微通道换热器的研究进展及应用前景

一、微通道中流体的热交换特性

微通道对流换热与宏观（大小＞1mm）通道换热机制不同，受通道形状、壁面粗糙度、流体质量、表面与热、分子平均自由程和通道尺寸比例等诸多因素的影响，微通道换热呈现出特殊的特点。

1.1 热传导率引起的热交换效率的变化趋势

随着径向热阻和器壁轴向热导的影响，当热导率变化、热导率较低时，随着热导率的增加，径向热阻的影响逐渐减弱，换热器的效率增大。该区域称为热阻控制区域。当热导率增加到一定距离时，随着热导率的增加趋势，热交换器的效率逐渐减弱，增加到最大值时开始逐渐减小，称为高效热交换区。当热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐加强，换热器效率降低，当容器壁完全等温时，导热效率接近50%，称为导热控制区域。

1.2 流量对换热效率的影响

在低介质流量的情况下，金属热交换器的热交换效率根据介质流量的变化存在最大值。即，在决定结构热交换器中存在最佳的工作流量值，另外，在相同的流量偏差下，由于系统效率在负载操作时的效率降低幅度比在过载操作时大，因此金属微通道热交换器能够在一定范围内进行过载运转，在负载状态下的操作不优选这一点上以前与水垢热交换器系统明显不同。

在高介电电流的情况下，空气壁的轴向热传导对热交换效率的影响逐渐减弱，随着介电流量的增加，热交换效率逐渐降低。

1.3 微通道加工材料的选择

在低电介质流量的情况下，热阻控制区域是低热传导率区域。因此，玻璃等低热传导率材料的热交换器的热交换效率明显高于金属等高热传导率热交换器。

对于高电流量，在结构参数固定热交换器中，随着操作流量的增加，导热电阻对热导率的影响逐渐加强，高效率热交换区域也向高热导率方向移动热导率低的金属材料（不锈钢等）Bier等人对错流式微通道换热器内的气体-气体换热特性进行了数值分析和实验研究，结果表明，不锈钢微通道换热器的换热效率高于铜微换热器。

1.4 临界热流密度

在有相变的热交换中，微通道的临界热流密度现象与通常的通道不同，微通道产生临界热流密度是因为微通道的蒸汽被闭塞，在达到临界热流密度之前微通道的流动和传热主要是周期性过冷流动沸腾，从微通道脱落。出来的气泡和进入微通道的液体反复交替冲洗微通道，达到临界热流密度后，微通道中的流动和传热主要是蒸汽周期性脱出的过程，最后一直持续到整个微通道被过热蒸汽阻塞，直至产生过热蒸汽。全部

1.5 入口段效应

努塞尔数随着无量纲加热长度Lh的增加而降低。对于现有尺度下的圆管内层对流热交换，Lh=0.05时热交换充分，零芯数趋于4.51。基于Lh取值范围0.013≤Lh≤0.093，计算出热交换入口段长度占整个通道长度的比例为53.8%。明确了入口段效应对刀具换热的影响。

二、.微通道结构优化和处理

微通道是微设备的重要组成部分。为了满足高效传热和化学反应的要求，需要加工和制造高性能机械表面，包括各种金属材料成型微通道技术和金属表面催化载体技术。微系统和微通道有四种传统的加工和生产技术：

（1）IC技术：大规模集成电路（IC技术）开发的平面处理技术和块处理技术。所用材料主要由单晶硅及其微米厚的薄膜组成。薄层是通过氧化、化学气相沉积、喷涂等过程形成的，然后通过牺牲层的蚀刻进行光刻、蚀刻，特别是各向异性蚀刻和各种形式的微力学。IC技术的成熟程度决定了其在现代微加工领域的领先地位。然而，这种微表面处理技术仅适用于硅材料，仅限于薄厚度的平面设计，并限制了应用范围。

（2）光刻技术（LIGA）：LIGA技术于1986年开发，结合了同步X射线蚀刻、电解液和高能加速器（如德国埃菲尔铁塔）制造的塑料模具技术。该技术的特点是能够处理具有大深度宽比和大加工面积的微观结构。然而，LIGA需要开发昂贵的同步加速器X射线源。LIGA实际上是一个标准的二维过程，它使复杂的三维微观结构难以通过形状的改变来处理，并且极难为同步加速器创建X射线光刻图案。

（3）适用于微火花加工、电子束加工、离子束加工、扫描隧道显微镜等专用和专用微细加工。加工材料狭窄，工艺复杂。

（4）准分子激光微加工技术是近年来出现的。准分子激光器位于波长短、光子能量高的远紫外线波段，可以破坏聚合物材料的某些化学键，并提供低温化学处理。采用准分子激光面罩投影直接蚀刻技术，实现了深度宽比大、加工面积大、成本低、批量生产的显微结构，可采用聚焦激光格栅蚀刻技术加工连续三维结构。

微通道热交换器应用前景

目前，随着微电子和微化学机械系统的发展，传统热交换器已不再满足应用系统的基本要求。热交换器的小型化已经成为一个紧迫和不可避免的趋势。此外，随着能源问题变得越来越重要，必须最小化设备的体积，即增加设备的紧凑性，从而减轻设备的重量，节省材料，并相应地减少体积，前提是满足热交换的要求。

目前，微调元件的设计、制造、装配、密封技术和参数测量（非接触式测量方法）存在许多困难。但随着设计、性能等技术的改进和优化，通过大量数值实验和模拟，微热交换器越来越成熟，将成为应用前景广阔的新型设备。