微通道换热器流体流动传热研究

微通道换热器流体流动传热研究
刘庆荣，山东豪迈化工技术有限公司
摘要:微小型化是当代科技发展的重要方向之一。

近些年来微小通道紧凑式产品在汽车、宇航、电子和制冷等行业内的应用越来越广，但是对于微小型通道内的流动传热机理等问题仍然还存在着很多争论，这方面的基础研究仍然处于初步阶段。

本文从流体流动角度总结了近年来学者对微通道内的流动和传热的研究成果，适当分析了不同结构的微通道内流动传热机理的差异。

为设计出比较适合的微通道产品，提供了流动特性的定性分析;
引言
微尺度科学中物质和能量的输运均发生在一个受限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换，据热力学第二定律可知，任何不可逆过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。

因此，不仅在微通道中的流动、传热方面，对于其他所有微系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺寸内的行为已经成为迫在眉睫的任务。

一般来讲，所谓“微尺度”并没有严格的界定，只是一个相对大小的概念。

随着研究对象的不同，出现微尺度效应的空间尺度范围也不相同。

通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:微米—亚微米—纳米—团簇—原子。

在微尺度中的流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热，换言之，当研究对象微细到一定程度以后，出现了流动和传热的尺度效应。

目前需要着重讨论研究的是尺度微细化后出现的力学、热学等现象和规律的变化，以及微细到什么程度才出现变化等。

尺度效应中下列情况值得注意:
（1）由于尺度的微细，面体比增大，从而使表面作用增强，表面作用包括粘性力、表面张力和换热等。

（2）对于微尺度的物体，流动和传热的边缘效应和端部效应特别明显，其三维效应不能忽略，所以一般情况下，微细尺度物体不能简化为二维、一维问题来处理。

1.通道结构型式
根据常规换热器的结构以及微通道换热器研究的文献资料，微通道换热器结构形式可以归纳为两种:一是单一通道（类似于蛇形盘管，不需要对流体工质进行分液处理，如图1)，二是并排通道(须考虑对流体工质的分配问题)。

为了能有效地找到一种比较实用的、可靠通道结构，这里借助Fluent软件对不同通道结构形式进行了流动特性的定性分析，以便确认一个流动特性较好的通道结构形式。

Fluent定性分析的前提是对所有结构而言流体的初始条件是一样的;通过分析他们之间的压力降、流动的均匀性以作比较，从而确定较为理想的通道结构形式。

就单一通道的微通道换热器来说，优势在于不存在流体有效分配的问题，而且由于通道较长有利于制冷剂的相变换热的完全进行，不过其存在的不利因素有：
较多的弯头和较长的沿程，这会造成大量的压力损失，对微型通道来说是一个非常不利的两个因素，因此单一通道暂不作为本文研究的重点。

图1蛇形管通道示意图
多通道平行排列的微通换热器是当前研究的主流趋势。

对于这种类型的换热器来说，主要要考虑的是如何进行工质流量的分配。

这里列出了凡种可能的微通道结构形式，并用Fluent作了流动特性的模拟。

结构I结构Ⅱ
结构Ⅲ结构Ⅳ
图2并排通道结构示意图
2.模拟结果分析
结构I结构Ⅱ
结构Ⅲ结构Ⅳ
图3流体工质流动分布云图
结构I结构Ⅱ
结构Ⅲ结构Ⅳ
图4不同通道结构压力分布云图
3.结论
结构I表示进出口在异侧的，这种结构的特点是流动的均匀性很不理想。

而且离进口越近的通道流动效果越差，图中可以看出靠近进口的第一个通道内的流体速度近乎为O，这非常不利于换热器换热性能的充分发挥，会导致换热过程中该通道流体的迅速蒸干，严重的甚至会引起设备的烧毁、造成这种情况的出现原因有两个，一是进口流动方向与通道垂直本身就会造成流动分布的不均匀性，特别是离其最近的通道;二是出口位置的影响，对于该种结构由于进出口在异侧，出口对离其最远的通道影响最小，这导致了进口附近的通道流动较差。

与结构I相比，结构Ⅱ的流动均匀性得到明显的改善，没有出现流体速度近乎等于0的通道。

这主要是出口位置作了变动而引起通道内流体工质流动特性的变化，虽然进口造成第一个通道流动很差，但出口却起到改善的作用。

另外，从压力分布图还可以发现:流体流经结构I所承受的压力降要比流经结构Ⅱ大，这说明结构I的流动阻力比结构Ⅱ要大。

虽然上述结构Ⅱ无论是流动特性还是压降特性都较结构I有明显改善，不过
总体上来看，其流体分布的均匀性还不够好。

因此，为了进一步改进通道的结构以实现流动的均匀特性，这里在上述结构的基础上采用了结构Ⅲ和Ⅳ。

这两种结构的主要特点是进出口流动方向与通道方向是平行的，同样也对其流动特性进行了Fluent的定性分析。

与结构Ⅲ中的流动特性相对比可以明显看出结构Ⅲ总体的流动分布的均匀性和对称性更加好，显然这对流体工质在通道内发生热量交换是非常有利的。

不过该图还反映出通道的两端分配腔内还存在不少蓝色的死区(流体流速近乎为O 的区域)，这是由于进出口效应造成的，而且这些区域通常也是有漩涡的区域，这些地方的流动与传热效果比较差。

为了进一步改善和提高结构Ⅲ中流体流动的特性，在结构Ⅲ的基础上增加了多个进口与出口以加强流体的分配(如图结构Ⅳ），其Fluent流动定性分析特性如图所示。

对比后发现，后者的蓝色低速区域明显减少;通道内流体的流动得到了进一步强化，而且均匀性也有很大的改善、由于流动特性得到了进一步提高，从而也促进了流体换热能力加强，使得整个换热器的性能得到很大提升。

此外，还可以有效地减少了蒸干现象的发生。

然而，在流动与换热性能得到进一步提升的同时，由于进出口效应的影响而造成了流体流动压力损失的增加，这导致了流体出口速度的降低，动能的损失转化为压力降的增加。

从图中可以更加直接地看出，结构Ⅳ的压力损失要比结构Ⅲ多出3000Pa左右。

但是从整体的角度来考虑，利大于弊，结构优化还是比较合理的。

微通道内传热与流动特性跟常规理论存在着一定的差异,分析主要原因可能是由通道尺寸的减小,引起了流体的Kn数与常规尺度通道的不同,从而使得通道表面的粗糙度、（L/Dh）、流体的物性等因素对流体流动和传热的影响更加显著。