微通道换热器流动和传热特性的研究
多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究
第39卷,总第225期2021年1月,第1期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.39,Sum.No.225Jan.2021,No.1 多孔微通道流动沸腾换热特性的实验研究张东辉,徐海洋,陈 一,王雷青,曹 薇,吴明发,周志平(江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)摘 要:本文通过实验的方法对烧结的多孔微通道和铜基微通道的沸腾换热性能和流动不稳定进行研究。
实验工质选用去离子水,采用的铜粉粒径分别为30μm、50μm、90μm,烧结底厚为200μm和400μm。
采取控制变量的方式,研究改变入口温度、铜粉粒径大小、入口流量对多孔微通道和铜基微通道换热性能的影响。
研究表明:多孔微通道最优的厚度粒径比在2~5之间,在此区间的多孔微通道可以提高沸腾传热的性能。
其中厚度粒径比为2和4的多孔微通道的最大换热系数是铜基微通道的换热系数的5倍。
多孔微通道相对于铜基微通道有更好的换热能力,有着较低的壁面温度。
关键词:换热;流动沸腾;两相流;铜基微通道;多孔微通道中图分类号:TK011 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2021)01-0020-06Experimental Study on Flow Boiling Heat Transfer Characteristicsof Porous MicrochannelsZHANG Dong-hui,XU Hai-yang,CHEN Yi,WANG Lei-qing,CAO Wei,WU Ming-fa,ZHOU Zhi-ping (School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science andTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract:In this paper,the boiling heat transfer performance and flow instability of sintered porous mi⁃crochannels and copper-based microchannels are studied through experiments.The experimental work⁃ing medium used deionized water,the particle size of the copper powder used was30μm,50μm,90μm,and the thickness of the sintered bottom was200μm and400μm.The method of controlling varia⁃bles was used to study the effect of changing the inlet temperature,copper particle size and inlet flow rate on the heat transfer performance of porous microchannels and copper-based microchannels.Studies have shown that the optimal thickness-to-diameter ratio of porous microchannels is between2~5,and por⁃ous microchannels in this interval can improve boiling heat transfer performance.The maximum heat transfer coefficient of porous microchannels with thickness-to-particle ratios of2and4is5times that of copper-based pared with copper-based microchannels,porous microchannels have better heat transfer capabilities and have lower wall temperatures.Key words:heat transfer;flow boiling;two-phase flow;porous microchannels收稿日期 2019-09-17 修订稿日期 2020-04-20基金项目:江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX19_1701)作者简介:张东辉(1970-),男,博士后,副教授,微尺度两相流换热。
微通道换热器的探讨
微通道换热器的探讨微通道换热器是一种新型的换热器，其具有结构紧凑、重量轻、节能高效等特点，被广泛应用于各个领域，如电子设备散热、汽车工业、太阳能、航天航空等。
在本文中，我们将探讨微通道换热器的原理、性能优势以及未来的发展前景。
首先，微通道换热器是指在压力容器中使用微细孔隙薄板来传导热量的设备。
与传统的换热器相比，微通道换热器具有更大的表面积和更好的传热性能。
这是因为微通道换热器的通道直径通常在微米量级，增加了流体与壁面的接触面积，从而提高了传热效率。
1.结构紧凑：微通道换热器的通道直径较小，能够在有限的空间内实现更大的传热表面积。
这意味着它可以在相对较小的体积内实现相同的传热效果，从而减小了设备的体积和重量。
2.传热效率高：由于微通道换热器的通道直径小，流体与壁面的接触面积增大，导致传热均匀且快速。
此外，在微通道中，流体的流动速度较高，可以增强流体的对流传热效果。
因此，微通道换热器能够实现更高的传热系数，提高传热效率。
3.节能环保：由于微通道换热器的传热效果好，可以在相同的传热量下降低能源的消耗。
此外，微通道换热器具有结构简单、材料使用量少的特点，减少了能源和环境的耗费。
4.可扩展性强：微通道换热器的结构可以根据具体的需求进行设计和制造。
不同的通道形状和排列方式可以实现不同的传热效果。
并且，微通道换热器可以通过增加通道的数量来实现更大的传热表面积，进一步提高传热效率。
目前，微通道换热器已经在电子设备散热、汽车工业、太阳能、航天航空等领域得到了广泛的应用。
例如，在电子设备散热中，微通道换热器可以有效地降低电子元件的温度，提高其工作稳定性和寿命。
在汽车工业中，微通道换热器可以替代传统的散热器，减小汽车发动机的体积和重量，提高燃油利用率。
在太阳能领域，微通道换热器可以将太阳能转化为热能，提高太阳能利用效率。
在航天航空领域，微通道换热器可以应用于航天器和航空发动机中，提高其工作效率和可靠性。
虽然微通道换热器具有很多优势，但目前仍存在一些挑战和问题1.制造难度高：由于微通道换热器的通道直径较小，制造过程中需要使用微米级的加工技术。
微通道换热器的特性分析及应用
微通道换热器的特性分析及应用微通道换热器是一种用于传热和热力转换的新型换热技术。
相比传统换热器，微通道换热器具有体积小、传热效率高、响应速度快、能耗低等优点，被广泛应用于汽车、电子设备、航空航天等领域。
本文将对微通道换热器的特性及应用进行分析。
首先，微通道换热器的特性主要包括以下几个方面：1.尺寸小：微通道换热器采用微细通道设计，通道尺寸通常在10微米至1毫米之间。
相比传统换热器，微通道换热器的体积更小，可以实现高功率密度的换热，适用于对空间有限的系统。
2.传热效率高：微通道换热器的微细通道结构可以增加表面积，提高换热效率。
此外，微通道换热器采用微尺度流体，流体在通道内流动时，流体与通道墙面之间的质量传递和能量传递更为充分，传热效率更高。
3.响应速度快：微通道换热器由于尺寸小、结构简单，使得其对温度变化的响应速度更快。
这对于一些需要快速热传导或需要快速控制温度的应用场合非常重要。
4.能耗低：由于微通道换热器的传热效率高，可以实现在相同传热量的情况下，节约能源消耗。
这对于一些对能源效率要求高的应用来说，具有重要意义。
其次，微通道换热器的应用领域非常广泛，具体包括以下几个方面：1.汽车领域：由于微通道换热器具有尺寸小和传热效率高的特点，因此被广泛应用于汽车的冷却系统中。
微通道换热器可以有效减小汽车发动机冷却系统的体积和重量，并提高冷却效果。
2.电子设备领域：随着电子设备的不断发展，其集成度和功率密度越来越高，导致热管理成为一个重要问题。
微通道换热器作为一种非常有效的热管理技术，可以用于电子设备的散热和温度控制。
3.航空航天领域：在航空航天领域，微通道换热器可以用于飞机发动机的冷却、热交换器的制造等方面。
微通道换热器可以在有限的空间内实现高效传热，并提高飞机的整体效能。
4.化工工艺领域：微通道换热器不仅可以在传统化工工艺中用于传热，还可以用于多相反应、气体/液体分离等工艺过程中。
微通道换热器可以提高化工反应的效率和产能。
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、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)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。
微通道换热器不同风速下换热及其流动特性研究
微通道换热器不同风速下换热及其流动特性研究陈华;李戈;杨杭;李明瑞【摘要】以微通道换热器为研究对象,搭建微通道换热器性能测试实验台,利用控制变量法研究分析不同入口风速对出口空气温度、湿度、压降、凝水生成量等参数的变化规律,计算换热器表面凝水生成速率、凝水排除速率、换热量和空气侧传热系数,从而分析表面凝排水特性及其对换热性能的影响.实验结果表明,风速对微通道换热和流动特性影响显著.出口空气温度和空气侧压降均随风速的提高而增加,压降增幅随风速的增加有所减缓.风速为2.5m/s时,换热量和空气侧传热系数最佳.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】6页(P48-53)【关键词】微通道换热器;表面凝水;换热效率;实验研究【作者】陈华;李戈;杨杭;李明瑞【作者单位】天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134;天津商业大学机械工程学院天津300134;天津市制冷技术重点实验室天津300134【正文语种】中文【中图分类】TB6631 引言工业生产中，为了工业流程的需要，往往进行各种不同方式的热量变换，换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。
微通道换热器相比于传统换热器减重68%，在同等的换热量下，由于其高传热系数，能够设计成更小、更轻的机组，且在相同换热能力下，微通道换热器内部腔体容积小于普通换热器，故微通道换热器内制冷剂的充注量小于普通换热器。
当微通道换热器在家用空调或者商用空调的应用中经常会出现结露的情况，结露现象从一定程度上降低了微通道换热器的换热效率。
在换热方面，韩赛赛等[1]人采用数值模拟方法对平行流换热器的换热性能进行了分析，比较了空气侧风速和水流量对其换热量和流动阻力的影响.模拟结果表明：在增加相同百分比的情况下，增加空气侧风速比增加水流量对换热器换热量的影响大16%左右。
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)。
新型微通道换热器热性能研究
新型微通道换热器热性能研究新型微通道换热器热性能研究摘要：本研究主要目的在于探讨新型微通道换热器的热性能。
首先介绍了微通道换热器的基本原理和应用领域，然后详细分析了微通道换热器的传热机理，并提出了改进设计方案以提高其热性能。
通过实验测试，对比了新型微通道换热器和传统换热器的热性能，并对结果进行了分析和讨论。
研究结果表明，新型微通道换热器能够有效地提高传热效率和换热能力，具有较高的应用潜力。
1. 引言微通道换热器作为一种新型换热设备，具有体积小、传热效率高等优点，在航天、汽车、船舶、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
其独特的结构设计和传热机理使得微通道换热器在提高能源利用率和降低环境污染方面具有重要意义。
因此，研究微通道换热器的热性能对于推动相关技术的发展具有重要意义。
2. 微通道换热器的传热机理微通道换热器的传热机理主要包括对流传热和相变传热两种形式。
首先是对流传热，微通道内流体由于与通道壁面的摩擦产生热量，从而实现热的传递。
其次是相变传热，即液体在通道内蒸发或凝结产生的相变热量。
这种传热机理使得微通道换热器能够实现高效的传热，但也存在一定的挑战，如流动阻力增大、传热面积减小等问题。
3. 新型微通道换热器的设计与改进为了提高微通道换热器的热性能，本研究提出了一种新的设计方案。
首先是通过调整微通道的形状和尺寸来优化流体流动路径，减小流动阻力，并提高传热效果。
其次是利用纳米技术在微通道壁面上制备高效的传热膜，增加换热面积，提高传热效率。
最后，结合相变传热机理，研究新型微通道换热器在相变过程中的传热机制，以实现更高的热传导率和换热能力。
4. 实验测试与结果分析本研究通过设计并搭建了实验平台，对比测试了新型微通道换热器和传统换热器的热性能。
实验参数包括流速、进出口温度差等。
实验结果显示，新型微通道换热器在相同实验条件下能够获得较高的传热效率和换热能力。
通过分析和对比，研究发现新型微通道换热器的热性能与微通道形状、尺寸、壁面材料等因素密切相关。
微通道平板集热器的传热与流动分析
微通道平板集热器的传热与流动分析微通道平板集热器是一种高效的热交换装置，广泛应用于空气冷却系统、电子设备散热系统、太阳能集热系统等领域。
它利用微通道的优势，能够实现较大的传热面积和较高的传热效率。
本文将重点讨论微通道平板集热器的传热与流动分析。
首先，我们需要了解微通道平板集热器的结构和工作原理。
微通道平板集热器由一系列细小的通道组成，这些通道的尺寸通常在微米级别。
通过微通道平板集热器内部的流体完全接触和均匀分布，使热量能够快速传递，从而实现高效的传热。
在微通道平板集热器的传热分析中，最重要的参数之一是传热系数。
传热系数是衡量传热效率的指标，与流体的热导率、流动速度、通道尺寸等因素密切相关。
较高的传热系数意味着更高的传热效率。
因此，我们需要分析并优化这些影响传热系数的因素。
首先，通道尺寸对传热系数的影响非常显著。
较小的通道尺寸可以增加单位面积上的通道数量，从而增加传热面积，提高传热效率。
然而，过小的通道尺寸也会导致流体的流动阻力增加，影响传热效果。
因此，在微通道平板集热器的设计中，需要综合考虑通道尺寸与传热效率之间的平衡。
其次，流体的流动速度对传热系数同样有重要影响。
较高的流动速度可以增加流体与微通道间的换热面积，加快传热速度，提高传热系数。
然而，流体流动速度过高也会增加能量损失，并且可能导致流动不稳定。
因此，在微通道平板集热器的设计中，需要优化和控制流体流动速度，以达到最佳传热效果。
除了通道尺寸和流动速度外，流体的热导率也是影响传热系数的重要因素之一。
热导率较高的流体能够更快速地吸收和传递热量，提高传热效果。
因此，在微通道平板集热器的应用中，选择热导率较高的流体能够显著提升传热效率。
此外，微通道平板集热器的传热与流动分析还要考虑流体与平板之间的热阻。
热阻表示流体在单位面积上流动时，对传热的阻碍程度。
热阻越小，传热效率越高。
降低热阻的方法包括增加流体的流动速度、优化通道尺寸和形状，以及选择高导热性能的材料。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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、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)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,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:
(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,实现自动控制;
(4)干燥模块:高压氮气进气干燥过滤,保证高纯瓶装氮气进气质量(CO2:≤2ppm,H2O:≤ 2ppm);
(5)压力监控模块:高压压力传感器两支与
(6)高压储气模块:高压缓冲罐,工作压力: 70MPa;
(7)高压流量模块:高压氮气流量传感器与二次仪表显示,最大工作压力:70Mpa,流
量:4g/ min~600g/min,
(8)制冷测温模块:制冷温度传感器采用Pt- 100等测量模式,两路信号采集,二次仪表显示, 温度范
围:330K~60K,精度:+0.5K;
(9)干燥模块:高压氮气进气干燥,保证高纯瓶装氮气质量(除去CO2、H2O等杂质);
(10)数据系统模块:具有压力、温度、流量、时间数据采集记录功能。
a)超高压质量流量计和软件测试J-T制冷器输出气体流量;
b)温度测量:测试J-T制冷器制冷温度;
c)压力测量:两路压力测量显示;
d)8路采集控制:软件/数据采集/曲线生成打印报告。
(11)气体质量检测模块:具有露点仪(+ 40℃~-100℃);O2为高纯在线O2分析仪,H2O为全范围量程露点仪,CO2为在线气相色谱仪。
检测①:每次检测低压钢瓶气源质量; 检测②:在线检测高压纯化干燥器后的气体品质。
3.2实验装置的设计制作
由于微通道模型几何结构很小,微尺度内流体的冷却特性、流动模式转变、流体流速和压力、通道表面过流及相关表面过热、质量流、可压缩性、多相态等不易观测到,测量误差较大。
这对推算微通道气体流动特性的理论产生一定的影响,故需要通过精密的质量流量计、压力表、温度传感器等实验用仪器仪表,同时通过精密流量计和精密压力表等仪表来进行精确测量。
根据确定的实验方案,我们进行了实验装置的设计,微通道模型实验装置图如图2所示:
4实验模型的建立
为了使微通道换热器的流动和传热特性具有广泛性,我们选用了最常用、最具代表性的氮气来作为实验气体,其物性参数为:密度ρ=1.25kg m3,动力粘度μ=1.5×10-5kg/m·s,气体导热系数
λ=7.6×10-3W/m·K;微通道换热器的具体参数为:微通道的长度L=0.2m,水力当量直径
dh=100μm=1×10-4m。
通过实验装置,我们测得了9组数据,结合相关准则公式(1)~(4)可推算出微通道摩擦系数 f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu。
再通过应用OriginPro7.0图表软件,我们可以得到雷诺数Re-摩擦系数f的对应关系(流动特性)曲线图、雷诺数Re-努谢尔特数Nu(传热特性)的对应关系曲线图,如图3、4所示。
对于管内强迫对流换热,
函数间存在以下的关系:
至此,我们通过实验操作和理论推算得到了雷诺数Re-摩擦系数f间的对应关系,雷诺数 Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu的对应关系,建立了微通道换热器气体流动所产生的流动特性和传热特性实验模型。
5实验模型的分析
根据传热学等的相关理论可知,对于普通的管道摩擦系数f由传统的Moody图给出,它与雷诺数Re的关系如式(9)所示:
当Re>2000时,摩擦因子f受入口条件、压力波等引起的初始湍流度的影响而发生变化。
对于气体的流动特性,则遵循如下的经验公式:
比较微通道与普通管道换热器的流动特性式 (7)、(9),我们可以看出:在相同雷诺数Re的情况下,摩擦系数f的值在微通道换热器时较大。
这主要是因为微通道换热器的流道尺寸很小,当量直径也很小,这样通道表面的相对粗糙度就变得很大,同时通道表面的粗糙度极不对称造成的。
比较微通道与普通管道换热器的传热特性式 (8)、(10),我们可以看出:在相同雷诺数Re、普郎特数Pr的情况下,努谢尔特数Nu的值在微通道换热器时较大。
这除与流动特性中摩擦系数影响增大的因素有关外,还因为微通道换热器的传热过程比常规的要复杂,特别是矩形截面又增大了换热系数。
总之,微通道换热器通道的粗糙表面增强了换热,但在雷诺数Re很小时,粗糙度没有明显地改善换热。
参考文献
[1]陈国邦,等.最新低温制冷技术[M].北京:机械工业出版社:第2版,2003.
[2]边绍雄.低温制冷机[M].北京:机械工业出版社, 1991.
[3]E.I.米库林,等.微型金属片式J-T低温制冷器 [M].莫斯科:莫斯科国立技术大学,1995.
[4]刘静.微米/纳米尺度传热学[M].北京:科学出版社,2001.
[5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社:第2版,2004.
[6]LittleWA,PaughRL.Coolingtechnologiesfortherma
managementandenhancedhighspeedoperationo
CMOSmicroprocessorsandm emorychip[C].Proceed- ingofASMInternationals'3rdElectronicsM aterialsan
ProcessingCongress,SanFrancisco,USA,1990.。