径不太小的情况下, 无量纲长度( ) 的取值就很小(0.089≤ ≤0.399).当=0.05 时,流动趋于充分发展状态,可以计算得到流动入口段长度占总通道长度的百分比为12.5.入口段效应对工质流动的影响十分显著. 3 微通道中流体的换热特性 微通道对流换热不同于宏观(指尺寸>1mm)通道换热的机理.受通道形状,壁面粗糙度,流体品质,表面过热量,分子平均自由程与通道尺寸之比等众多因素的影响,微通道换热呈现出一些特殊的特点. 3.1 换热效率随热导率的变化趋势 根据径向热阻和器壁轴向热传导的影响,换热器效率随热导率的变化可分为 3 个区域:低热导率时,随热导率的增加,径向热阻的影响逐渐减弱,换热器效率增大,该区域可称为热阻控制区;热导率增加到一定程度时,换热器效率随热导率增加的趋势逐渐减弱,增至最大值后开始逐渐减小,称为高效换热区;热导率进一步增加时, 器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强,换热器效率随之减小,并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率50%,称为热传导控制区. 3.2 流量对于换热效率的影响 在低介质流量时,金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值,亦即对于确定结构的换热器而言,存在一个最佳的操作流量值.并且,在相同的流量偏差下,系统效率在亚负荷操作时,效率降低幅度要比在超负荷操作时大得,因此,在一定范围内,金属微通道换热器可超负荷运行,不宜在亚负荷状态下操作,这点与常规尺度换热器系统有明显的区别. 在高介质流量时,器壁轴向导热对换热效率的影响逐渐减弱. 随介质流量的增加,换热效率逐渐减小. 3.3 微通道加工材质的选择 在低介质流量时,热阻控制区为低热导率区.因此低热导率材料换热器(如玻璃)的换热效率要明显高于诸如金属等具高热导率的换热器. 在高介质流量时,对于结构参数一定的换热器,随操作流量的增加,导热热阻对换热效率的影响逐渐增强, 高效换热区也向高热导率方向移动,换热器材料可用热导率相对较低的金属材料(如不锈钢). Bier 等对错流式微通道换热器内气-气换热特性进行了数值分析和实验研究,结果表明,不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换热器.. 3.4 临界热流密度 对于有相变的换热,微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前,微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾,从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达到临界热流密度,微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过热蒸汽的出现,直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞. 3.5 入口段效应 Nusselt 数随无量纲加热长度的增加而减小.而对于常规尺度下圆管内层流换热,当=0.05 时,换热趋于充分发展状态,Nusselt 数趋于定值 4.51.根据的取值范围0.013≤ ≤0.093,可以计算得到换热入口段长度占总通道长度的百分比为53.8%.入口段效应对工质换热的影响十分显著. 4 微通道换热器换热性能 此处以换热器的火用效率作为衡量换热器热性能的指标 其中热效率——冷流体吸热量, ——热流体放热量; 温度火用效率, ——环境温度, , ——分别微冷流体吸热平均温度和热流体平均放热温度压力火用效率, ——冷介质相对火用耗损, ——热介质相对火用耗损 4.1 热效率 当热介质侧散热量一定时,热效率与换热量有关.根据热流密度公式: , 在传热温差一定时,微换热器无相变传热系数可达l0~15 ,有相变传热系数可达30~35 ;微通道具有高表面积-体积比, 微通道中流体与通道单位体积接触表面积要远大于常规通道中流体与通道的单位体积接触表面积.微通道可使热流密度高达100-150 ,而一般传统换热形式只能达到10—20 ,热效率可达0.95 以上. 4.2 温度火用效率 在传热温度水平一定时,传热温差引起的不可逆传热损失是火用耗损增加的原因. 表 1 温差对换热器火用效率的影响275 200 150 100 50 0 62.1 62.1 55.7 43.7 25.6 0 0.451 0.579 0.666 0.760 0.868 1 微通道换热器换热系数维持在一个较高的水平,从而减小了传热温差,减小不可逆传热造成的能量损失. 实验证明,采用10℃的去离子水作为冷媒,以 6 m/s 的速度流人微通道, 在 1 芯片上散热150 时水与芯片温差可维持在15℃以下,对500 的热通量快速散热时硅底部的温升只有21.153℃.由表可知,温度火用效率在0.92 以上. 4.3 压力火用效率 相对火用耗损, 由流动阻力决定,其中冷介质侧的相对火用耗损对压力火用效率的影响较大.尽管微通道内径很小,但其沿程流动阻力不大,微通道的摩阻比宏观理论值小31.6%~ 41.9%. 综合分析可知, 微通道具有高传热系数,高表面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器. 5 工质的选择 对于微通道热沉的设计来讲,无论采用沸腾换热还是采用单相强制对流换热,工质的选择都至关重要.用于微通道的传热介质一般是经过纯化的空气,氮气, ,水等.除此之外还有液氮,乙醇,硅油,氟利昂等液体,工程常用的乙二醇水溶液则少见报道. 根据换热系数关联式可以看出,在微通道长度,直径和介质流量一定时,宜选用在导热系数及比热比较大的工质.试验表明, 空冷硅微通道热沉的热阻小于 1 , 水冷硅热沉的热阻小于0. , 1 液氮冷却硅微通道热沉的热阻小于0. . O5 随着冷却介质导热系数和比热的增大,换热被加强. 6 微通道结构的优化及加工 微通道结构经历了从二维到三维的发展.常规微管道(阵列式),包括圆形,矩形,V 形,梯形,双梯形等的截面形状以及目前的一种基于热边界层中断技术的交错结构,大多属于准二维的直线形微管道.微通道内流量分配不均,微通道分布均匀性差,局部散热不佳成为二维微通道面临的难题.三维结构(分形网络) 的微通道正是在这种背景下发展起来的.常见的有树状分形结构,双层树状网络,T 形树状分形流体网络, 仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构和仿蜂巢结构的分形网络. 三维微通道的加工制造技术: ⑴光刻电镀(LIGA)技术: 1986 年由德国W.Ehrfeld 发明,等利用高能加速器产生的同步辐射x 射线刻蚀, 结合电铸成形和塑料铸模技术发展出的LIGA工艺.控制光刻时的照射深度,亦即使用部分透光的掩模, 在曝光同一时刻光刻胶在不同处的曝光深度不同,从而获得的光刻模型可以有不同的高度,从而获得真正的三维为立体微型器件. ⑵准分子激光微细加工技术: 准分子激光处于远紫外波段,波长短,光子能量大,可以击断高聚物材料的部分化学键而实现 化学"冷加工".利用准分子激光的掩膜投影直刻技术能获得大深宽比的微结构,加工面宽,成本低,可实现批量生产;利用聚焦激光束光栅扫描刻蚀技术能实现连续三维结构的加工. ⑶双光子聚合(TPP)加工技术: 是通过光敏剂中的非线性双光子吸收过程所引发的聚合反应, 采用多重断面分层叠加的方法进行加工,各断面的扫描数据从三维CAD 数据中得到.在聚合反应后,没有固化的液态树脂,其采用在树脂上浇注类似于酒精之类溶剂的方法去除,从而显露出聚合的三维微结构. 随着加工制造技术的发展,目前已实现了一些复杂的机械表面.但从当前国际微型机械产品的生产来看, 三维复杂微成形在技术上仍未得到很好的解决,正在积极开发新型的,更有效的微加工和微成形技术. 7 微通道换热器的应用前景 目前,随着微型机械电子系统和微型化学机械系统的发展,传统的换热装置已不能满足应用系统的基本要求,换热装置微型化的发展成为迫切要求和必然趋势;另外,随着能源问题的日渐突显,也要求在满足热量交换的前提下,尽可能缩小设备体积,即提高设备的紧凑性,进而减轻设备重量,节约材料,并相应地减少占地面积. 微通道换热器具有结构紧凑,换热效率高,质量轻,运行安全可靠等特点.它在微电子,航空航天,医疗, 化学生物工程,材料科学,高温超导体的冷却,薄膜沉积中的热控制,强激光镜的冷却以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中广泛使用;特别是微型核反应堆的试运行,燃料电池动力潜艇的试航,微透平机械以及微化学仪器的应用等,微型化的换热装置作为相应系统的配备设备发挥了举足轻重的作用.正是由于微换热器具有许多常规尺寸设备所无可比拟的优越性,近几年微换热器的研究和应用发展得非常迅速. 微通道冷凝器已经在汽车空调上广泛使用,而挪威J.Petterson 也设计出了适用于跨临界汽车空调的微通道换热器.微通道换热器用于针对电力电子器件(例如IGBT)的大功率集成热路,达到散热流密度600 , 目前理论计算的散热能力可 1 .预计未来几年,高速IC 的发热可能会达到200 ,开发能适应此功率的微通道散热器已有了进展. 目前,微型换热装置虽然在设计,制造,装配,密封技术和参数测量(无接触测量技术)等技术方面还存在很多难点,但随着大量的试验和数值模拟对其结构,性能等的技术改进和优化设计研究,微型换热装置将日趋成熟,成为一种具有广泛应用前景的新型设备. 参考文献[1] 宋之平,王加璇.节能原理[M].北京:水利电力出版社,1985.238~240. [2] 张建华.特种与精密加工技术[M].北京:机械工业出版社,2003.245~246. [3] 史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2003.207~209,277~278. [4] 俞炳丰.制冷与空调应用新技术[M].北京:工业装备与信息工程出版中心,2002.211~219. [5] 刘焕玲,邵晓东,贾建援.计算机芯片的散热研究[J].电子机械程,2005, 21(3):15~21. [6] 曹彬,陈光文,袁权.逆流式微通道换热器设计与操作特性分析[J].化工学报,2005, 56(5):774~778. [7] 周继军,徐进良,甘云华,陈勇.微通道中临界热流密度的实验研究[J].自然科学进展,2005:585~590. [8] 宋静.微通道内气-液两相流动特性研究[J].青岛科技大学学报,2006, 27(4):299~3 03. [9] 周帼彦,涂善东.换热技术从大型化向微小化的发展[J].热能动力工程,2005, 20(5) :447~454. [10] 王卫东,贾建援,王洪喜.微通道换热实验装置的设计与实验研究[J].电子测量与仪器学报,2004.