第9卷 第5期制冷与空调2009年10月REFRIGERATIONANDAIRCONDITIONING124
收稿日期:2009208217
通信作者:钟毅,Email:zy5125990@163.com
微通道换热器研究进展钟毅 尹建成 潘晟旻(昆明理工大学)
摘 要 从微通道换热器的发展历史出发,介绍其制造方式、结构和材料,重点介绍对微通道换热器发展和降低成本有重要影响的全铝微通道管材成形加工技术。对微通道传热的特征进行述评,从微电子微机械高效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现微通道换热器的应用前景。关键词 微通道;换热器;传热特性;压力降;空调;制冷
ResearchdevelopmentofmicrochannelheatexchangerZhongYi YinJiancheng PanShengmin(KunmingUniversityofScienceandTechnology)
ABSTRACT Basedonthehistoricaldevelopmentofmicrochannelheatexchangers,intro2ducesitsmanufacturingmethods,structuresandmaterials.Focusesonthemicrochanneltubeformingaluminumprocessingtechnology.Thetechnologyforthedevelopmentofmi2crochannelheatexchanger,reducingmanufacturingcosts,isverymeaningful.Reviewesthecharacteristicsofmicrochannelheattransfer.Unfoldstheapplicationprospectofthistechnologyinmicroelectronicsormicromechanicalhigh2efficiencyheattransfer,CO2refrig2eranttoreducegreenhousegasemissionsandimproveenergyefficiencyhomeair2condi2tioning.KEYWORDS microchannel;heatexchanger;heattransfercharacteristics;pressuredrop;air2conditioning;refrigeration
换热器工质通过的水力学直径从管片式的<10～50mm,板式的<3～10mm,不断发展到小通道的<0.6～2mm,微通道的<10～600μm,这既是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求,也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。1 微通道换热器的发展历程微通道换热器(见图1[122])的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念;1985年,Swife,Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展,人们已经能够制造水力学直径<10～1000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年,
Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器,体积换热系数达到7MW/(m3·K);1994年,
Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/(m3·K);2001年,Jiang等提出了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实际上是一个微散热系统,由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的高速运行[3]。在汽车空调方面,由于传统的氟利昂系列制冷剂对臭氧层具有较强的破坏作用,已被《蒙特利尔议定书》禁止。R134a作为一种过渡型替代品,
·2 ·制 冷 与 空 调第9卷
(a)结构图 (b)外形图
图1 微通道换热器的结构和外形图
由于其温室效应指数很高(约为CO2的1300
倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO
2在蒸发潜
热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势[5],若
采用合适的制冷循环,CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当,甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环为超临界循环,压力很高[6],在空调系统中高压工作压力要到13MPa以上,设计压力要达到42.5MPa,这对压缩机和换热器的耐压性均提出了很高的要求。在结构轻量化和小型化的前提下,微通道气体冷却器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。目前欧盟已做好准备,将于2011年全面使用CO2工质的汽车空调系统。在家用空调方面,当流道尺寸小于3mm时,
气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸,通道越小,这种尺寸效应越明显。当管内径小到<0.5～1mm时,对流换热系数可增大50%～100%。将这种强化传热技术用于空调换热器,适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施,预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。与最高效的常规换热器相比,空调器的微通道换热效率可望提高20%～30%[3]。在这方面,全球几大散热器生产厂家如Delphi,Aluventa和Danfoss等已经开始将微通道散热器推广应用于家用空调如多联机、户式中央空调,这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐,已开发出多种微通道家用空调散热器。2 微通道换热器的类型、材料及加工方式微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。
211 微型微通道换热器微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等[7]。采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多,单位质量的传热性能也提高了50%[829]。采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精确控制翅片尺寸和平板厚度,
达到几十微米级,经钎焊形成平板错流式结构,传热系数可达45MW/(m3·K),是传统紧凑式换热器的20倍[10]。采用硅、Si3N4等材料可制造结构更为复杂的多层结构,通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器[11212]。随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等[7]。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。212 大尺度微通道换热器大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m×4m×25.4mm[13]),微通道水力学直径在<0.6～1mm 第5期钟毅等:微通道换热器研究进展·3 · 以下,故称为大尺度微通道换热器。大尺度下微通道的加工与微尺度下微通道的加工方式显著不同,前者需要更高效的加工制造技术。目前,形成微通道规模化的生产技术主要是受挤压技术,受压力加工技术所限,可选用的材料也极为有限,主要为铝及铝合金,它们是1100,
1197(D97),3003和3102,其成分列于表1。铝及铝合金微通道平行流管的主要生产方法列于表2。
表1 合金成分表[14]合金合金元素质量分数/%
RangeSiFeCuMnMgZnCrTi
1100MinMax—0.95Si+Fe0.05
0.20—0.05——0.10——
1197MinMax—0.15—0.200.400.550.10
0.20—0.03—0.04—0.05—
3003MinMax—0.60—0.700.050.301.00
1.50——0.10——
3102MinMax—0.40—0.70—0.100.05
0.40——0.30——0.10
表2 微通道平行流管的主要生产方法生产方法普通正向挤压连续挤压径向式切向式
产品规格16×1(18孔)18×1.3(24孔)16×1.8(14孔)16×1(21孔)18×1.3(32孔)耐压48MPa18MPa48MPa
合金范围宽(锭坯挤压)窄(受杆坯限制)窄(受杆坯限制)成材率低较高高变形量大小大变形均匀性好差好晶粒度小大小生产成本高低较低模具制造成本高低低投资大小较小代表厂家海德鲁、菱富国内多数厂家昆明普瑞
3 微通道换热器的传热特征3.1 热传导效率
h=Nukd(1)式中:h为热传导效率;Nu为努赛尔数;k为热导率;
d为通道的水力学直径[15]。由上式可知,微通道由
于其微小的水力学直径可获得较大的换热效率。3.2 工质流动方式常规换热器的工质流动方式为湍流Δp
L=f(Dh)u0.25ρ0.75V1.75flow
不规则流动方式起伏大(2)
微通道换热器的工质流动方式为层流Δp
L=f(Dh)uVflow
规则流动方式起伏小[15](3)
3.3 压力降Δp=4f
G22ρL
d(4)
式中:Δp为压力降;f为摩擦因子;L为流动长度;
G为流量;ρ为密度[15]
。微通道换热器采用分布流
动可以提供较短的流动长度L,因此,尽管d有所减小,微通道换热器工质流动的压力损失仍可达到中等水平。微通道换热器与常规换热器热力特征间的比较如表3所示。
表3 微通道与常规换热器热力特征比较参数管片式层叠式微通道单位体积表面积/(m
2/m3)
50～100850～1500>1500
体积换热系数/
(W/(m
3·K))(液体工质)
～50003000～7000>7000
体积换热系数/
(W/(m
3·K))(气体工质
)
20～10050～300300～2000
流动方式湍流湍流层流热流量/(W/cm
3)
<1—>10
相对长度20—1
等效率下的尺寸10—1
投资——减少约25%
4 微通道换热器的应用前景4.1 微通道换热器在CO2制冷方面的应用
随着我国汽车工业的发展,汽车空调逐渐普及并成为国产汽车的标准配件,市场空间巨大。2001—2008年我国汽车空调压缩机产量与汽车产量增长趋势如图2所示(数据来源:国家统计局)。基于环保要求,环境友好型工质CO2的应用引起学术界和工业界的高度重视。与R134a和R1234yf相比,CO2的低温室效应指数(