微通道换热器的研究进展及其应用前景

微通道换热器的研究进展及其应用前景

张心豪

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摘要：随着技术不断发展，微通道换热器同样取得较大的进步发展，且其常规尺寸设备优越性比较突出。为此，本文先是综述微通道换热器的研究进展，之后从汽车空调、二氧化碳跨临界制冷系统、其他领域三个不同角度探讨微通道换热器的应用，希望可以为相关工作人员提供参考。

关键词：微通道换热器；研究进展；应用；前景

微通道换热器是特殊微加工技术的一种，水力当量直径在1mm以内的换热器[1]。为了实现提高空调系统性能的目标，换热器从以往的管翅式发展为管带式与微通道换热器。最早微通道换热器被广泛应用在电子领域，但科学技术快速发展的今天，逐步提高了电子产品的集成化水平，因此人们也将为计数应用在散热器中。微通道换热器在人们不断追求小体积与高性能电子产品背景下应运而生，也正是因为其有着其他设备没有的优势因而得到良好的发展。

1微通道换热器的研究进展

人们将涉及到相变传热习惯性成为当量直径3mm以下的通道，称为微通道。若换热器通道为微通道，那么人们也将其当做微通道散热器[2]。早在二十世纪80年代时美国有学者已经提出微通道换热结构，该结构构成材料包含了高导热系数材料，且换热底面换热量通过通道壁传至通道内，且其换热性能很显然超过了传统热换手段达到的水平，这一问题让超大规模或大规模集成电路导致的热胀问题逐步得到解决。随后，有研究者有分析与研究了通道中的单相流，在1985年研制了可以用于两种流体热交换的微通道换热器，且不少研究证实该微通道换热器单位体积换热量达到几十MW/（m2．K）。90年代后期美国的太平洋西北国家研究所研制可可以成功汽化/燃烧一体的微型热泵与微型装置。此外，卡尔斯鲁研究中心通过成型工具超精细车削加工器件，将其当做逆流或错流的微换热器。

有研究者分析了平行流式冷凝器热力的性能的理论，并开展相关试验，结果对其性能产生的影响因素，且确认对于一定结构的冷凝器都有一个临界的风速，若其超过了这个值，那么在空气侧阻力增加的前提下换热量基本固定[3]；而在一定的范围中可以通过减小翅片的高度提高换热器的换热量；降低翅片距离有利于增加冷凝器传热面积，增强其换热能力，但空气侧阻力呈增加趋势；每一个优化措施都必须考虑其是否影响其他的参数，而不是单一的方面。

还有研究者建立了微通道换热器相关模型，计算了空气侧与制冷剂测的压降与换热系数，对比48种不同工种下的试验数据与计算结果的差异，发现计算这一模型的换热性能时期误差补充2%，且制冷剂测压降误差同样可以在合适的范围内。

2微通道换热器的应用

2.1汽车空调

目前，汽车空调的蒸发器与冷凝器均广泛采用了微通道换热器。其具有较高的换热系数、质量轻、腐蚀性强，因而可以满足汽车空调在高热能换热器方面的要求。因为汽车空调运行的环境相当特殊，且运行工况比较恶劣，加之受到安装维护与汽车内部空间的影响，必须选择安装简单、结构紧凑、空气侧阻力小、安全可靠等汽车空调换热器。汽车空调冷凝器经历的结构形式为平行流式、管片式与管带式。其中，平行流式是美国摩丁企业注册的专利，旨在用其替代汽车空调的管片式冷凝器。但后来经过日本铝与昭两个企业在两端集中增加了隔板，构成了不同的回路，人们将其称为多元平行流冷凝器。如此，迎风面积相同，降低了平流式冷凝制冷器，其和管带式冷凝器相比仅为后者的20%~30%，其混热性能和管带式相比至少高出30%。

2.2 二氧化碳跨临界制冷系统

二氧化碳临界循环的气冷器在发展中从管片式转变为微通道换热器。研究二氧化碳跨临界循环的过程中研究者发现管片气冷器热短路的问题比较常见[4]。基于管片式气冷器存在的缺点，为解决这一问题，有研究者将微通道换热器应用在跨临界二氧化碳系统，且该及其由翅片叠加与扁平管叠加而成，这种换热器紧凑且高效，且对比传统圆管平直翅片设计可知，从面积上看，微通道换热器使制冷剂的侧面积大约增加3倍，且在扁平管流线型外形的影响下逐步减少了空气测压降，增加了空气测风速，空气侧换热系数显著增加。

微通道换热器缺点在于流动阻力较大，但二氧化碳的粘度不高，低粘度产生的降压很小，可以增加二氧化碳的质量流速。此外，微通道操作压力较高，符合二氧化碳的高压制冷系统，操作压力较大，且承受的压力降较大，很少影响蒸发的温度。

2.3其他领域

应用微通道换热器后快速扩大了其他的应用领域[5]。目前，工业冷冻冷藏行业中为管翅式换热器仍然是压缩冷凝机组，该系统的整体效能偏低，存在严重浪费行业能源的问题。压缩冷凝机组被应用在微通道换热器中除了可以有效提高机组能效比之外还可以有效提高产品竞争力，缩小工业冷冻能耗，为制冷空调行业节能起到促进作用。目前，微通道换热器广泛应用在一些对换热设备重量与尺寸有特殊要求的场合，如医疗、微电子、航空航天等等；尤其是试运行微型核反应堆、为化学仪器、微透平行机械等等。目前，配备系统设备中微型化换热装置发挥相当重要的作用。

结束语

近年来微型机械系统与电子系统快速发展，在此背景下传统的换热装置很显然无法满足时代发展的需要，这就意味着换热装置微型发展是时代发展的必然。此外，随着世界各国能源问题越来越多，必须满足热量交换的前提下减少设备体积，提高设备紧凑性，减少设备重量，有效节约材料，避免占地面积较大。虽然目前微通道换热器在装配、设计与密封等方面技术中面临较多难题，但是数值模拟、试验等对性能与结构方面技术不断优化与改进，提高了微通道换热器的成熟度，因此其必然具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]谢冰冰,李耀祥.微通道换热器在地铁车辆空调上的试验研究[J].技术与市场,2022,29(6):56-59.

[2]孙亚松,刘红敏.微通道强化换热研究进展[J].应用化工,2022,51(4):1116-1118，1123.

[3]位兴华,赵日晶,黄东.新型插片式微通道换热器性能特性试验研究[J].制冷与空调,2022,22(5):73-78，97.

[4]马志恒,李丰,赵日晶,黄东.竖插翅片微通道换热器排水性能研究[J].制冷与空调,2022,22(5):79-84.

[5]薛明军.微通道换热器专利分析[J].制冷与空调,2022,22(5):1-4.