微通道热交换器研究进展

欧雍若，王风磊，李文辰，郭祥忠，苏 锦

（1.青岛畅隆电力设备有限公司，山东青岛 266700；2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061）

随着能源的高效利用，追求更高效的热交换器、提高换热效率成为了研究热点。自上世纪90年代以来，热交换器的发展开始走向微型化。微通道热交换器的概念最早由Tuckerman和Pease[1]于1981年基于高热流密度芯片冷却问题提出，是指水力当量直径小于1 mm的热交换器，其体积小、质量轻、结构紧凑且换热效率高，被广泛应用于化工、汽车及空调等领域。

文中对近年来微通道热交换器的研究成果、研究进展进行了综述，介绍了微通道热交换器的结构、操作参数对流动及传热特性的影响，并对强化传热的几种方法进行了阐述，以期对今后微通道热交换器的传热研究提供借鉴。

1 微通道热交换器结构研究

微通道热交换器结构研究主要采用试验方法和数值模拟方法。其中数值模拟方法主要有计算流体动力学（CFD）方法和格子-玻尔兹曼（LBM）方法[2]，国内外学者大都采用CFD方法对微通道热交换器的流动与传热特性进行研究，通过改变微通道结构进行优化设计，来研究新结构的流动与传热性能。

薛镇等[3]从理论层面对微型热交换器的扁管、集流管及翅片进行结构研究，并结合试验证实了采用优化后的结构的确提高了热交换器的换热能力，为汽车空调中微型热交换器的设计开发提供了借鉴。胡肖芬等[4]分别对微通道热交换器的扁管与集流管进行了优化设计，通过对微通道热交换器的扁管流程布置进行优化，认为增加空气侧和制冷剂侧的平均温差可以有效提高热交换器的性能，而集流管优化设计使得微通道热交换器可同时作为冷凝器和蒸发器。文献[3-4]都对翅片参数对微通道热交换器传热性能的影响进行了研究。

对微通道热交换器的结构研究不仅只针对其扁管、集流管等，还有学者研究了几何特性对微通道热交换器传热性能的影响。王志鑫等[5]对微通道热交换器的几何特性（如宽高比、长径比、孔隙率、当量直径以及截面形状）进行了数值模拟研究，研究得出长径比取70，取较小的宽高比、较大的孔隙率和当量直径都可以提高热交换器的传热性能。陈孝根等[6]也对截面的高宽比进行了研究，得出最佳高宽比为2～4。针对圆形[7-10]、三角形[11-13]、梯形[14-16]等常规截面形状微通道的研究近些年也相当活跃，研究表明，不同截面形状会对流动沸腾性能产生影响。此外，早期的部分学者对微通道热交换器的截面形状进行了研究，认为等腰三角形截面的传热性能最高，矩形截面的传热性能最低，根据传热性能从高到低排列依次为等腰三角形截面、等腰梯形截面、圆形截面和矩形截面[17-18]。

由于微通道热交换器尺寸的数量级下降到微米级，微槽道系统具有很大的比表面积，故表面粗糙度对传热特性的影响将变得十分重要，实际上是一种微尺度效应。周继军[19]通过理论和试验相结合的方法，对微槽道内的单相流动阻力特性进行了研究。研究结果表明，微通道热交换器的试验结果与常规尺寸热交换器的理论预测值存在较大的差异，说明采用常规尺寸下的传统理论对微通道热交换器内部流动阻力进行预测已经不再适用。

范贤光等[20]研究了凹槽对整体流动及散热性能的影响，研究结果表明，凹槽的设计明显增加了散热面积，且凹槽增加了流体的扰动能力，进而提升了散热效果，三角凹槽的传热性能最好，其次是圆形凹槽，而矩形凹槽和梯形凹槽的传热性能相差不大。姜培学等[21]从传热角度分析得出，烧结颗粒多孔式微型热交换器的性能优于微槽式微型热交换器及烧结网丝多孔式微型热交换器，扁槽结构要强于深槽结构。还有许多研究者研究了肋片高度[22]、水滴型凸肋通道的尾缘角度[23]、通断微通道的通道数[24]以及凹穴型微通道[25]等对微通道流动与传热特性的影响。

甘甜等[26]对歧管式微通道进行改进和优化，提出了一种新型孔板歧管式微通道结构（OPMM），并通过CFD分析表明，与传统结构相比，新型结构依靠顶部集管效应使得流体均匀分布，壁面温度均匀性有了较大提高。王志敏等[27]通过数值模拟表明，压降随针鳍间距和针鳍高度的减小而呈非线性增加；壁温随针鳍间距的增大而上升，随针鳍高度的增加则呈现出波动趋势。

范凌灏等[28]在矩形微通道当量直径不变的情况下研究得出，增大截面高宽比，微通道压降升高，流动恶化，通道表面平均努塞尔数升高，传热性能提升，评价因子下降，微通道热交换器综合性能降低，热沉底面平均温度下降且趋势渐缓。曹彬等[29]对结构参数进行的研究表明，器壁厚度对最大传热效率影响较小，并得出了热交换器结构选用大深宽比通道和适当的间壁厚度为佳的结论。

聚合物具有易于成型、加工成本低廉的特点，可以提高微通道热交换器在微尺度下的设计灵活性。姜辉等[30]的研究结果表明，金属-塑料复合微通道热交换器具有导热速度快、塑料微结构高效散热的特点，可以使金属的导热能力与塑料的散热能力相匹配，具有良好的研究、发展和应用前景。

张克鹏[31]以某冷凝器为研究对象，考虑了微通道热交换器在温度载荷下的约束，并利用HyperWorks软件对结构整体温度场进行数值分析，建立了详细的有限元模型，用OptiStruct求解器计算求得给定温度载荷下的热应力分布和变形，为微通道热交换器的设计提供了经验。

Iris等[32]从压力损失特性和传热性能2方面对气-气微通道热交换器进行了表征，研究了一种气-气微通道热交换器在不同隔板材料和隔板厚度下的压力损失特性和传热性能。

胡肖芬等[4]为了研究微通道光管热交换器的特性，对单根管、单排3根管、2排6根管的管外绕流进行了数值模拟，结果表明，相比于大管径热交换器，小管径热交换器的性能更好；同排管束之间、排与排之间的流场对边界层有影响，管径为0.7 mm单管光管的模拟结果与试验数据吻合良好，对进一步的传热性能分析研究具有一定的指导意义。

2 微通道热交换器流动与传热特性研究

2.1 流动与传热特性评价指标

学者们的研究大都从微通道的流动特性、传热特性以及综合性能对微通道热交换器进行分析研究，以提高微通道热交换器的换热能力和流动性能为目的。研究中多以压降Δp和努塞尔数Nu作为微通道热交换器流动和传热特性的评价指标，其中压降通常用来表征流体流动时所受到的阻力大小，从而得出流体流动性能的优劣。范贤光等[20]指出，微通道热交换器的压降Δp是指微通道入口压力和出口压力的差值：

式中，pi为入口压力，po为出口压力，Pa。

传热特性的评价指标通常为努塞尔数Nu：

式中，q为热流密度，W/m2；d为入口当量直径，m；Tw为微通道的平均温度，Tf为流体的平均温度，K；λ 为导热系数，W/（m2·K）。

2.2 操作参数对流动及传热特性的影响

操作参数的改变通常对微通道热交换器的性能有较大影响。在不同的应用领域，操作参数的影响亦有不同，比如空调和汽车领域中风速对微通道热交换器的影响、化工领域中温度对微通道热交换器的影响，这些参数的影响不可忽视。

Yogish等[33]对考虑辐射的共流气-气微通道热交换器的性能进行优化和数值分析，通过改变冷芯液的操作参数和几何参数，研究冷芯液对环空传热、对数平均温差、效率和平均传热系数等性能参数的影响，针对不同的操作条件和几何条件，对微通道热交换器进行优化设计。

陈华等[34]通过搭建试验台研究了操作参数对微通道热交换器的影响，得出风速对微通道热交换器换热和流动特性影响显著，风速为2.5 m/s时换热量和空气侧传热系数最佳。

曹彬等[29]探究了操作流量对传热效率的影响，指出微通道热交换器不宜在亚负荷状态下进行操作，这一点与常规热交换器明显不同，裕量过大反而达不到预定换热效果。该研究还得出，操作流量越大，最大传热效率越低。

张旭等[35]基于Matlab平台进行仿真研究，分析了汽车内外的温度、压缩机轴功率以及车内相对湿度对系统性能的影响，将所得结果与试验数据进行比较发现，仿真数据具有较高的准确性，系统能效比随车内温度和相对湿度的升高而增大，并随车外温度的升高和压缩机轴功率的增大而降低。

焦永刚等[36]设计加工了矩形节流型微通道试验件，通过改变试验工质进口温度、进口质量流量和加热棒功率，研究了节流型微通道的传热特性。研究得出，试验工质的初始温度与微通道的传热效果成反比，初始温度越低，整个通道的散热效果越好。对不同入口温度的试验工质来说，随着质量流量的增加，微通道蒸发器的对流传热系数不断增大。

李海军等[37]对微通道热交换器与管翅式热交换器在电动客车热泵空调系统中的制热性能差异进行了研究，并在车外环境温度为－10～7℃进行了分析比较，得出在一定的操作参数范围内，微通道热交换器的制热性能比管翅式热交换器的制热性能要好。

2.3 微通道热交换器强化传热研究

与常规尺寸热交换器相比，微通道热交换器的强化传热研究明显不同，内部流动传热研究需要考虑微尺度效应。吉亚萍[38]对微通道的强化传热进行了数值模拟，研究了二维入口段方形粗糙元微通道的流动传热特性，以水作为流体介质，利用CFD软件对微通道在层流状态下的性能进行模拟，分析了相对粗糙度和粗糙元间距对微通道流动传热的影响，并对其进行传热强化和流动减阻方面的理论分析，探究了传热强化和流动减阻的特性。

对于微通道传热的强化，目前主要有流动沸腾换热、采用纳米流体作为工质以及选择新型涂层材料这3种方式。对流动沸腾换热的研究，主要采用数值模拟[39-44]和试验[45-50]方法。王迎慧等[42-43]运用数值模拟方法分别考察了波形微通道和Ω型凹槽微通道相对于平直微通道的优点，二者均有助于提升流动沸腾的传热特性。为了提高流动沸腾换热的临界热流密度，宇高義郎等[44]设计开发了非均匀导热性传热板。试验研究方面，周正龙等[48]通过搭建试验平台，得出疏水微通道的换热性能高于普通微通道的换热性能。聂飞等[49]通过沸腾换热压降特性研究，得出了压降与物理参数之间的关系。刘雄伟[50]通过观察矩形截面微通道内饱和沸腾换热试验的流型特点，推导出了适用于预测矩形截面微通道沸腾传热系数的物理模型——四区模型。

袁俊飞等[51]指出微通道相变换热是指制冷工质流经热交换器内部的微细通道时，通过与微通道内壁面的相变传热和对流传热将热源产生的热量带走的一种换热方式。结合微通道强化传热的优势，设计加工了一种铜基微通道热交换器，对其传热模型进行理论分析，并以R124为制冷工质，试验测量了微通道热交换器内相变换热的传热及压力特性。

周赟磊等[52]为了改善传统微通道散热器的传热特性，提出了一种新型微通道散热器，相较于传统直通道散热器，新型微通道散热器中不仅增加了横向通道，而且在传热板的下表面覆加了具有超高热导率的石墨烯层。石墨烯层使温差大幅降低，进一步改善了散热器的散热效果。

Li等[53]采用试验方法，对碳-丙酮纳米流体微通道热交换器的对流传热性能进行了测量，对传热系数、摩擦因数以及压降等进行定量分析，通过研究碳-丙酮纳米流体的传热特性，探讨强化传热的机理，认为热传递的促进是由于微观尺度的布朗运动和热泳动等引起。王少锋等[54]研究发现不同混合比例的纳米流体换热效果均强于去离子水换热效果。

翟昊等[55]综述了纳米流体在微通道换热中的研究进展，指出纳米流体与微通道分别作为强化传热流动介质与强化传热结构获得了广泛关注，纳米流体在微通道中的强化传热特性受多种因素影响，主要概括了纳米颗粒及基液类型、纳米颗粒浓度、粒径对微通道传热特性的影响，阐述了纳米流体在微通道中强化传热的机理，指出了将纳米流体应用于微通道传热过程中需要解决的问题和未来的发展方向。

3 结语

近十多年来，微通道热交换器的研究和应用发展迅速，无论是对微通道的结构还是操作参数的研究，最根本目的均是为了提高流动及传热性能。国内外对微通道热交换器的截面形状、扁管等结构的研究已较为成熟。对微通道热交换器强化传热方面的研究，主要集中在流动沸腾换热、采用纳米流体作为工质以及选用新型涂层材料等方面。近年来对流动沸腾换热的研究主要包括气泡的生成、流型的变化等。新型高效换热材料也应用在了微通道热交换器，在微通道热交换器的表面添加涂层可提高其换热能力。此外，纳米流体在微通道热交换器方面的应用研究也越来越多。

通过对近年来研究成果的总结可以发现，纳米流体在微通道内的流动与传热、流动沸腾换热的机理以及采用新材料涂层强化传热是今后微通道热交换器研究的重要方向。