微尺度換熱器是一種在高新技術領域中具有廣泛套用前景的前沿性新型超緊湊換熱器，通常把面積體積比大於5000 m2/m3的換熱器稱作微尺度換熱器。 微尺度換熱器的特點在於單位體積內的傳熱表面積很大，表現出熱阻低、質量輕、體積小和工作流體的流量小等等。它們的主要缺點是對結垢非常敏感，因此必須使用純淨的工作流體。微尺度換熱器具有很廣泛的套用潛力，例如電子晶片的冷卻、飛機和宇宙飛行器的冷卻、低溫冷卻器(超流體氦、液態氮)、高溫超導體的冷卻、強雷射鏡的冷卻和Stirling發動機的冷卻等領域。詳細介紹了其研究進展、產生背景、特點、熱流計算以及強化微尺度換熱等。
基本介紹
- 中文名：微尺度換熱器
- 外文名：Microscale heat exchanger
- 規格：面積體積比大於5000 m2/m3
- 類型：超緊湊換熱元件
- 領域：能源
- 學科：熱力學
簡介,微尺度換熱器研究進展,微尺度換熱器產生的背景,微尺度換熱器的特點,微尺度高效換熱器的熱流計算,納米流體強化微尺度換熱,微尺度流動與換熱研究中存在的問題,展望,
簡介
微尺度換熱器是一種在新技術領域中具有廣泛套用前景的前沿性新型超緊湊換熱器。自從矽積體電路問世以來，電路的集成度增加了幾個量級。相應地，每個晶片產生的熱量還將大幅度增加，這給微電子器件的熱控制提出了新的挑戰。微尺度換熱器就是在這種背景下發展起來的一種新的冷卻技術。
微尺度換熱器研究進展
近年來，國內外眾多學者對微尺度流動傳熱進行了大量實驗與模擬研究。Adham 2013年，Ahmed 2013年，Gnielinski2013年，Yang C.Y 2012年，戴傳山2011年，朱建軍2011年，王秋香2010年，
Abraham 2009年，Duan Z. P 2010年，Dalkilic A.S2010年，Hooman K.2009年，王如竹2009年等眾多學者用實驗和數值模擬研究了45μm-3 mm微通道為微流動傳熱現象。研究工質涉及去離子水，液氮，甲醇，R12, R134a等，主要研究了矩形、梯形、三角形截面微槽道、窄條縫、深溝窄條縫、矽基並行多條縫、銅基微通道、不鏽鋼管、微細石英管、毛細銅管等微截面形狀的流動與傳熱特性，影響因素也由基本的Re, Pr等擴展到表面粗糙度、幾何參數、表面材料、軸嚮導熱、薪性耗散、入口段長度、表面張力、速度滑移、溫度跳躍等。
Adham2013年對微通道散熱器內傳熱與流動特性作了綜述報導。微通道換熱器研究中(10-1500 }m當量直徑)以矩形截面微通道最為常見，其次是梯形截面，三角形截面等，研究微細圓管換熱器的並不多見。內部循環工質涉及去離子，空氣，甲醇，製冷劑,氨以及納米流體等。研究方法包括實驗法，數值計算，分析求解法等。微通道的材質己從以前常用的銅，鋁，矽等發展到不鏽鋼，有機玻璃，石墨等。
戴傳山 2011年通過實驗研究了微細管管殼式換熱器的流動與傳熱性能。提出了換熱特性的努塞爾數準則式與流動阻力係數的準則式，分析了微細管管殼式換熱器的傳熱流動綜合性能，並與傳統的管殼換熱器進行了分析對比。結果表明:微細管管殼式換熱器傳熱流動綜合傳熱性能是傳統管殼式換熱器的2到5倍，且在實驗範圍內隨著雷諾數的增加而增加。
Ahmed 2013年用3D Fluent數值模擬研究了石墨，鋁，矽三種材質的微細矩形通道散熱器(截面56X320 }m)的換熱情況。通過對管壁導熱和管內對流換熱的研究，結果表明石墨是換熱效率較高的材質。當量直徑小於1 mm的換熱器在微化學反應器里有很多套用。
Ahmed 2013年用3D Fluent數值模擬研究了石墨，鋁，矽三種材質的微細矩形通道散熱器(截面56X320 }m)的換熱情況。通過對管壁導熱和管內對流換熱的研究，結果表明石墨是換熱效率較高的材質。當量直徑小於1 mm的換熱器在微化學反應器里有很多套用。
傳熱過程中剪下速度對傳熱特性的影響進行了探索。Sun計算了高剪下率下納米流體的導熱係數，發現其有效導熱係數隨剪下率的增加而線性增加。白敏麗等也套用分子動力學方法對納米流體在不同剪下素下的納米尺度Couette流進行了模擬統計分析，發現納米顆粒存在旋轉和平移運動，造成速度分布成非線性的，加強了湍流效果。
微尺度換熱器產生的背景
微尺度換熱器是一種在高新技術領域中具有廣泛套用前景的前沿性新型超緊湊換熱器。文獻中通常把面積體積比大於5000 m2/m3的換熱器稱作‘微尺度換熱器”。而在過去，由於受傳統加工方法的限制，緊湊型換熱器的面積體積比雖大於700 m2/m3，但遠小於5000 m2/m3。
自從矽積體電路(IC)問世以來，電路的集成度增加了幾個量級。隨著運算速度的進一步提高，電路集成度將繼續提高。相應地，每個晶片產生的熱量還將大幅度增加，這給微電子器件的熱控制提出了新的挑戰。微尺度換熱器就是在這種背景下發展起來的一種新的冷卻技術。“微型槽道散熱器”的概念首先由Tuckerman和Pease於1981年提出，它常被用作冷板。用於兩種流體進行熱交換的微尺度換熱器首先由Swift Migliori和Wheatley於1985年研製出來。微製造技術的最新成就使人們能夠製造出由水力直徑為10-103μm的微小槽道組成的微尺度換熱器。Cross和Ramshaw研製了一個槽寬400拼 m、深度為300}m的印刷線路換熱器，它的單位體積換熱係數為7 MW/(m3k)。 Friedrich和Bang研製了一個由梯形槽道組成的微型換熱器(槽道的底部寬100μm、上部寬260μm、深80μm、槽道間距260N,m)。該換熱器由40片銅箔組成、每片銅箔上有36個微型槽道。研究表明，在非常保守的設計和運行條件下，其體積換熱係數達到45 MW/(m3k)。
微尺度換熱器或微型槽道散熱器的流動槽道一般是在很薄的矽片、金屬或其它合適的材料薄片上加工而成的。這些薄片可以單獨使用，形成平板式換熱器12,5];或者焊在一起，形成順流、逆流或交叉流換熱器。微型槽道和/或翅片的加工已有多種方法:光刻、定向蝕刻、微型工具的精確切削等技術。
微尺度換熱器的特點
微尺度換熱器的特點在於單位體積內的傳熱表面積很大，表現出熱阻低、質量輕、體積小和工作流體的流量小等等。它們的主要缺點是對結垢非常敏感，因此必須使用純淨的工作流體。微尺度換熱器具有很廣泛的套用潛力，例如電子晶片的冷卻、飛機和宇宙飛行器的冷卻、低溫冷卻器(超流體氦、液態氮)、高溫超導體的冷卻、強雷射鏡的冷卻和Stirling發動機的冷卻等領域。
微尺度高效換熱器的熱流計算
微尺度高效換熱器採用開式節流製冷技術’‘’，通過製冷劑在微小槽道內的沸騰換熱來冷卻內部空間。由於槽道壁面溫度大於製冷劑的飽和蒸發溫度，因此，製冷劑在槽道內發生相變，吸收大量熱量。微尺度高效換熱器具有結構緊湊、低熱阻和熱流密度大等特點。
CFD是計算流體力學(Computational Fluid Dy-namics)的簡稱。CFD技術通常是指採用計算流體力學的理論及方法，藉助計算機對工程中的流動、傳熱、多相流、相變、燃燒、化學反應等現象進行數值預測的一種工程研究方法。隨著現代科學技術的不斷進步，人們對相變現象建立了相應的理論框架及計算模型。
模擬氣液兩相流動與傳熱的數值方法主要分為顆粒軌道模型、雙流體模型和運動界面追蹤技術，其中運動界面追蹤技術最能準確、全面地反映氣液兩相間的信息。目前，FLUENT是最廣泛使用的數值模擬軟體，它採用流體體積(VOF)方法追蹤相間的運動界面，能較準確地模擬相間的蒸發和冷凝現象。
CFD是計算流體力學(Computational Fluid Dy-namics)的簡稱。CFD技術通常是指採用計算流體力學的理論及方法，藉助計算機對工程中的流動、傳熱、多相流、相變、燃燒、化學反應等現象進行數值預測的一種工程研究方法。隨著現代科學技術的不斷進步，人們對相變現象建立了相應的理論框架及計算模型。
模擬氣液兩相流動與傳熱的數值方法主要分為顆粒軌道模型、雙流體模型和運動界面追蹤技術，其中運動界面追蹤技術最能準確、全面地反映氣液兩相間的信息。目前，FLUENT是最廣泛使用的數值模擬軟體，它採用流體體積(VOF)方法追蹤相間的運動界面，能較準確地模擬相間的蒸發和冷凝現象。
納米流體強化微尺度換熱
目前，關於納米流體強化微尺度換熱問題的研究還處於起步階段，無論是在納米顆粒的種類還是微尺度換熱器的種類上都存在很多的局限性。學者們雖然做了大量的實驗研究，但是相互間的實驗結果卻存在著差異甚至是不一致的地方。另外，由於納米顆粒的尺度極小，對其微觀運動的觀察研究較困難，這也導致了目前對於納米流體強化換熱的微觀機理研究還不是太多。今後，可以從以下這幾個方面進行更加深入的研究:
(1)改進完善實驗方案，擴大納米流體和微尺度換熱器的種類範圍，儘量保證實驗的準確性，實驗模型應具有針對性，應該更加符合實際套用。
(2)藉助更加先進的實驗儀器和觀測手段，著重觀測納米流體的微觀行為以及運動狀態，從微觀角度分析納米流體強化微尺度換熱的機理。
(3)探索納米流體強化微尺度換熱的影響因素，建立和完善相應的數學模型，儘量做到具有統一和普適性。
(1)改進完善實驗方案，擴大納米流體和微尺度換熱器的種類範圍，儘量保證實驗的準確性，實驗模型應具有針對性，應該更加符合實際套用。
(2)藉助更加先進的實驗儀器和觀測手段，著重觀測納米流體的微觀行為以及運動狀態，從微觀角度分析納米流體強化微尺度換熱的機理。
(3)探索納米流體強化微尺度換熱的影響因素，建立和完善相應的數學模型，儘量做到具有統一和普適性。
微尺度流動與換熱研究中存在的問題
微尺度流動和換熱的研究己經有幾十年的歷史了，其理論及實際套用都有了長足的進步，並具有良好的發展前景。但是，在微尺度流動和換熱的研究中仍存在著不少問題，需要廣大研究者進行更深層次的研究以解決。存在問題概括如下:
(1)微尺度範圍內的相關理論仍不完善，如超低速流動時的蠕變效應問題，以及超高速流動時連續介質方法的有效性和適用範圍等仍存在爭議，需要進一步研究。
(2)己有的數值模擬方法具有局限性。在微尺度流動中，極有可能會出現跨兩個或幾個區域的流動，單純採用連續介質模型或者分子運動模型都無法對其進行準確
展望
微尺度換熱器雖已在最近十幾年單得到了迅速的發展，在高技術領域中找到了越來越多的用武之地，但仍然存在一些需要探索的方面。本文對微小槽道和多孔介質對傳熱的強化效果進行了一番比較，發現:多孔介質對傳熱的強化效果更好，但同時壓力損失·也更大。在相同的壓降下，多孔結構強化傳熱的效果似更好一些，但是所能通過的流量太小.因此，在發展‘多孔介質式微尺度換熱器”時，應對其結構進行最佳化設計。
