微通道论文：微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究
【中文摘要】随着微型化逐渐成为科学研究和工程应用的一个重要趋势,其中涉及的微尺度通道内的流动问题越来越被重视。各种微元器件在生物、医药、航天、机械以及电子等各个领域广泛应用,微通道内液体的流动摩擦阻力和传热系数等的大小将直接影响微通道性能,进而影响微元器件的工作性能,但是微通道内流动和换热等方面仍缺乏成熟的理论和可靠的实验。本文的工作旨在将微尺度液体流动通过数值模拟的方法展现出来,分别对微通道内流动和传热特性等进行有效的预测,以指导和优化不同功能微通道的设计,加深和拓宽微尺度流动在工程领域的应用。基于连续介质方法数值模拟了液体在不同结构微通道内的流动状况,从截面形状、当量直径、壁面粗糙度和微通道长度等方面对通道内液体流动的摩擦系数和泊肃叶数的变化进行了分析,并将模拟结果与相同模型的实验结果和宏观流动中的经验理论相比较。通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线得到微通道内流动的转捩雷诺数或者过渡状态存在的雷诺数范围,微尺度通道的截面直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数。对比不同几何尺寸下的流动泊肃叶数,存在某一临界当量直径以及临界宽高比,当量直径或宽高比大于临界值时其对泊肃叶数没有影响。...
【英文摘要】With the miniaturization has been gradually popular in the investigation and application, the microflow
involved is also been put on an important position. The flow and heat transfer properties of the liquid flow in microchannels affect the performance of microchannels directly and then the performance of the microdevices. The microdevices are widely used in the biology, medicine, aerospace, mechanical and many other fields, while the reliable theory and experiment are short in the flow and heat transfer of...
【关键词】微通道数值模拟几何尺寸边界滑移
【英文关键词】microchannel numerical simulation geometry characters boundary slip
【目录】微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究摘要4-5Abstract5-6第1章绪论9-17 1.1 引言
9-10 1.2 微通道内液体流动的研究历史与现状
10-15 1.2.1 微通道几何构型对传热传质的影响
10-12 1.2.2 微通道表面性质对传热传质的影响
12-14 1.2.3 流动介质的性质对传热传质的影响
14-15 1.3 本课题的主要研究内容15-17第2章微尺度流动的基本理论及模拟方法17-27 2.1 引言17 2.2 微尺度液体流动的特性17-19 2.2.1 尺度效应
17-18 2.2.2 边界滑移18-19 2.2.3 动电效应
19 2.2.4 液体黏性19 2.3 微尺度液体流动的主要模
拟方法19-24 2.3.1 连续介质方法20-22 2.3.2 分子
动力学方法22-24 2.4 CFD-ACE+软件简介24 2.5 本章小结24-27第3章不同结构微通道内液体流动性能的数值模拟27-43 3.1 引言27 3.2 计算模型27-29 3.3 微通道内的液体流动状态29-33 3.4 雷诺数和微通道性质对
流动摩擦系数的影响33-39 3.4.1 雷诺数对流动摩擦系数的
影响33-36 3.4.2 微通道性质对流动摩擦系数的影响
36-39 3.5 几何结构对流动泊肃叶数的影响39-41 3.6 小结41-43第4章矩形截面微通道内液体传热性能的数值模拟43-55 4.1 引言43 4.2 计算模型与验证
43-45 4.2.1 计算模型43-44 4.2.2 模型验证
44-45 4.3 微通道几何参数对液体传热性能的影响
45-49 4.3.1 影响传热性能的几何参数的确定
46 4.3.2 微通道几何参数对努塞尔数的影响
46-49 4.4 微通道各参数与传热努塞尔数的关系拟合
49-53 4.4.1 Nu 与Re 间的关系方程拟合49-51 4.4.2 Nu-Re 方程系数的拟合51-52 4.4.3 拟合方程验证
52-53 4.5 小结53-55第5章考虑边界滑移和液体温黏关系的微尺度流动55-71 5.1 引言55 5.2 边界滑移对液体微流动的影响55-63 5.2.1 计算模型
55-58 5.2.2 数值模拟结果分析58-63 5.3 液体温黏
关系对液体微流动的影响63-69 5.3.1 计算模型
63-66 5.3.2 数值计算结果分析66-69 5.4 小结
69-71结论71-73参考文献73-79附录A 边界滑移子程序79-87附录B 温黏关系子程序87-93攻读硕士学位期间所发表的学术成果93-95致谢95
微通道换热器研究进展 更新时间：2011-06-13 13:53:26 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 10~50mm, 3~10mm,0.6~2mm,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[1-2])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, 10~1 000μm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,由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO2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, 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
换热器特性与用途及优缺点评析 换热器 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 英语翻译：heat exchanger 换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜压力容器冷凝器反应锅螺旋板式换热器波纹管换热器列管换热器板式换热器螺旋板换热器管壳式换热器容积式换热器浮头式换热器管式换热器热管换热器汽水换热器换热机组石墨换热器空气换热器钛换热器换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 换热器在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件； （2）结构安全可靠； （3）便于制造、安装、操作和维修； （4）经济上合理。 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。 在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。
换热器的研究现状及应用进展 摘要：换热器是一种非常重要的换热设备，是实现不同介质在不同温度下传热 的节能设备。它可以利用低温介质对高温介质进行冷却，达到冷却、预冷的效果，也可以利用高温介质对低温介质进行加热，使工艺温度达到生产的要求。长期以来，换热器强化传热技术受到了世界各国学者的关注，高效节能的新型换热器层 出不穷。 关键词：换热器；研究现状；应用进展； 一、换热器的研究现状 1.管式换热器。管式换热器是最典型的间壁式换热器，它操作可靠、结构简单、可在高温高压下使用，是目前应用最为广泛的换热器类型之一。然而，研究 表明，与以往传统的管壳式换热器不同，新型换热元件和高效换热器的研发已经 进入了一个新时期。从目前诸多的研究成果来看，改善换热器的方法主要有对管 程结构改进和对壳程结构改进两大类。在管程结构改进中主要有改变传热面积和 加入管内插入物两类。在壳程结构改进中主要有改变管子外形及表面特性和改变 壳程管间支撑物结构两种。（1）螺旋槽纹管换热器。螺旋槽纹管是一种高效益 异形的强化传热管件，它通过改变传热面的形状大大强化了流体的换热效果。二 十世纪七十年代，美、日、英等国对螺旋槽纹管换热器进行了大量的研究，基于 螺旋槽纹管的特性，美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计螺旋槽纹管换 热器的传热效率比光管提高了2至4倍。目前，无论是从传热、流阻、阻垢性能，还是从无相变对流换热和有相变凝结换热，对螺旋槽管的强化传热研究从理论到 实际已达到较高水平。（2）管内插入物换热器。管内插入物换热器是通过在管 内添加插入物增加流体的湍动程度，加强近壁面和流体中心区域的混合程度，从 而达到了强化传热的目的。管内添加物的种类多种多样，常见的有加入纽带、螺 旋线、螺旋片等。试验研究表明，管内插入纽带之后，如果是层流换热，则对流 传热系数可增大2至3倍，压降增加3倍以上。若是紊流换热，传热系数仅增大30%左右，而压降增大2倍以上。管内插入物加工简单，特别适合对已有设备进 行升级改造。（3）折流杆式换热器。传统的管壳式换热器装有折流板，这种结 构的流动阻力大，容易使换热管发生震动而被破坏，为了解决这个问题并强化传 热效果，折流杆换热器应运而生。它通过改变壳程管间支撑物结构强化了传热。 折流杆式结构至少由四片折流栅组成，两横两竖，每个折流栅由若干个相互平行 的折流杆镶嵌在一个折流圈上。折流杆换热器几乎不存在流动死区，从而彻底解 决了传统的折流板换热器中存在的流动死区的问题。另外折流杆换热器不易结垢，流体在经过折流杆时产生文丘里效应对管壁有强烈的冲刷作用使得污垢难以形成。（4）管翅式换热器。管翅式换热器广泛应用于制冷行业，与普通的管壳式换热 器相比，它传热系数高、结构紧凑、使用寿命长、拆装简易，是一种安全可靠的 换热器。管翅式换热器通过在管外加装翅片，强化了壳程的传热。对总结了不同 翅片形式强化传热的机理及翅片参数对传热与流阻的影响规律。对管翅式换热器 进行了优化设计，计算出了特定工况下的最佳换热性能参数，并进行了计算机辅 助优化设计程序的开发。 2.板式换热器。板式换热器是由一系列波纹状的薄板按照固定的间隔并通过 垫片紧压而形成的换热器，板式换热器与管式换热器相比，在相同的污垢系数下，总传热系数是管式换热器的2至3倍，压力损失为其0.5至1倍，重量为其0.25 至0.5倍。体积和占地面积为其的0.3至0.5倍，因此板式换热器的性能更佳。但
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：
国外换热器新进展 【关键词】强化传热,传热元件,壳程设计,新型高效换热器 【摘要】简述了国外近年来换热器的发展概况，介绍了强化传热研究、强化传热元件开发、新型壳程结构设计以及国外推出的各种新型高效换热器的有关情况。 Recent advances on foreign heat exchangers Abstract The recent progress of foreign heat exchangers in lasted years is outlined, research of enhanced heat transfer, development of heat transfer elements and structural design of new type shell side are introduced,and new high-effective heat exchangers abroad are commented. Key words:enhanced heat transfer,heat transfer elements, shell side design,new high-effective heat exchangers 1概述 70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。 最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，
微通道换热器研究进展 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 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[1-2])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 10~1 000μm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,由于其温室效应指数很高(约为CO2的1 300倍[4]),也被《京都议定书》所否定。CO2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。
五．具有对流换热条件的伸展体传热特性实验 一、实验目的 通过本实验和对实验数据的分析，加深对传热学教学内容的理解，掌握和了解伸展体传热的特性和求解具有对流换热条件的方法。 二、实验方法与设备 1. 设备的组装 将位于箱体风道中部的伸展体试验的封头取下，将图4所示的伸展体试件按铜管表面的刻线贴好热电偶（用单独的热电偶组）后插入风道，并使热电偶在背风处，如图16所示。将单独一组10对的热电偶接入热电偶组（一）接口，将伸展体试件的加热导线接入位于面板最右端的接线柱。 图16 伸展体试件安装于风道内 2. 实验原理 本实验所用试件为一圆紫铜管，其外径0d =19mm ，内径1d =17mm ，长度L=260mm ，具有对流换热的等截面伸展体(常物性)，如图17所示，取导热微分方程为： 图17 等截面伸展体对流换热示意图
0222=-θ?m dx d (1) 式中：m ——系数，c A hp m λ=， (m 1) θ——过余温度，f t t -=θ， (℃)； t ——伸展体温度， (℃)； f t ——伸展体周围介质温度， (℃)； h ——空气对壁面的表面传热系数，(c m W ο?2)； p ——横截面的周长，0d p π=，(m )； λ——空气的导热系数，（m.℃） c A ——伸展体横截面面积，4) (10d d A c -=π，(2 m )； 伸展体内的温度分布规律取决于边界条件和m 值得大小。本实验采用的试件两端为第一类边界条件，即： f w f w t t L x t t x -===-===2211,,0???? ； (2) 由此，试件内的温度分布规律为式(3)，伸展体在壁面1和壁面2的热流量分别用式(4)和式(5)计算。伸展体表面和流体之间的对流换热量用式(6)计算。 )()] ([)(12mL sh x L m sh mx sh -+=??? (3) ) (])([)(2101mL sh mL ch m A dx d A c x c θ?λθλφ-=== (4) ) ()]([)(212mL sh mL ch m A dx d A c L x c θ?λθλφ-=== (5) )(]1)()[(2121mL sh mL ch m A c --=-=θ?λφφφ (6) 根据0=dx d θ，可寻求过余温度最低值处的位置m in x })(/]/)([{12min m mL sh mL ch arcth x θθ-= (7) 3. 实验过程、数据的测量和整理
2018年第5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2018 总第634期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.364 收稿日期：2017-05-30；修回日期：2017-11-21；数字出版时间：2018-01-05；数字出版网址：https://www.doczj.com/doc/5111871981.html, 基金项目：国家自然科学基金（91441123） 作者简介：杨新垒（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为组合发动机推进技术 文章编号：1004-7182(2018)05-0040-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20180509 紧凑型换热器换热特性研究 杨新垒，聂万胜，王 辉 （航天工程大学，北京，101416） 摘要：紧凑型预冷换热器是复合预冷发动机的关键部件，为研究紧凑型预冷换热器的换热特性，提出符合中国现有工业水平的紧凑型预冷换热器。采用数值仿真方法分析了冷流参数、换热管参数及管间距对预冷起换热效果的影响规律，分析了可提高换热效果的改进方向，在此基础上提出了一种新型紧凑型预冷换热器，并对换热效果进行了仿真分析。结果表明：新型预冷换热器单位体积换热面积为1309m 2，单位体积换热功率为355.5MW ，可将质量流量为120kg/s 的空气由1350K 降低至 486K 。 关键词：预冷换热器；换热效果；数值仿真；优化分析 中图分类号：TK124 文献标识码：A Study on Heat Transfer Characteristics of Compact Heat Exchanger Yang Xin-lei ，Nie Wan-sheng, Wang Hui (Space Engineering University ，Beijing, 101416) Abstract: The compact heat exchanger is the key component of the composite precooling engine, in order to study the heat transfer characteristics of compact heat exchangers and propose a compact precooling heat exchanger. Numerical simulation is used to study the influence of cold flow parameters, heat transfer tube parameters and tube spacing on heat transfer effect, the improvement direction of enhancing heat exchange effect is summarized, a new type of high efficiency and compact precooling heat exchanger is proposed. The results show that the new precooling heat exchanger has a unit volume heat transfer area of 1309m 2, and a unit volum heat transfer power of 355.5MW. The air with a mass flow rate of 120kg/s can be reduced from 1350K to about 486K. Key words: precooling exchanger; heat exchange effect; numerical simulation; optimization analysis 0 引 言 近年来，组合发动机的研制与应用越来越受到各国的重视。孙国庆等[1]对国外各种吸气/火箭组合发动机的研制情况及关键技术进行了综述，总结出对组合发动机发展途径的观点；彭小波等[2]通过对常见的 3种组合循环动力技术的特点和发展现状的分析，提出了发展建议；聂万胜等[3]对协同吸气式火箭发动机的发展现状进行了综述，认为其是各类组合发动机中具有较大发展潜力的一种组合发动机。协同吸气式火箭发动机是一种可对来流进行冷却的预冷吸气式发动机，通过对来流进行冷却，可获得理想的压气机进口温度，增大压气机增压比和空气密度，提高发动机推力，扩展飞行包线。高效紧凑预冷换热器是预冷吸气式发动机的关键部件[4]。 高效紧凑预冷换热器具有管径小、管壁薄、功率需求高的特点，因此提高换热效果对于减轻换热器结 构质量，提高发动机性能具有重要的意义。目前开展的研究主要集中在对换热机理的研究，如Xu 等[5]通过实验对微管道内的流动进行了研究；汪元等[6]对微小通道流体单相气态流动换热机理进行了总结。但对于宏观上如何增强微尺度换热器换热效果的研究开展较少。本文在保持热流条件不变的情况下，以换热器后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上优化了换热器参数，提出了一种新型布局的圆管换热器，建立了三维换热单元，对换热效果进行了仿真计算。
板式换热器的特点 1 传热效率高 板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高。 一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000～6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2～1/4 即可达到同样的换热效果。 2 使用安全可靠 在板片之间的密封装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部，即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。 3 占地小，易维护 板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。 4 随机应变 由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更
流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数K值或者增加新机能的可能。 5 有利于低温热源的利用 由于两种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热效果，板式换热器两种介质的最小温差可达到1oC。用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。 6 阻力损失少 因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。 7 冷却水量小 板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。 8 在投资效率低 相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和
微通道换热器综述 1 前言 换热器工质通过的水力学直径从管片式的φ10-50mm，板式的φ3-10mm，不 μ，这既是现代微电子机械快断发展到小通道的φ0.6-2mm，微通道的φ10-600m 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。 微通道换热器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μ通道所构成的微尺寸换热器。1986年，Cross和Ramshaw研直径φ10-1000m 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。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，由于其温室效应指数很高(约为CO2的1300倍)，也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势。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。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φ0.5-1mm 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
板式换热器的研究进展 发表时间：2020-04-03T14:58:53.603Z 来源：《建筑实践》2019年38卷第22期作者：陈厶玮1 陆明伟2 [导读] 近年来，随着现代化建设的发展，我国的能源建设发展也有了改善摘要：近年来，随着现代化建设的发展，我国的能源建设发展也有了改善。换热器的出现是人类社会发展中对热量交换管理作出的一次重要改进。通过换热器应用，能够满足人们对于热量交换的处理需求，对于人们日常生活水平提升具有重要意义。由于换热器构成方式不同，整个器件运行过程中形成的热量交换方式也有所不同。一般情况下，换热器构成类型有管式换热器和板式换热器两种，不同类型换 热器能够最大限度上满足人们对于热量交换处理的需求。本文针对换热器应用现状及进展展开讨论研究，希望能够对换热器未来发展方向做出分析，提升换热器应用研究水平。 关键词：板式换热器；研究进展；措施引言 我国能源需求刚性增长，消费水平居世界前列并仍在快速增长，其中工业能耗约占总能耗的70%，节能减排形势严峻、意义重大。换热器广泛应用在化工、石油、冶金和电力等领域，其性能对提高能效具有显著价值，国内外研究人员都非常重视强化换热技术，通过不断开发新型的换热器结构、优化设计参数、选用特殊材料来提高换热效率、减少流动阻力、改善环境适应性，从而提高换热能力，提升设备在行业的竞争水平。其中，板式换热器市场发展迅速。它具有传热系数高、对数平均温差大、占地面积小、重量轻、污垢系数低等优势，同时便于拆卸、清洗，不同结构型式的板片间可灵活组合，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种工业应用。然而在实际使用板式换热器时会出现流动阻力大、耐高温高压能力差等不足之处，缩减了板式换热器的应用范围。为改善提升板式换热器的传热效果，国内外研究人员通过实验研究和数值模拟等手段，在传热、流动、结构和材料等方面开展了大量工作，本文即对相关工作进行总结概述，以期分享板式换热器的研究成果，进一步了解其研究进展及未来发展方向。 1换热器的研究现状 1.1管式换热器 管式换热器作为当前市场上流通性较强的一种换热器类型，在换热器应用和发展中具有重要地位。由于管式换热器具有结构简单以及耐高温性强等特性，使得人们对于管式换热器的应用越来越重视。按照管式换热器构成方式，在现有换热器行业发展中，管式换热器已经形成了以螺旋槽文管换热器、管内插入物换热器、折流杆式换热器和管翅式换热器为主的管式换热器应用形式。由于每种管式换热器构成方式和应用方式不同，在换热器应用过程中，热量交换以及热量传导效率出现了显著差异。以管内插入物换热器为例，在现有换热器应用处理中，其能够在换热交换中借助传热系数变换，将整体传热效率提升30%，对人们换热处理需求起到重要保障作用。 1.2板式换热器 板式换热器是在当前换热器市场发展中较为常见的一种换热器类型，由于板式换热器由不同间隔薄板构成，在进行换热交换过程中，各个薄板中的热量会随着换热方式调整出现热量迁移和转换；并且在相同污垢系数下，板式换热器换热效率能够提升至传统换热器应用效率的2～3倍，这对于换热器的应用而言是非常重要的。在板式换热器应用过程中，由于其占有体积和占地面积较小，使得换热器的应用灵活性较高，所以被很多工厂以及浴池所青睐。同时，由于板式换热器构成中具有较为明显的螺纹板式，能够按照螺纹板式构成中的要求，进行相关数值模拟计算，提升了板式换热器内部换热效率控制水平；尤其是在山东大学文孝强等人研究下，通过对板式换热器内部材料改进，提升了整个换热器换热性能，满足了人们换热处理需求。 2概述 随着可持续发展战略的实施，国家对GDP能耗控制指标不断细化，作为重要过程设备的换热器在暖通、冶金、核电、石油、化工等行业的热量回收和综合利用中发挥着越来越大的作用。根据结构特征换热器主要分为：管式、板式、扩展表面式以及再生式换热器四类。板式换热器因其独特的结构设计，与其它类型的热交换器相比，具有传热效率高、质量轻、占用空间小、结构紧凑、易维修维护等诸多的优点，近几十年来被广泛研究与应用。为适应不断变化的市场需求，全面提高板式换热设备的传热能力，众多企业和学者对板式换热器做了许多卓有成效的研究。未来板式换热器的发展，主要包括三个方面的内容：板式换热器大型化技术、可靠结构和传热性能兼顾的板片开发、流场精细化CFD分析。 3板式换热器的研究进展 3.1板式换热器的结构设计与优化 板式换热器结构设计与优化的目的是强化换热、降低流阻，使换热器的性能达到最佳，其设计基本原则是将换热器的压力损失降到最低从而得到最佳的换热效率。所以，主要从总传热系数与压损的大小两方面来体现板式换热器的性能优越性，并通过选择评相应价标准，对换热器的综合性能进行评价，从而下获得所运行参数下的最优板形。按照设计需求，换热器有若干性能评价标准。早期常用的评价标准是根据单一参数进行评价，比如给定参考流速下对比换热器传热系数和压降两个数值来评价。后续研究人员还提出使用无量纲化的努谢尔特数比和流动阻力比进行评价。板式换热器的流道形状复杂，叠放形式多样，研究者多通过实验和数值模拟对比分析板片的波纹倾角、波高、间距等不同结构参数的影响，以期得到性能最优的波纹结构。 3.2板片结构参数对换热性能影响的CFD研究进展 板片结构参数对板式换热器的换热性能有直接的影响。人字纹板同平板换热器相比，能较早地促使瑞流产生，其临界雷诺数Re为400-800。当Re>1000时，在任何情况下都具有湍流特性。人字形波纹板片的波纹倾角是影响流体在换热器流动状态的主要因数，并且深刻影响着流体的传热与压降等特征。除波纹倾角外，对于人字形波纹板片影响换热器性能的因数还有波纹深度、法向截距（波长）、表面展开系数、波纹截面形状等。近几年，国内学者采用组合通道内局部可视化结合传热机理预测推断板式换热器的传热及流阻特性；特别在板式换热器CFD方面的研究取得很大的进展。然而由于目前国内相关实验研究所用的板片的波纹形状、流道组合、Pr（普朗特数）的选取、黏度的修正等各不相同，故结果也不尽一致。板式换热器CFD分析手段使得新产品的开发和相应流场的分析变得轻松，然而目前国内各方学者的研究出发点多有重复，并且模型简化使得其精确性受限，因此，进一步的系统的CFD精细化研究实验是分析和提高其传热性能重要的方向。同时针对超大型板式换热器的传热及流场研究很少。板式换热器的大型化发展，使得开发可靠结构和传热性能兼顾的板片已是板式换热器优化与改进的主要方向。
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
苏尚美,张亚男,成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002) 摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性,通过换热器火用效率的分析,发现微通道具有高传热系数,高表面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择,微通道结构的优化及加工方法,分析了微通道换热器的应用前景. 关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构 引言2O 世纪5O 年代末,著名的物理学家Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品,是工艺过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油,化工,动力, 核能,冶金,船舶,交通,制冷,食品及制药等工业部门及国防工程中.其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提高换热器的紧凑度,以达到在单位体积上传递更多的热量,一直是换热器研究和发展应用的目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效,更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生. 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元.当前关于微通道换热器的确切定义,比较通行,直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm 换热器称为微通道换热器. 早在二十世纪八十年代, 美国学者Tuckerman 和Pease 报道了一种如图 1 所示的微通道(Micro-channel) 换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成,其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平,成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的"热障"问题. .随后Wu 和Little,Pfahler 等,Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微通道换热器于1985 年由Swift 研制出来,研究表明,其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十. 美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O 年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH) 也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件,将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器. 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内,使它不仅涉及空间尺度的微小化,还涉及更为复杂的尺度效应. 2.1 微尺度效应 对于气体单相流动,当通道直径当小于200 时,即努森数≥0.001 时(其中为分子的平均自由程, 为水力当量直径) ,流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响. 对于液体单相流动,当微通道直径为381 时,宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例,微通道换热器的最高达到了9.20,而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应(表面效应) . 对于两相流,微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著,导致流型分布及转换准则发生变化.由于表面张力的影响,流动中不存在非球形泡沫.表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段,随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减
微通道换热器的探讨 微通道换热器是近一两年提得比较多的新式换热器，它是指由0.05-0.1in.(1—2.5mm)厚，0.5-1 in.(12-25mm)宽，内部有许多0.5-1mm的微小通道的换热管组成的换热器。虽然这种换热器在汽车空调（单冷型）及水箱上已经使用了很多年，但是在家用和商用空调与制冷产品上的应用却不多，开利在它的风冷螺杆冷水机30XA系列上使用了微通道换热器作为冷凝器，改进如下： 1．换热量增加10%； 2．制冷剂充注减少30%； 3．风侧阻力减少50%。 现在微通道换热器的优点总结如下： 1．强化了传热，提高了传热效率； 2．缩小了换热器体积； 3．减小了制冷剂的充注； 4．空气侧阻力减小，所需风机，电机规格减小； 5．因为是全铝材料做成，成本下降（但因为没有规模效应，仅指材料成本，单个产品仍比同规格翅片管式贵） 6．有更好的抗腐蚀性； 7．管内压力损失小； 8．容易现场修补泄露点。 缺点如下： 1．对于蒸发器，分液是一个重要问题，现在还不能很好解决； 2．对于蒸发器，冷凝水的快速排出还没有很好解决，这又衍生出结霜化霜问题； 3．因为空气侧阻力减小，使气流的不均匀性更加恶化； 4．设计灵活性减小，如部分负荷，过冷管段的设计等。
微通道换热器作为冷凝器时，经过 实验研究： 1．体积可以缩小约25%； 2．制冷剂充注可以减小约 20%-40%； 3．换热效率提高约10% 对比测试： 原型机规格： KFR-72LW：制冷量：7200W；制冷剂：R22 充注量：2.3kg 制热量：8200W（10300W）电源：220C/50Hz 功率：2630W/2600W（电加热4700W）毛细管：OD2.5x630x3 从表1可以看出，整体结构比原来小了，因为测试是借用原型机结构，所以微通道换热器的设计是主要是从安装方面考虑大小，所以迎风面减速小并不多，但从换热面积减小可以看出结构比原来小了。从表2可以看出，因为对蒸发器的设计和应用还有一些问题，所以对于蒸发器使用微通道换热器效果并不比原来好，但对只使用微通道冷凝器的机组，性能有所改善，特别是制冷剂充注。 以下是另一组只更换冷凝器的测，：
外掠管束的流动和换热特性的数值模拟 列管式换热器是一种比较传统且在工业化生产过程中应用十分普及的换热器,其流动本质为热流体外掠圆管进行流动、换热。本文对流体在换热管束中的流动和传热过程进行数值计算,考察不同管束排布方式、管束结构参数、操作条件等对其流动及传热特性的影响,并定量分析了管排的强化传热机理,在此基础上进一步对管束进行流固耦合分析。通过研究可以发现,管排中圆管的平均努赛尔数Nu与单圆管相比提高了 37%,传热强化较为明显。 通过改变管束结构参数,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管排传递特征的影响,并综合评价了其传热强化效果。结果显示,增大纵向节径比和横向节径比均能提高Nu数,但同时阻力系数也随之增大。综合传热能力对横向节径比更为敏感,当ST/D=2.5,SL/D=2.7时综合传热能力最优。 此外,考察了雷诺数对顺排管束涡脱落的影响,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔数St与雷诺数Re的关系,结果表明管排结构可以对涡脱落起一定的抑制作用,减小涡脱落频率。在相同工况下,对流体在叉排管束中的流动及传热过程进行数值模拟。对比叉排管束和顺排管束的流场分布和Nu数分布,可以发现叉排管束的换热强化能力优于顺排管束。 运用场协同理论分析管束结构对传热强化的机理,发现叉排管束中速度矢量与温度梯度的协同程度较好,强化传热能力更强。对换热管束进行单向流固耦合研究,分析了雷诺数、纵向节径比和不同管排结构下换热管束的应力应变分布规律。结果表明,雷诺数对顺排管束应力分布影响不大,但其应力强度对其排布方式较为敏感。 增大SL/D,顺排管束应力最大值先增大后减小。与顺排管束相比,叉排管束