（热能工程专业论文）微型液液蒸发器的设计与实验研究.pdf

摘要 摘要 在微电子、航空航天、化学生物工程等领域中，一些对换热设备的尺寸和重 量有特殊要求场合中所需要使用的微型换热器，有着非常重要的应用前景。而且 随着微机电系统( m e m s ) 的迅速发展，许多微细加工方法得到了发展和应用， 使得新型高效的微型蒸发器的研究与开发日渐成为传热学研究领域的一个热门 课题。 本文基于替代制冷剂r 1 3 4 a 设计并加工出一种用于微型热泵系统的微型螺 旋管式蒸发器。该蒸发器利用制冷剂在绕成螺旋状的细铜管内沸腾换热，壳侧采 用在螺旋中心插入螺旋扭转带扰流，以提高水的换热系数。 建立了一套能对微型蒸发器进行性能测试的实验系统，在该系统中使用定量 泵代替压缩机，解决了小流量的制冷剂流量测量问题。本文中完成了制冷剂液单 相热平衡实验和阻力特性实验，研究了制冷剂在管内流动的压降；同时进行了制 冷剂在微型蒸发器内的两相沸腾实验，通过调整各种参数，可以实现微型蒸发器 在实际系统中运行的各种工况，对微型蒸发器的换热量进行测试。 经过测试，本文中所设计的微型蒸发器，在制冷剂流量为2 1 9 s 时，两侧对 数平均温差1 6 5 。c 时，完全蒸发达到最大换热量4 2 0 w ，单位体积换热量 8 7 x1 0 6 w m 3 ，单位质量换热量2 5 6 1 w k g 。 通过所得实验结果，验证了之前所设计的微型蒸发器结构合理性，提出有效 的改进方法。为微型蒸发器的深入研究、设计计算和应用提供了理论基础和数据 基础。 关键词换热器：微型蒸发器：换热量 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do fm i c r o e l e c t r o n i c ，a e r o - s p a c ea n dc h e m i c a lb i o e n g i n e e r i n g ，s o m e m i n i a t u r eh e a t e x c h a n g e r sw i t hs p e c i a ls i z ea n dw e i g h ta r ev e r yi m p o n a n ti n a p p l i c a t i o np r o s p e c t s al o to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs y s t e m sh a v eb e e na t t e m p t e d w i 啦g r e a ti n t e r e s tf o rs m a l ls i z e ss i n c em i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s 、 t e c h n o l o g ye m e r g e df r o ms e m i c o n d u c t o rf a b r i c a t i o np r o c e s s t h er e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r eo fn e wt y p em i n i a t u r ee v a p o r a t o r sw i mh i 曲e f f i c i e n c yb e c o m et h ef o c u s i nh e a tt r a n s f e rr e s e a r c hf i e l d i n t h i st h e s i s ，t h em i n i a t u r es p i r e - t u b ee v a p o r a t o ru s i n gr e f r i g e r a n tr 1 3 4 ah a s b e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，w h i c hu s e di nm i n i a t u r eh e a tp m n ps y s t e m i nt h i s e v a p o r a t o r ，t h er e f r i g e r a n tb o i l i n gi nt h et h i n c o p p e rs p i r ep i p e s as p i r es t r i pw a s i n s e r t e di nt h ec e n t e ro ft h es p i r ep i p et od i s t u r bt h ef l o wo nt h es h e l l - s i d e ，a n dt h e n i n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t ot e s tt h eh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo ft h em i n i a t u r ee v a p o r a t o r ，a ne x p e r i m e n t a l s y s t e mw a sb u i l t i nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mt h em e t e r i n gp u m pw a su s e di ns t e a do f m i c r oc o m p r e s s o r ，s ot h ef l o wr a t eo ft h er e f r i g e r a n tc o u l db eo b t a i n e de a s i l y w i t h e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns i n g l e p h a s eh e a tt r a n s f e r ，t h eh e a tb a l a n c eo ft h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mw a sp r o v e d ，a n dt h ep r e s s u r ed r o po fs i n g l e - p h a s ef l o w i n gi nt h et u b e sw a s m e a s u r e d ，i nt h et w o p h a s eh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t s ，t h em i n i a t u r ee v a p o r a t o rc o u l d w o r kw e l la ss a n l ea si nt h er e a l l ym i n i a t u r eh e a tp u m ps y s t e mb yc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r e ，a n dp r e s s u r e t h et e s t i n gr e s u l tc o u l db ea b l et os h o wt h eh e a tt r a n s f e r c a p a b i l i t yo f t h ee v a p o r a t o ra n di ti se a s i l yt ok n o ww h e t h e rt h ed e s i g ni ss u i t a b l e t h er e s u l ts h o wt h a tw h i l et h er e f r i g e r a n tf l o wr a t ei s2 1 9 s ，t h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo ft h eb o t h - s i d ei s16 5 。c ，t h em a x i m u r nh e a tt r a n s f e rr a t ei s4 2 0 w ，t h e h e a tt r a n s f e rr a t ep e ru n i to f v o l u m ei s8 7 1 0 6 w m 5 ，t h eh e a tt r a n s f e rr a t ep e ru n i to f q u a l i t yi s2 5 6 1w k g i tp r o v i d e sau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o na n d f u r t h e rs t u d yo f m i n i a t u r ee v a p o r a t o r k e yw o r d s h e a te x c h a n g e r ； m i n i a t u r ee v a p o r a t o r ；h e a tt r a n s f e rr a t e i i 主要物理量名称及符号表 i i 主要物理量名称及符号表 a 传热面积m 2g 定压比热j & g k k 总体传热系数w m 2 f 摩擦因子 h 焓j ，k gm 质量流量k s p 压力m p a q 热流密度w m 2 q 换热量wq 平均换热量w ，汽化潜热k j ，k g ，温度 r 温差f 过热度 j 干度u 流速h 1 ，s p 密度k m 3 动力粘度n s l m 2 五导热系数w m - ”运动粘度m 2 s d 对流换热系数w ，m 2 - 主要注角符号： c 临界态参数r 对比态参数 m 平均参数 s 饱和态参数 1 水侧参数 2 制冷剂侧参数 w壁面参数0管内侧参数 j 管外侧参数z 液态参数 v 气态参数 准则名称： n 。：掣 肌：竺 伪。 努谢尔特准则 欧拉准则 i p r ：一a 普朗特准则 v r e ：型雷诺准则 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 g 年嘲掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 虢立鹳跏张今坠吼掣1 7 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 前言 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称 为热交换器，也就是换热器。在换热器中，至少有两种温度不同的流体参与传 热。一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。 上个世纪末爆发的能源危机，世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面 临着能源短缺的局面，使得人们越来越重视新能源的开发，并积极开展余热回收 及节能工作。而换热器的应用与能源例如太阳能、地热能、海洋热能的 丌发紧密联系，因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视， 各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人 力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随 若研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报”3 ，如板翅 式换热器、强化沸腾的表面多孔管、t 形翅片管、强他冷凝的螺纹管、锯齿管等 都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状 况。特别是2 0 世纪8 0 年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提 高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益。能源 的同趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提商给换热器带来了日 益广阔的应用前景。 近年来，随着微机电系统( m e m s ) 的迅速发展，许多微细加工方法得到了 发展和应用，并相继出现了诸如微型马达、微型传感器、微机械陀螺、微型泵和 微型阀等微型器件，为人类开辟了一个崭新的世界。微型换热器作为m e m s 家 族中的一员，在微电子、航空航天、化学生物工程等一些对换热设备的尺寸和重 量有特殊要求的场合中有着非常重要的应用前景。此外，高新技术的迅猛发展对 器件和设备的热控技术提出了越来越高的要求，而微小结构是强化换热的有力手 段之一。正是在这种背景下，新型高效的微型换热器的研究与开发f j 渐成为传热 学研究领域的一个热门课题。 1 2 换热器概述 1 21 换热器的发展 无论是换热器的研制者，还是换热器的使用者，都追求换热器性能指标的完 北京工业大学工学硕士学位论文 美。比较一致的看法是对换热器设计的追求的目标和发展的方向为：综合传热系 数k 值高；给热流体侧和预热流体侧的压力损失尸值低；体积的紧凑度高，由 此引出的单位体积传热量9 值高；低廉的成本和低廉的价格；性能持久和使用 寿命长；制造容易和操作方便”1 。 换热器不断地发展中求改进，改进中谋发展，单从提高综合传热系数方面束 看，换热器经历了以下几个历史时期： 第一代光滑表面阶段。其间壁为光滑表面的换热器，靠提高流速、减薄 附面层来提高传热量，但必然导致压力损失增加而受到限制，其综合传热系数处 干较低水平。 第二代粗糙表面阶段。通过人为的办法使表面粗糙化，如喷砂、刻凸槽、 刻凹糟、安嚣障碍物、流道的周期扩大和收缩、设置环状拢流物等措施，来增加 流体与固体表面之间的摩擦力和破碎附面层以提高传热量。这种换热器的综合传 热系数可得到提高，而其压力损失不大，有的因有效地利用扛能量，压力损失反 而有所降低。 第三代插入件扰动阶段。采用各种形式( 一字形片、y 字形片、十字形 片、波纹形片，螺旋形片等) 的插入件，插入管内使流体分割和旋转，从而使附 面层受到各个方向来的流体的破坏，导致附瓶层局部的减薄、中断和破损。并且 还因插入件参与了间接的热交换作用( 间壁辐射传热到插入件，插入件对流传热 到流体) 。这时，可使综合传热系数进一步增加。因为插入件使流体扰动剧烈， 其能量损失加大，尤其是无用的局部阻力加大，使得插入件换热器的压力损失往 往较大。 第四代喷流扰动阶段。如果将气体从小孔或窄缝喷流射出到热交换面 上，将大部分流体的附面层减薄、破裂和剥离，则可大幅度地减少传热热阻。同 时由于喷流件的介入，像插入件一样，起中间传热的作用，也增加了传输的热量。 因而喷流的效果是显著的，可使综合传热系数在第三代的基础上有所提高。 第五代贴壁旋流扰动阶段。如果采用片流器、环流器或旋流器，将流股 平行而旋转地射向问壁表面，形成贴壁流动。则可将流体的附面层大面积地剥离 掉，将传热表面裸露于高速气流中，也就可以极大地提高了对流传热系数。配合 在管内采用保持旋流强度的扭曲插入件，在管外焊接长肋片以增加传热面积和辐 射传热量，可使综合传热系数在第四代的基础上进一步提高。 第1 章绪论 根据换热器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说， 对其基本要求有： ( 1 ) 满足工艺过程所提出的要求：热交换强度高，热损失少，在有利的平 均温差下工作； ( 2 ) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单， 装修方便，经济合理，运行可靠； ( 3 ) 设备紧凑； ( 4 ) 保证较低的流动阻力，以减少换热器的动力消耗。 为了达到上述要求，各国都成立了较强的专业研究中心，来进行换热器的研 究。早在上个世纪6 0 年代就在传热工程领域出现了有影响的两大国际性研究集 团，即1 9 6 2 年成立的美国传热公司( h e a t t r a n s f e r r e s e a r c h i r t c ，简称h t r l ) 和 1 9 6 7 年成立的英国传热及流体服务中心( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ， 简称h t f s ) 。在我国，兰州石油机械研究所、通用机械研究所等一些单位，在 换热器的研究和设计方面进行了多年的工作，推动了我国换热器的设计和改进、 技术标准的制定和推广。 1 2 2 微型蒸发器概述 机动车辆、航空以及低温制冷技术领域中紧凑式微通道蒸发器的研究开发已 成为当今的热门之一。由于这些领域对设备占据的空间和重量方面的严格限制推 动传统的换热设备向着更加高效、小型化的方向发展，这些设备已经开始深入电 子、石化、低温制冷、汽车、宇航、通讯、计算机技术、安全技术以及环保等各 个领域。 与普通换热器相比，微型换热器的主要特点在于其单位体积内的换热面积 大，相应地，其单位体积传热系数高达几十至t ) l n m w ( m 3 - k ) ，比普通换热器要 高】一2 个数量级。3 。 换热器不断的发展，对微型蒸发器的设计、制造和应用起到了理论支持作用， 但是对于微型蒸发器的设计、制造还是存在各种各样的困难。根据公开发表的文 献，到目前为止人们对于微型蒸发器的传热机理等的认识还相当有限，许多有关 的研究尚处于起步阶段，并且对同类现象或相近问题的实验结果及分析还没有统 一的认识，没有通用的经验关联式，对工程设计和应用来讲还没有形成合适的技 术指导依据，所以在微型蒸发器的设计上必须注意蒸发器被使用的工作参数范 北京丁业人学工学硕士学位论文 围，因为这将决定蒸发器的传热特性，同时蒸发器尺寸、通道数目、通道长度等 的确定不是随机的，他们之间具有相互制约性，同时通道当量直径受换热量和泵 功率大小的限制。在紧凑式平行微型蒸发器内的流动波动和流量分布均匀也是设 计中应当特别注意的。基于微型蒸发器的研发还面临很多问题，所以探索一些体 积小、重量轻、单位体积换热面积大的微型蒸发器具有非常重要而且现实的意义。 这也正是本课题所要研究的问题。 1 3 国内外研究现状 作为微型蒸发器的主要组成部分微通道，它的发展与进步对整个微型蒸 发器的换热性能的改善至关重要。用在微型换热器上的微通道一般指的是水力直 径在1 0 p m 到3 m m 之间的管道。 近年来，国内外研究人员对微通道进行了各式各样的研究，包括：传热性能 研究、压降研究、流态研究等等。值得一提的是，国外对微通道的研究已经取得 了很大的成效，具体的研究成果见表l 一1 。 表1 1 微通道内蒸发国外文献研究摘要表 t a b l e1 一i s u m m a r yo f i n v e s t i g a t i o n so ne v a p o r a t i o ni nm i n ia n dm i c r o c h a n n e l s 流体类型及参管道尺寸d h 数( m ) ，水平放置传热性能压降方 作者年份流卷备注 g ( k g m 2 s )( 除非有特殊说方面面 q ( k w 曲明) 换热系数在两相区 间保持不变。并由 l a z a r e k 和r 1 1 3 ， 圆形通道各种压 未观热负荷决定。特性 b 1 a c k ，1 9 8 2 g = 1 2 5 7 5 0 d = 3 1 传热系数降及相 测 与大通道相似。获 r 1 8 1o = 1 43 8 0l = 1 2 3 和2 4 6互关系 得压降计算关联 式。 除了在低热流和低 w a m b s g a n s s r h 3 圆形通道 h 受x ，g 束介 质流的情况下，对 g = 5 0 一i 0 0和q 的综未介绍 核态沸腾与对流沸 等，1 9 9 2 2 1 j d = 29 2绍 q = 88 一g o 7 合影响 腾进行了详细的叙 述。 为了比较微通道和 袖珍型通道1 9 9 3 年做了理论研究， b r o w e r s 和r l l 3 袖珍型及微型通 各种压 未研 1 9 9 4 年做了实验研 m u d a w a r q = i 0 0 0 2 0 0 01 岜传热率 降 究 究。事实证到，在 1 9 9 4 1 7 0 2 8 - l _ l m l sd = 25 4 和05 i流体总量环受严格 限制的情况下，袖 珍型通道自勺效粜更 好。 第1 章绪论 表1 - 1 ( 续) 流体类塑及参管道尺寸d h 数，( - ) ，水平放置传热性能压降方 作者年份藏春备注 g ( k g m s ) ( 除非有特殊说方面面 q ( k w d ) 明) 分别进行t 单通道 水和r 1 4 1 b ，矩形通道 和多通道的测试。 m e r t z 等 1 6 ，g ；5 0 1 0 0 ，宽分别为l m ，传热系数核态 在一些情况下，使 1 9 9 6 2 0 0 ，3 0 0 ， 2 m m ，3 m m 长为及热流 无用逆流，观察了多 沸腾 q = 3 2 2 7 3 m m 通道中流动沸腾， 得出核态沸腾占主 导地位 局部传热系数可达 t r a n 1 3 等， r 1 2 ， 圆形通道， 到0 9 4 。研究，在 g = 4 4 8 3 2 ， d = 2 4 5 来研 核态沸腾和对流沸 1 9 9 6矩形通道， 传热系数束研究 究 腾占主导地位的区 q = 3 6 一1 2 9域的传热，并总结 d 1 = 2 4 出核态沸腾段的新 的关联式 在小通道内，造成 k a s z a ：2 3 等 水g = 2 1 ，矩形通道 无无 泡状商传热的原因是存 1 9 9 70 = 1 1 02 5 6 o 5 0 0流成核区增强的气泡 作用。 w a r e f ，在过冷流动沸腾情 t o n g 等，g = 2 5 0 0 圆形通道，过冷流动 总压降 未研况下，测量压降 1 9 9 7 2 4 j4 5 0 0 0 ， d = 1 0 5 2 4 4 沸腾究并得到单相和两相 c t t f = 5 0 8 0 m w m 2流动下的关联式 传熟系数受到壁面 热流、制冷剂饱和 y l y i ey a h r 1 3 4 a 圆形通道，来研 温度的影响。胜降 和 t sl n g f a g = t 0 0 q = 5 2 0 睛2 传热系数总压降 究 受质量流量的影 l i n1 9 9 8响。在某种程度束 说，该传热性能比 大管道的要好。 k a m i d l s和 r 3 圆形通道 单相和两具有极高的换热系 r a v i g u r u r 功率2 5 7 0 0 w d = t5 9 ，2 7 8 ， 相， 未研 数最高能达到1 l 3 9 7 ， 最大h =无k w m 2 。并能得到 a j a n 1 9 9 9 2 5 r e = 1 9 0 - 1 2 5 0 1 1k w m 2 究 完全发展过冷沸 4 6 2 腾。 l i n 儿 等，r 1 4 l b ， 传热系数受质量及 1 9 9 96 - 3 0 0 2 0 0 0 ，圆形通道，d = 1传热系数末研究 末研热流的影响。与大 究型通道实验数据相 0 = l o 1 5 0 似。 盟形多通道，当螺旋管道直径越 d o w n i n g 【2 6 j r 1 1 3 应用范围 d b = o2 3 1 8 6 未研究 单相及未研小压降越j 、。这 等，2 0 0 0没清楚限定螺旋管直径为 两相 究有可能是由于流态 2 8 7 9的变化。 与1 1 种相关的传热 系数进行比较。没 k h o d a b a n d e h r 1 3 4 a 和r 6 0 0 a 测量质量流率，在 和p a l m 2 7 ， 质量流率没被测圆形管道， 由实验确 量 d = 15 定传热系来研究 未研所有实验中，它被 2 0 0 l数 究假定为不变酌，这 q = 2 8 4 2 4 k w m 2样的话，在高传热 系数下，质量流率 会产生大的差异。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 许多研究者如j u n g 等人( 1 9 8 9 ) 和k h a n p a r a 等人( 1 9 8 7 ) 早已指出在 大直径通道中制冷剂的沸腾流动在干度大于0 2 o 3 时是以强迫对流沸腾为主。 然而，在微尺度通道内整个干度范围内，g n e z h a 等人( 1 9 7 6 ) 给出了换热系数 随着热流量的变化，p a n c h a l ( 1 9 8 4 ) 得出换热系数对质量流速不敏感等与大直 径通道内完全不同的沸腾机理。并且，这一点己被c h e n 和w e s t w a t e r ( 1 9 8 4 ) 和p a n c h a l ( 1 9 8 4 ) 从实际的热交换器中得到证实：在整个干度范围内，微尺度 通道传热是以核沸腾机理为主。这个结论也被在光滑微尺度通道中的沸腾研究者 如k e w 和c o m w e l l 、f r a n c e 等、t r a n 等、p e n g 和w a n g 和z h a o 等所支持“”“3 。 m e r t z 等人“对水和r 1 4 1 b 在六个不同的小通道结构沸腾流动进行了大量 的实验研究。观察到多通道中的波动现象和回流现象。最有意思的是，尽管对于 单通道的几乎所有实验中传热系数随着热流量的增加而增加，然而对于水在多通 道结构中( g = 2 0 0k g m 2 ) 的沸腾流动是不同的。对于所有多通道结构中的流 动，传热系数随着热流量的增加而降低。另外，m e r t z 等人还发现在多通道中的 两种流体其传热系数均远高于相同运行条件下运行的单通道中的值。对于r 一1 4 1 b 在多通道布局中的沸腾，热流量的影响是小的。研究者q u 和m u d a w a r “7 3 等对多 通道中的换热也提出了相同的结论：多通道内的核沸腾并不是主要的沸腾传热机 理。换热系数与热流量无关，而依赖于质量流速，并且随干度增加，这些都是强 迫对流的特征。 l a z a r e k 和b l a c k “8 1 对微尺度矩形通道和管道( 3 m m 直径) 内的沸腾流动 特征作了详细的比较，并与k a n d l i k a r 大直径管内沸腾流动关联式相对照。结果 表明在低干度区，关联式与数据的吻合很好。这说明用从大直径管道实验研制的 关联式的近似去估算小直径流道内的换热系数也许是可行的。 c o r n w e l t 和k e w “”通过观察壁温的波动预测出流动的波动。许多研究者在 实验中都观察到了这一现象。正如许多研究人员所发现的那样，流动波动对流动 特性和热传递有较大的影响，所以在小流道内两相沸腾流动关联式建立时必须考 虑流动波动的平均影响。由于大直径管道关联式已考虑了这些影响，而不是罗列 出不同的边界条件，因而它们可以作为小直径圆管或通道情况关联式精确推导的 基础。 清华大学姜培学等人 9 1 对微槽散热器进行了研究，槽宽o 6 m m ，深o 2 r n m ， 用水作为工质研究了微槽换热器的传热及阻力特性等，并与微型多孔散热器进行 第1 章绪论 了比较。 以上文献和大量研究者的研究结果证明，微尺度流道内热传递可以用大直径 管道沸腾流动所发展来的关联式估算“”2 。但是同时也可以看到，用大直径 管道沸腾流动所发展来的关联式，估算微通道内沸腾换热量时部分偏差在3 0 以内，但大于6 0 偏差在文献中也是很常见的。微通道内沸腾换热量的类似传统 换热器的相对准确的沸腾流动关联式还没有建立起来。因微尺度通道内沸腾流动 和换热性能的研究的不成熟，目前微通道内沸腾换热量没有通用的经验关联式。 从这些研究中我们可以看出实验条件不同、工质不同、实验参数不同得出有 出入的结论。这说明到目前为止人们对于小管沸腾换热的传热机理等的认识还相 当有限，许多有关的研究尚处于起步阶段，并且对同类现象或相近问题的实验结 果及分析还没有统一的认识。所以设计微通道蒸发器时应当注意蒸发器使用的工 质、工作参数范围等问题。 有以上这些理论上的研究作为基础，近年来很多学者都在致力于微型制冷系 统的研究，l i t t l e 等1 4 4 咖b u r g e r 等4 5 1 建立了微型低温制冷系统，系统中除压缩机 外其他组件全部用微机电加工技术或常规加工方法制造；i l l i n o i s 大学的一个研究 团队【4 6 1 也尝试着制造了一套可穿戴的微型热泵系统，但是他们的微型压缩机还需 要进一步的改进；d r o s t 等人【4 7 1 建立了一套小型热泵系统，尽管利用了微加工技 术，但整套系统的尺寸还远大于微尺度。总之，如果不通过实验来测试，很难从 设计和加工的细节上评价小型制冷系统的整体性能。 所以总的来说，本课题的研究在国内外所涉及的大部分都是在理论上的研 究，但在具体微型蒸发器成型产品设计上文献还比较少，而能对用于微型热泵系 统中的微型蒸发器的性能进行评价测试更是十分少见。这一课题无论从理论上， 还是实际应用方面都应该是意义重大的。 1 4 本论文的研究内容 对于比较结构比较复杂的微型蒸发器，现有的公开文献并不多，而且涉及的 内容也比较少，多停留在理论研究阶段。我们能做的研究仍然是初步的，本文根 掘已有文献报道，及自身实验条件，做了以下工作： ( 1 ) 设计并加工出一种微型蒸发器； ( 2 ) 搭建一套完整的微型蒸发器性能测试实验台； 北京t 业火学下学硕十学位论文 ( 3 ) 用r 1 3 4 a 来代替传统的热泵制冷剂r 2 2 ，以适应未来几年制冷剂的更新替 换： ( 4 ) 对微型蒸发器进行性能测试实验研究； ( 5 ) 对实验数据进行分析，探讨微通道沸腾换热的传热效果，为以后各种微型 蒸发器的设计及性能评价提供了研究基础。 第2 章蒸发器原理及设计理论 第2 章蒸发器原理及设计理论 2 1 换热器的分类 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给它种流体的设备，称 为热交换器，也就是换热器“1 。在换热器中，至少有两种温度不同的流体参与传 热。一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。 2 1 1 换热器的分类 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、冶金、 电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。按照传热原理分类，可以分 为问壁式、混合式、蓄热式三大类；按照传热种类分，可以分为无相变传热和有 相变传热：按照结构分，则有浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热 器、u 型管式换热器、蛇管式换热器、套管换热器、折流管式换热器、热管式换 热器等；按照用途来分，又可分为预热器( 或加热器) 、冷却器、冷凝器、蒸发 器等等。随着节能技术的飞速发展，适用于不同介质、不同工况、不同温度、不 同压力的换热器种类也在不断的更新发展。 2 1 2 蒸发器的种类、基本构造和工作原理 蒸发器是换热器的一种，它靠在其中流动的制冷剂的蒸发吸收被冷却介质的 热量，致使被冷却介质的温度降低”1 。 按照冷却介质的特性，蒸发器可分为：冷却液体载体载冷剂或工艺产品的蒸 发器，如冷水机组和冷饮机组的蒸发器；冷却空气或气态工艺品的蒸发器，如冷 库、低温箱、冷藏室中的冷风机和冷却排管以及用于某些高速飞机环境控制系统 中的水蒸发器；冷却固态工艺产品的蒸发器，此类蒸发器使用较少。 根据供液方式的不同，蒸发器又可以分为以下四种。 ( 1 ) 满液式蒸发器如图2 一】( a ) 所示。该种蒸发器内充满了液态制冷剂，这 样n j 使传热商尽量与液态制冷剂接触，斟此，沸腾放热系数较高，但是这种蒸发 器需要充大量制冷剂。 满液式蒸发器按照不同的结构又可分为卧式壳管蒸发器( 图2 2 ) 和水箱式 蒸发器( 图2 3 ) 。 为了降低水或赫水的瀛度，制冷系统中多采用卧式壳管蒸发器，它的构造与 兰耋三、业查兰三耋翟圭兰兰兰兰 i 划2 - 1 蒸发器的类型 f i g u r e2 - 1c i a r i f yo f e v a p o r a t o r 幽2 - 2 卧式壳管蒸发器 f i g u r e2 - 2h o r i z o n t a ls h e l l - t u b ee v a p o r a t o r 卧式冷凝器相似。 卧式壳管蒸发器的简体由钢板焊成，筒体两端各焊有管板，板问焊接或胀接 许多根水平传热管。而侧管板的外面各装有带隔板的封盖，靠隔板将水平管束分 成l 个管组( 通程) ，使通入的被冷却水顺序地沿各管组流过，以便提高管中的水 流速度，增强传热。 卧式壳管蒸发器结构紧凑，制造工艺简单，金属消耗量少，而且传热性能好。 在氟利昂制冷系统中，目前也使用卧式壳管蒸发器，此时，为了提高制冷剂的沸 腾放热系数，多用低肋铜管代替光滑钢管，其传热系数一般为3 5 0 4 5 0 w ( m 2 k ) 。 卧式壳管蒸发器存在两个缺点：其一使用时必需经常注意蒸发压力的变化， 以免蒸发压力过低，使被冷却的水( 甚至盐水) 结冻，胀裂传热管；其二，蒸发器 第2 章蒸发器原理及设计理论 的容水量少，运行过程中热稳定性差，即水温易发生较大的变化。水箱式蒸发器 n j 消除此缺点。 图2 - 3 立管式冷水箱式蒸发器 f i g u r e2 - 3v e r t i c a l t u b ec o o lw a t e rt a n ke v a p o r a t o r 图2 3 为立管式冷水箱式蒸发器：水箱m 钢板焊接而成，其中装有两排或多 排管组，每捧管组又由下集管、上集管以及介予其问的许多立管组成。 节流后的低压液态制冷剂从上部穿过中f 团根较粗的立管进入蒸发管组，进 液管几乎伸至卜_ 集管，这样，保证液体矗接进入f 、集管，并能较均匀地分配到备 根屯管。立管内充满液态制冷剂，其液面几乎达到上集管。气化以后的制冷剂， 上j 1 至上集管，经液体分离器分液后，被制冷压缩桃吸回。立管式蒸发器，由于 制冷剂是由下部进入，上部流出，符合液体沸腾过程的运动规律，所以循环良好， 沸腾放热系数较高。 立管式冷水箱传热效果良好，当用以冷却淡水时，其传热系数约为5 0 0 5 5 0 w ( m 2 k 1 ；冷却盐水时，传热系数约为4 0 0 4 5 0 w ( m l k ) 。广泛地用丁二氨制 冷系统。立管式冷水箱性能虽好，但制造复杂，因此近年来有采用螺旋盘管代替 立管的，既保证了良好的传热效果又可减少加工工作量。 ( 2 ) 非满液式蒸发器非满液式蒸发器，如图2 1 ( b ) 所示：液念制冷剂经 膨胀阀直接进入蒸发器管内( 最好从下部进入) ，随着在管内流动，不断吸收管外 被冷却介质的热量，逐渐气化，故蒸发器内的制冷剂处于气、液共存状态。这种 北京工业大学工学硕士学位论文 蒸发器克服了满液式蒸发器的缺点，器内充液最小。然而山于有较多的传热面与 气念制冷剂接触，所以其传热效果不及满液式。 非满液式蒸发器按照不同的结构和用途也可以再分为干式壳管蒸发器( 矧 2 - 4 ) 和真接蒸发式空气冷却器( 图2 5 ) 。 干式壳管蒸发器属于非满液式，它的构造与壳管式蒸发器相似，参见图2 4 。 它与满液式壳管蒸发器的土要不同点是制冷剂在管内流动，丽载冷剂在管束外的 空问内流动，简体内横跨管束装有若十块隔板，以增加载冷剂横掠管束的流速。 图2 4l 。式壳符蒸发器 f i g u r e2 - 4d r ，p r o c e s sl u b e - s h e l le v a p o r a t o r 液态制冷剂经膨胀阎减压以后，从下部进入管组，随着在管内流动，带4 冷剂 不断地吸收载冷剂的热量，逐渐气化，直到完全变成饱和蒸汽或过热蒸汽后，从 上部接管流出吸回制冷压缩机。由此可咀看出，这种蒸发器的传热面几乎仝部 郡是 j r 度不同的湿蒸汽接触，敝属j ：非满液式蒸发器。这种蒸发器的充液量小， 为了保证系统的正常运行，充液量只为管内容积的4 0 左右。再者，只要管内 制冷剂的流速大于定数值( 约4 t r d s ) ，就可保证润滑油顺利地返回压缩机。此外， 山于载冷剂在管外，故冷损失较少，而且还可以减缓冻结的危险。 干式壳管蒸发器的传热效果良好，其传热系数约为5 0 0 5 5 0 w ( m 2 k ) 。 为了增强传热，冷藏库、尤其是空气渊节设备多采用强迫对流的直接蒸发式 空气冷却器。这样做的优点是：不用载冷剂，丽直接靠液态制冷剂的蒸发来冷却 宅t ，冷损失少，且房闻降温速度快，可以减少起动运行时间；结构紧凑，机房 占地面积少：管理方便，易于实现运行过程自动化。 图2 5 是直接蒸发式空气冷却器的构造示意图。制冷剂通过各路肋管时，从 第2 章蒸发器原理及设计理论 外部流过的空气r l 吸收热量，逐渐变成丁度较大的湿蒸气、饱和蒸气、过热蒸气， 晟后从总管排出。 图2 - 5 直接蕉发式空气冷却器 f i g u r e2 - 5d i r e c te v a p o r a t i o nt y p ea i rc o o l e r 直接蒸发式审。i 冷却器的传热系数也不十分离，当迎面风速为2 3 m s 时， 其传热系数约为3 0 4 0 w ( m l k ) 。 ( 3 ) 循环式蒸发器如图2 一l ( c ) 所示。这种蒸发器是靠泵使制冷剂存蒸发 器内进行强迫循环，其循环量约为制冷剂蒸发量的4 6 倍，因此，与满液式蒸 发器相似，沸腾放热系数较高，丽且润滑油不是积存在蒸发器内，但它的设备费 较高，故多用于人型冷藏库。 ( 4 ) 淋激式蒸发器如图2 1 ( d ) 所示：该种蒸发器中只充灌少量制冷剂， 借助j 二泵将液态制冷剂喷潜在传热面上，这样可以减少系统中制冷剂的充注量， 并且还可以消除由于蒸发器内静液高度剥蒸发温度的影响。鉴于它的设备赞用 高，故适用于蒸发温度很低( 或蒸发压力很低) 、制冷剂价格较高的制冷装胃。 21 3 紧凑式蒸发器 不少国内外文献都详细介绍了许多国内外学者和技术人员设计的各种各样 的紧凑式小型蒸发器，虽然它们各自的换热性能有好有坏，差异较大，但是总的 来说，这些形式各样的紧凑式蒸发器的出现为将来微型蒸发器的发展提供了参考 与借鉴。下面具体介绍几种国内外新型紧凑式蒸发器： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 螺旋板式蒸发器螺旋板换热器是一种高效热交换设备，广泛地应用 于各工业部门，是国家推广的节能产品，而螺旋板式蒸发器则是螺旋板换热器在 制冷系统中的应用。我国螺旋板式换热器发展落后，在产品品种、结构设计及制 造技术等方面还停留在4 0 5 0 年代水平上，与瑞典先进的阿法一拉伐热工设备 公司的产品相比，差距很大。而运用到微型蒸发器上的就更少见。但是螺旋板式 换热器在微型蒸发器方向的发展具有很大的潜力。 螺旋板式换热器是由两张间隔一定距离的平行薄金属板卷制而成( 图2 6 ) 。 在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将两螺旋形通道隔 开。两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盏板，冷热流体分 别通过两条通道，在换热器内逆流流动，并通过薄板进行换热。 螺旋板式换热器具有如下优点：传热系数高：不易结垢：可采用低温热源； 结构紧凑；容易清洗。 臁 j 一 b 。 u 。l 麓 哥 r 曼 剿 i r a - j 。 圃脚洋； 嘲 、 图2 - 6 螺旋板式蒸发器示意图 f i g u r e2 - 6s p i r a l - s h e e te v a p o r a t o r ( 2 ) 板壳式蒸发器法国b a r r i q a u a n d 公司研制了板壳换热器，并取得了 成功。实验证明，它结合了板式换热器和列管式换热器的优点，是一种优良的换 热器。近年来，欧美等发达国家已竞相研制，并在石化、电力、冶金和环保等工 业生产领域广泛应用。国内也已有少数单位进行了研制开发。 板壳式换热器是一类由矩形波纹板片和壳体构成的换热器( 图2 7 ) 。在板 片的2 个对角上各设置1 个导通孔，作为板内流体的进出口。在叠置的相令j j 干专热 板片的四周和导通孔处相间地用电阻缝焊( 亦称滚焊) 焊接，形成封闭的平行板内 第2 章燕发器原理及设计理论 通道。板外流体需要由壳体来包容，其进出口设置在壳体上。 1 板外通道进出i - i2 扳内通道进出u 3 。撅外通道4 极阳通道5 戎体6 导通扎 图2 7 板壳式换热器 f i g u r e2 - 7s h e e t - s h e l lh e a te x c h a n g e r 板壳式换热器具有如下优点：传热效率高：密封方式可靠；耐腐蚀，寿命长： 质量轻，体积小；制造成本低；流动阻力小；结垢少；适应性强。当前，板壳式 蒸发器还未发展起来，但是由于板壳式换热器具有很多优点，所以研制运用于制 冷系统的板壳式蒸发器具有很大的可行性，并且对微型蒸发器也是一个伟大的革 新。 ( 3 ) 射流冲击式蒸发器在般工业生产中，纺织品、纸张、木材等的干 燥，玻璃的回火，钢材的冷却及加热，内燃机活塞的油冷、核反应堆的紧急冷却、 计算机高热负荷微电子元件的冷却等，都普遍地应用了射流冲击技术。所以说， 射流冲击式换热是一种高效的强化换热的方式，它在微型换热器中的应用有着广 阔的发展前景。 喷流换热器的理论基础是用冷的流体介质高速喷到热交换表面，由于冲击作 用，产生紊流流动，使粘性流体边界层的层流层具有紊流性质，当流体和固体表 面有温度差时，就产生强烈的热交换。喷流换热器的理论基础是用冷的流体介质 高速喷到热交换表面，由于冲击作用，产生紊流流动，使粘性流体边界层的层流 层具有紊流性质，当流体和固体表面有温度差时，就产生强烈的热交换。由于喷 流可以强化对流热交换，有较高的给热系数，所以喷流换热器引起国内外的重视 与研究。日本某公司研制加热炉喷流换热装置，使热耗下降到1 2 1 0 k j k g 的先进 水平。美国一公司早在2 0 世纪7 0 年代未即开始研究，并在三座带钢退火炉上安装 了喷流回收余热装黄，在产量提高的