微通道换热器的原理以及技术调研报告

我国目前资源和能源利用水平与发达国家相比有较大的差别,人均资源占有率相对较少,这就意味着节能、走可持续发展的道路在我国尤为重要。近年来能源短缺形势加剧,促使国家将对空调的能效提出越来越高的要求。

提高空调整机性能的途径有多个方面,最关键的两个方面是压缩机和两器性能的提高。改进压缩机的性能,需要大量的时间和投入。采用高效内螺纹管、减小铜管直径、加大换热器面积等措施来强化换热已经不能满足高能效要求,而且会带来成本的增加,同时也增加了消费者购买的成本。

近年来,随着铜价的一路攀升,空调系统铜材料的替代问题引起行业领域的普遍关注,并积极寻求铜材的替代技术。铝作为铜材的替代品之一,其价格相对稳定、低廉,采用微通道换热器,可明显地降低空调的制造成本,提高产品的市场竞争力。微通道换热器已广泛应用于汽车空调行业,随着加工工艺,技术及新型铝材的开发,正逐步应用于家用和商用空调行业。

二、微通道换热器的发展历程

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。

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直径%title插图%num10-1000%title插图%num 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。

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%title插图%num0.5-1mm 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20%-30%。在这方面,全球几大散热器生产厂家如Delphi、Aluventa和Danfoss等已经开始将微通道散热器推广应用于家用空调如多联机、户式中央空调,这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐,已开发出多种微通道家用空调散热器。

三、微通道换热器的结构特点

微通道换热器主要由平行流铝管(俗称扁管)、高效铝翅片和头管三个基本元件组成,如图1所示。平行流铝管与高效铝翅片交替排布(如:一层平行流铝管,一层高效铝翅片,一层平行流铝管…等),两端均接入头管。所有的微通道换热器全部在钎焊炉内加工完成 (炉内充注氮气,减少氧气浓度,防止换热器表面氧化,保证焊接质量)。 

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图1  微通道换热器结构示意图

微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。

3.1 微型微通道换热器

微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器。其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。

微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等。

采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多,单位质量的传热性能也提高了50%。

采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精确控制翅片尺寸和平板厚度,达到几十微米级, 经钎焊形成平板错流式结构,传热系数可达45MW/ ( m3·K),是传统紧凑式换热器的20倍。

采用硅、Si3N4等材料可制造结构更为复杂的多层结构。通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器。

随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术( LIGA) 、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。

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