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1、微通道换热器流动和传热特性的研究 微通道换热器流动和传热特性的研究 杨海明 朱魁章 张继宇 杨萍 (中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043) 摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并 对
2、该模型进行了分析。 关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型 1 引言 通道式换热器是利用传热学原理将热量从热 流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的 两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传 给冷流体。由于它结构紧凑、体积小、换热效果 好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。然而随着现代科技水平的 不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半 导体激光器、
3、T/R收发组件、微电子集成器件等电 子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发 已迫切地提到了议事日程上来。 所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的 细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶 粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷 技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)
4、教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子 器件的冷却,产品照片如图3所示。 2 流动、传热特性的相关准则 2.1 研究内容 (1)直线微通道换热器流动的理论研究 根据国外已经研究的光滑直线微通道换热器 的流动特性的换算法则:层流时管流摩擦系数与 雷诺数的乘积为一定值,
5、它与矩形截面的尺寸比 有关,在保持换热效率和压力降不变的前提下,得 出了微通道尺寸、长度与流量的关系,以及摩擦系 数f的计算。在直线微通道换热器的基础上,研 究微通道的结构尺寸、压力等因素对流动摩擦因 子和压力降的影响,根据动量传输和能量传递的 比拟理论,利用阻力系数推算换热系数、雷诺数比 拟,通过实验来进行直线微通道换热器中流动特性研究。 (2)直线微通道内的对流传热特性 利用直线微通道的特点,建立玻璃微通道试 验模型,在直线微通道换热器的基础上,测量流动气体的温度变化、研究其对流传热特性。 2.2 流动、传热特性的相关
6、准则 要进行微通道换热器流动和传热特性的研 究,就需要找到气体在微通道换热器中流动时雷 诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)、雷 诺数Re、普朗特数Pr-努谢尔特数Nu(传热特 性)的对应关系,而这些对应关系只能通过相关 准则及通过实验测量气体流量、压力差及制冷功 率等数据来推算。现列出流动、传热特性的相关准则: 从上述准则可知,对于特定的微通道换热器、实验气体,我们只要通过实验测定出气体流量、压力差及制冷功率等数据,就可以推算出摩擦系数f、雷诺数Re、努
7、谢尔特数Nu等值,进而找出它们 之间的相互关系,得出微通道换热器的流动和传热特性。 3 实验装置的设计 3.1 实验方案的确定 在微通道换热器中,传热研究中的基本待测 量主要为:温差、热流、热导率等,以及流体力学参 量如流量、压强、粘度、摩擦系数等。对这些参量 在一定空间和时间范围内的测量,构成了流体和 传热学研究的基础。为了能精确地测量出微通道 换热器中气体流量、压力差及制冷功率等数据,我 们在消化吸收相关资料的基础上对微通道模型实 验方案进行了设计,确定了微通道模型的实验方 案框架。整个实验方案的基本组成构思如下:
8、 (1)高压气源模块:工作输出压力:70Mpa, 可调节输出压力; (2)调压模块:调节输出压力:70Mpa,高压 调压阀; (3)输出模块:含有高压气动阀和电磁阀
