微型换热器的研究现状与展望
过控08-1 楚蓝天 06082876 摘要：本文介绍了微型换热器的特点、材料及形式，分析了换热器国内外的研
究现状以及存在的问题，总结了研究过程中存在的不足，并对换热器的进一步研 究作出展望。
关键字：微型换热器；现状；不足；展望
换热器的发展已经有近百年的历史，其在国民经济的诸多领域 (如食品、制药、石油化工、空调、动力、冶金、轻工等)得到广泛的应用。进入80年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注，特别是近年来，能源与材料费用的不断增长极大地推动了对高效节能换热器的研究，地下工程空间有限，高效率的换热器能节约地下工程的使用空间和能源。目前，节能减排已成为我国 “十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域研究的热点。
一、微型换热器简介
微型换热器及微型散热器是体积小、单位体积换热面积大的一种超紧凑式换热器，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，以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。与普通换热器相比，微型换热器的主要特点 在于单位体积 内的换 热面积很大，相应地，其单位体积传热系数高达几十到几百MW／(m3K)，比普通换热器要高 1—2个数量级。
微槽式微型换热器是目前微型换热器中最常见的一种，其流动槽道一般是在很薄的硅片、金属或其他材料的薄片上加工而成，这些薄片可以单独使用，形成平板式换热器，又称“微槽散热器”；也可多片焊在一起，形成顺流、逆流或交叉流换热器。Tucker—Inan和 Pease在 1981年率先提出了“微槽散热器”的 概念，并对其换热性能进行了实验研究。结果表明，在温差不超过 70℃时，这种微槽散热器的单位面积散热量最高可达 1300W／cm2。此后，很多人对微槽散热器的传热性能及传热机理进行了实验研究。用于两种流体间进行热交换的微槽
式微型换热器则首先由 Swift、Migliori和 Wheatley于 1985年研制出来。
微槽散热器多采用深槽结构 (深度与宽度比大于1)。微槽式微型换热器则多采用扁槽结构 (深度与宽度比小于1)。这一方面与实际加工的限制及结构强度要求有关；另一方面，微槽式微型换热器所采用的扁槽结构顺应了人们对换热表面高紧凑性的要求。
多孔结构能大大强化换热。我们曾对板式多孔式微型换热器和微槽式微型换热器进行过分析和比较，结果表明：在相同的流、孔隙率和外形尺寸的条件下 多孔式微型换热器的换热系数更大，但同时多孔式微型换热器的压力损失也更大。 从传热角度看，多孔式微型换热器要优于微槽式微型换热器，特别是当流量较小或受限制时，多孔式微型换热器仍具有很高的传热性能；而微槽式微型换热器中，扁槽结构要强于深槽结构。若从传热和阻力损失两个角度综合来看，深槽结构微槽式微型换热器要优于扁槽结构及多孔式微型换热器。总之，它们各具优缺点，需要在实际应用中，根据具体情况选择合适的型式和结构。 二、换热器研究现状 1、国内研究现状
对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管(板)排列方式 (顺排或叉排)、换热管(板)排数、换管(板)间距大小、肋片布置问距、肋片形状等。国内对于换热器肋片换热的研究起步比较晚、经验比较少，多借鉴于国外，无论是理论研究还是实验研究都还需进一步深入，技术创新还不够，但是对各因素对换热器性能影响的研究也比较全面。总的来说，仍然存在以下问题：(1)换热器换热的理论研究不够完善，可供对肋片实际应用优化设计的理论依据太少，对于换热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验、数据分析拟和而成的经验公式；(2)换热的理论 体系缺乏系统性，不够完善；(3)因为试验环境、材料、仪器的精度以及试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂不能形成对实践的可靠指导；(4)目前对换热器的研究大多基于一维、二维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少，同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很苛刻，得出的结论适用性不强；(5)结合试验建立的部分换热理论还缺乏严谨性和
局限性。 2、国外研究现状 有源技术
处理表面 法国研究最多，美国侧重于滴状冷凝。预计用于冷凝效果显著 粗糙表面 美国有一些相当不错的管内强化资料 扩展表面 日本对发展新型扩展表面非常积极，美国也做了相应工作 位移强化 法国成功地用于对流式蓄热器中、日本则致力于 无两相流 漩涡流 是英国最积极发展和推广的一种强化技术 表面张力 苏联、日本和美国比较感兴趣，许多实验室热衷于螺旋格表面。法国用于强化沸腾 多孔结构 日本、德国和美国均有制造商英国已引进成品管 添加剂 英国和美国学术专家中心用于流化床 螺旋管 美国领先 ，但技术效果并不显著 ，而且没有可信的研究和设计工作 直接接触式 德国用于反应器及换热器，英国也有应用，预测用 于气体传热有较大潜力 开槽管 英国有兴趣研究，日本有些应用，如热泵系统 机械辅助 研究及应用均较少 表面振动 美国有少量报导 ，但没有显著的效果
无源技术
流体振动 尚未用于换热器 ，但瑞典已采用声波清洁 电厂 日本计划用于小尺寸换热器 ，预计有潜力 射流 法国用于高温场合 ，美国初步用于航空。除特殊场合外，应 用潜力不大 旋流 英国有较好的研究和设计基础 ，美国工业上已推广应用 诱导流 美国处于领先地位
三、存在的不足及发展前景 1、存在的不足
国内对于换热器肋片换热的研究起步比较晚、经验 比较少，多借鉴于国外，无论是理论研究还足实验研究都还需进一步深入，技术创新还不够，但是对各因素对换热器性能影响的研究也比较全面。 总的来说，仍然存在 以下问题：
(1)换热器换热 的理论研究不够完善，可供对肋片实际应用优化设计 的理论依据太少，对于换热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验数据分析拟和而成的经验公式；
(2)换热的理论体系缺乏系统性，不够完善；
(3)因为试验环境，材料，仪器的精度以及试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂不能形成对实践的可靠指导；
(4) 目前对换热器的研究大多基于一维、二维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少，
同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很苛刻，得出的结论适用性不强； (5)结合试验建立 的部分换热理论还缺乏严谨性和局限性。 2、换热器研究的发展前景
换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理论研究创新，寻求建立能支撑肋片设计选型的系统化的理论，同时要结合实验研究，寻求实际应用中最节 能的肋片参数值。换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外型、布置仍然没有可靠 的理论依据，传统的肋片布置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状或圆台状肋 ，而对于针状肋片在换热管表面的最佳换热的散布规律仍然还不明晰，理论研究非常薄弱；对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片研究甚少。
新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热管型的探索研究比较缺乏。对换热管排数和排列方式对换热器整体换热性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此方面的研究多以实
验研究为主，然后从实验中提取经验公式，关于管排数的纯理论的换热理论还没有得到建立 。
作为衡量换热器性能时的换热效率，已不能作为换热器设计选型的标准，换热效率高并不意味着制造成本的节省以及换热效果最佳化；传热因子和摩擦 因子是 比较 合适的衡量换热器整体性能的指标，但是需要综合考虑此两种 因素后建立换热器最优化换热的统一理论，单一的考虑换热因子或者摩擦因子的大小对 于衡量换热器换热性能没有任何意义。 四、结束语
由于微加工技术的提高，已可制造多种材料和多种型式的微型换热器，且 正 确地选择通道的儿何形状和尺寸可以使换热器性能最好。这种冷却系统的换热器体积比一般冷却系统要小得多，因此有助于提高电子设备的整体密度。很多学 者的实验研究表明，应用微型换热器可以使得电子设备的操作温度明显下降，这将满足微电子工业的发展要求，然而微型冷却系统这种技术还处在初级阶段，几何尺度微小化产生了许多新现象和新问题，它涉及到微观的分子运动，因此给研究带来很大的困难。今后研究的关键在于如何找到宏观理论和微观理论的结合 ，发挥双方的优势，还需 要大量探索性和开创性的工作。
参考文献
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