交错互通微通道网格板的孔隙特性与传热性能

交错互通微通道网格板的孔隙特性与传热性能*

贺占蜀1王培卓1李大磊1李延民1马泳涛1汤勇2

(1.郑州大学 机械工程学院, 河南 郑州 450001;

2.华南理工大学 表面功能结构先进制造广东普通高校重点实验室, 广东 广州 510640)

摘要：采用多片叠合铣刀加工一种具有规则孔隙的表面热功能结构——交错互通微通道网格板(简称网格板).通过理论计算得出网格板的孔隙率、体积比表面积、重量比表面积等孔隙特性,并研究孔隙特性随微通道间距、微通道深度以及微通道宽度的变化规律.然后将网格板置于板式换热器中,分析体积流量、孔隙率以及体积比表面积对压降与传热性能的影响.结果表明:通过调节微通道间距、微通道深度和微通道宽度,孔隙率可以在10.9%～88.0%范围内变化,体积比表面积可以在2.89～6.40mm-1范围内变化；网格板可使换热器的传热性能提升近3倍；同等条件下,高孔隙率和大体积比表面积的网格板强化传热效果较好.

关键词：微通道；网格板；孔隙率；换热器；传热；压降

中图分类号：TB383

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.007

交错互通微通道网格板(CCMMP，简称网格板)是一种薄板两面具有垂直正交的微通道,且两面微通道交错互通形成网孔的表面热功能结构[1-2].微通道可增大传热面积,而规则的网孔有利于成核与气泡溢出,因而可以用于强化单相传热和相变传热.

Ramaswamy等[3]将交错互通微通道网格板应用于热虹吸器.发现热虹吸器性能随着网孔数目的增多和网孔尺寸的增大而显著增强.Murthy等[4]将网格板应用于热虹吸器的蒸发部分,研究发现网格板可以显著降低壁面温度.Ghiu等[5]研究不同微通道宽度和间距的网格板的沸腾传热性能.研究发现,沸腾传热性能随微通道宽度的增大而增强,而随微通道间距的增大而减弱.Launay等[6]以PF5060氟化液和去离子水为工质,对多种表面热功能结构进行测试,结果表明使用交错互通微通道网格板的热虹吸器的热通量最大.

表面热功能结构[7-8]一般既可以实现单相传热的强化,也可以实现相变传热的强化[9-10].然而目前交错互通微通道网格板大多应用于相变传热,尚未检索发现应用于单相传热.因此,文中通过理论计算得出交错互通微通道网格板的孔隙率、体积比表面积、重量比表面积等孔隙特性,然后将网格板置于板式换热器中,研究体积流量、孔隙率以及体积比表面积对压降与传热性能的影响.

1实验

1.1加工方法

图1为多刀铣削加工交错互通微通道网格板的现场加工图.所用刀具为多片叠合铣刀,由刀柄、锁紧螺母、多把锯片铣刀与多个垫片组成.刀具和垫片相互叠合在一起,可以同时加工多个微通道.实验在X5032普通立式铣床上进行,工件为90mm×90mm×2mm的T2紫铜板.铣刀首先在基板一面铣削出微通道,而后在基板另一面铣削出与第一面微通道垂直正交的微通道,两面的微通道深度相同,且都大于基板厚度的一半,因而两面微通道将交错互通形成许多网孔.加工完成后,可以根据需要截下任意尺寸与角度的网格板(见图2).

图1　多刀铣削加工CCMMP Fig.1　Fabricating CCMMP by multi-cutter

图2　交错互通微通道网格板 Fig.2　Cross-connected microchannel mesh plate

1.2换热器结构

由图3可知,换热器由2块盖板和2块装有网格板的换热板叠合组成,并通过螺栓固定连接,外部采用保温棉进行保温.换热器整体外形尺寸约为96mm×86mm×25mm.换热板的基板尺寸为96mm×86mm×2.5mm.为减小热阻,换热板材料与网格板一样选用T2紫铜.换热板流体流过区域包括入口分流腔、网格板、出口合流腔三部分.两块换热板腔体设计为对称状,分别用作冷流体和热流体的流道.冷、热流体先经入口分流腔分流到网格板内,并在网格板内实现了大部分热量的传递,而后经出口合流腔汇合,最终分别流出换热器.其中,入口分流腔的分流作用有利于流体均匀分布于网格板中进行换热.

1.3测试装置

传热性能测试装置(见图4)主要由冷水供应部分、热水供应部分和温度与压力信号采集系统3部分组成.冷水供应部分采用自来水作为工质,水温接近恒定值27℃.热水供应部分通过REX-C100温控仪,使换热器热水入口处水温保持在70℃.图4中虚线为冷水流动方向,实线为热水流动方向,换热器为逆流换热方式.两部分皆采用气压驱动流体流动.通过调节LZB-4型0～10L/h玻璃转子流量计改变热水和冷水的流量,并保证两种流体体积流量相等,在2～10L/h之间调整,每次递增2L/h.冷、热水的进出口温度采用4根K型热电偶测量.然后利用研华ADAM-4018数据采集卡对测量的温度信号进行采集,最后输送到计算机内进行处理.同时,由DP1300-DP5E22B1N电容式压差变送器测量冷水流过换热器时的压降.

(a)换热器

(b)装有CCMMP的换热板(单位:mm) 图3　换热器与装有CCMMP的换热板 Fig.3　Heat exchanger and a heat exchange plate packed with a CCMMP

图4　传热性能测试装置 Fig.4　Heat transfer performance testing equipment 　1—热水箱;2—冷水箱;3—REX-C100温控仪;4—LZB-4型0～10L/h玻璃转子流量计;5—换热器;6—气瓶;7—研华ADAM-4018数据采集模块;8—DP1300-DP5E22B1N电容式压差变送器；9—计算机

实验采用单位体积传热系数KV评价传热性能，

KV=Q/(VψΔt)

(1)

参考文献式中：V为总传热体积；t为对数平均温差,ψ为对数平均温差的修正系数,t的计算与ψ的取值[11]；Q为冷热水之间的换热总量,本实验中热水放出的热量表示为Qh,而冷水吸收的热量表示为Qc.考虑到热损失,本实验采用Qc作为冷热水之间的换热总量.

Q=Qc=ρwqVCp(tco-tci)

(2)

式中,ρw、qV和Cp分别为水的密度、体积流量和定压摩尔比热容,tci和tco分别为冷水入口和出口温度.

2结果与讨论2.1孔隙特性

由于网孔的存在,网格板呈现出多孔材料的孔隙特性,但与泡沫金属等多孔材料不同,网格板的孔隙结构是规则的.因此,可以通过计算得到孔隙率、重量比表面积、体积比表面积等孔隙特性.

2.1.1孔隙率

首先在网格板内取一最小单元(如图5所示,图中剖面线部分为各单元连接位置).经计算,该最小单元的理论孔隙率,即网格板的理论孔隙率为

(3)

式中：Ws为微通道间距，0.5～1.0mm；Wc为微通道

图5　CCMMP的最小单元 Fig.5　Smallest unit of CCMMP

宽度，0.1～0.4mm；Hc为微通道深度，1.1～1.5mm；Ha为基板厚度，2mm.

由图6(a)可知,在相同条件下,孔隙率P随着Ws的增大而减小.当Wc较小时,P下降速度较小;当Wc较大时,P下降速度较大.如图6(b)所示,P随着Hc的增大而增大,但增长速度十分缓慢.而Hc的增

( a)P随W s的变化曲线

( b)P随H c的变化曲线

( c)P随W c的变化曲线

大将降低网格板的机械强度[12],因此Hc只须略大于Ha/2即可.从式(3)可以看出,P是以Wc为自变量的二次函数,其变化曲线应为抛物线.但由图6(c)可知,在本实验的Wc范围内P随Wc的增加而增大,且增长速度较大.综合发现,孔隙率P可以在10.9%～88.0%之间变化,对P的影响程度从大到小依次为Wc、Ws、Hc.

2.1.2体积比表面积

同样,计算得出网格板的体积比表面积为

(4)

由图7(a)可知,体积比表面积SV随Ws的增大

( a)S V随W s的变化曲线

( b)S V随H c的变化曲线

( c)S V随W c的变化曲线

而快速减小.而SV随着Hc的变化规律与Ws、Wc有关.由式(4)可知,当Ws-2Wc>0时,SV随Hc线性增大.反之,当Ws-2Wc<0,SV时随Hc线性减小.而当Ws-2Wc=0时,SV不随Hc变化,如图7(b)所示.而SV随着Wc的变化规律则与Ws、Hc、Ha有关.由式(4)可知,当Ws+2Ha-4Hc>0时,SV随Wc线性增大.反之,当Ws+2Ha-4Hc<0时,SV随Wc线性减小.当Ws+2Ha-4Hc=0时,SV不随Wc变化,见图7(c).综合发现,SV可以在2.89～6.40mm-1之间变化,对SV影响最大的是Ws.

2.1.3质量比表面积

同样,计算得出网格板的质量比表面积为

(5)

式中,材料密度ρ为固定值.为了方便研究,将Smρ作为独立变量用于评估质量比表面积.由图8(a)可知,Smρ随着Ws的增大而减小,Wc越大,Smρ随着Ws减小的速度越大.由图8(b)可知,Smρ随着Hc的增加而增大,但增长速度较小.由图8(c)可知,Smρ随着Wc的增加而增大,而且增长速度逐渐变大.综合发现,Ws和Wc对Smρ影响都很大,Hc对Smρ影响最小.

( a)S mρ随W s的变化曲线

( b)S mρ随H c的变化曲线

( c)S mρ随W c的变化曲线

2.2压降与传热性能

本实验中,8种不同规格的网格板(见表1)先后装入换热器,从而研究其压降与传热性能.8种网格板尺寸皆为70mm×40mm×2mm,因体积固定不变,所以网格板的传热面积只与体积比表面积SV有关.

表1CCMMPS参数Table1ParametersofCCMMPs

序号Wc/mmWs/mmHc/mmP/%SV/mm-1CCMMP-10.20.71.232.74.39CCMMP-20.20.71.436.74.63CCMMP-30.21.01.223.23.44CCMMP-40.21.01.426.43.68CCMMP-50.40.91.249.43.72CCMMP-60.40.91.454.33.77CCMMP-70.41.21.237.83.11CCMMP-80.41.21.442.23.22

2.2.1测量不确定度与热平衡

本实验中,DP1300-DP5E22B1N电容式压差变送器的精度为1.25%,那么压降p的不确定度为

加工换热板的铣床精度为0.01mm,那么换热板的体积V的不确定度为

K型热电偶的精度为0.1℃.本实验中tco-tci≥17.8℃,对数平均温差Δt≥17.0℃,两者的不确定度为

LZB-4型玻璃转子流量计的精度为5%,那么qV的不确定度为

经计算,Q与KV的不确定度为

本实验通过计算热水放出的热量Qh与冷水吸收的热量Qc对热平衡进行分析,热平衡偏差η为

实验稳定后η保持在8%以内,因此认为本实验数据可靠.

2.2.2影响压降的因素

(1)体积流量qV对压降p的影响

由图9可知,当qV较小时,与空流道相比,装入网格板后的压降略微增大;随着qV的增大,装入网格板后的压降逐渐明显大于空流道.如CCMMP-3在10L/h时的压降已高达1890.5Pa,比空流道时增大近1倍.这是因为装入网格板后,流道有效流通面积减小,工质流入与流出网格板时出现局部压力损失;同时工质流过网格板时与通道壁面的摩擦还产生了沿程压力损失.不仅如此,网孔的存在迫使流体不规则流动,流体不断地被分割和混合,水的湍流程度因而增强[13],导致较大的能量损失.

图9　压降 p随体积流量q V的变化曲线 Fig.9　Change curves of pressure drop Δpwith q V

无论是空流道,还是装有网格板,压降Δp都随着qV的增加而逐渐增大.当qV从2L/h增到10L/h时,空流道的压降从93.8Pa增至920.2Pa,而装有网格板的压降增幅更大,3号板的压降从221.4Pa增至1890.5Pa.p随qV的增长速度逐渐加快,大致呈指数规律,遵循Forchheimer方程[14].

由图10可知,在qV相同时,流体流经高孔隙率网格板时的压降较小,54.3%孔隙率(CCMMP-6)的网格板在10L/h时对应的压降为1252.4Pa.而低孔隙率网格板的压降p较大,23.20%孔隙率(CCMMP-3)的网格板在10L/h时的压降已高达1890.5Pa.这是因为低孔隙率网格板的有效流通面积较小,流体流入与流出网格板时的局部压力损失更大.因此压降最终呈现随孔隙率增大而减小的趋势.为减小压降,在满足其他使用要求的条件下,应尽量选用高孔隙率的网格板.

图10　不同孔隙率P的交错互通微通道网格板的压降 p Fig.10　Change curves of pressure drop Δp with the porosity p of cross-connected microchanel mesh plate

2.2.3传热性能

(1)体积流量qV对传热性能的影响

由图11可知,空流道与装有网格板的单位体积传热系数KV随qV的变化规律相同,都是随着qV的增大而增大,增长速度也都随着qV的增大而减小.当qV较小时,装有网格板时的KV比空流道略微增大.随着qV不断增大,装有网格板时的KV将大大超过空流道.例如,当qV为10L/h,空流道时的KV为181.3kW/(m3·K),而装有2号网格板时KV高达720.8kW/(m3·K),比空流道时提升近3倍.这是由于相比空流道,一方面网格板不仅增大了传热面积,另一方面网格板内的孔隙结构具有热弥散效应,流体流动时与微通道表面不断发生碰撞[15-16],最终换热效果得到极大的增强.

图11　单位体积传热系数K V随体积流量q V的变化曲线 Fig.11　Change curves of heat transfer coefficient per unit volume K V with q V

(2)孔隙率P与体积比表面积SV对传热性能的影响

实验发现,网格板的强化传热效果与其孔隙率P和体积比表面积SV都有关.但P与SV同时变化,无法固定其中一个参数,而后任意调整另一个参数.不过可以从网格板中选取某一参数近似相等的网格板,对比研究另一参数的影响.由表1可知,2号板与7号板的P接近,而2号板的SV明显大于7号板.在qV较小时两块板差距不明显,随qV增大2号板的KV明显大于7号板.尤其在10L/h,2号板的KV为720.8kW/(m3·K),比7号板大182.9kW/(m3·K).这是由于在实验的定体积情况下,体积比表面积越大,网格板的传热面积必然越大,强化传热效果自然越明显.4号板与5号板的SV接近,而5号板的P明显大于4号板.在qV较小时两块板差距不明显.随着qV的增大,5号板的KV明显大于4号板.尤其在10L/h,5号板的KV为615.0kW/(m3·K),比4号板大87.6kW/(m3·K).这是由于低孔隙率网格板的网孔较小且数量较少,流体不易穿过网孔均匀分布到整个网格板中,因而传热性能较低;而高孔隙率网格板的网孔较大且数量较多,流体容易穿过网孔均匀分布到整个网格板中,因而传热性能较高.

3结论

(1)交错互通微通道网格板的孔隙率P、体积比表面积SV和重量比表面积Sm取决于微通道间距Ws、微通道深度Hc以及微通道宽度Wc.P可以在10.9%～88.0%范围内变化,对P的影响程度从大到小依次为Wc、Ws、Hc.SV可以在2.89～6.40mm-1范围内变化,对SV影响最大的是Ws.Ws和Wc对Sm影响都很大,Hc对Sm影响最小.

(2)无论是空流道,还是装有交错互通微通道网格板,压降p都随着体积流量qV的增加而逐渐增大,并且p随孔隙率P增大而减小.本实验中,微通道宽度0.4mm、间距0.9mm、深度1.4mm的网格板CCMMP-6压降最小.

(3)网格板可使换热器的传热性能提升近3倍.单位体积传热系数KV随qV增大而增大.在qV相同时,高孔隙率和大体积比表面积的网格板的KV更大.本实验中,微通道宽度0.2mm、间距0.7mm、深度1.4mm的网格板CCMMP-2强化传热效果最大.

参考文献：

[1]TangYong,HeZhan-shu,LuLong-sheng,etal.Burrformationinmillingcross-connectedmicrochannelswithathinslottingcutter[J].PrecisionEngineering,2011,35(1):108-115.

[2]池勇，汤勇，陈锦昌，等.微小型毛细泵环热控制系统及其制造技术[J].机械工程学报，2007，43(12):166-170.

ChiYong,TangYong,ChenJin-chang,etal.Miniaturizedcapillarypumpedloopheatcontrollingsystemandit’smanufacturingtechnique[J].JournalofMechanicalEngineering,2007,43(12):166-170.

[3]RamaswamyC,JoshiY,NakayamaW,etal.Effectsofvaryinggeometricalparametersonboilingfrommicrofabricatedenhancedstructures[J].ASMEJournalofHeatTransfer,2003,125(1):103-109.

[4]MurthySS,JoshiYK,NakayamaW.Singlechambercompacttwo-phaseheatspreaderswithmicrofabricatedboilingenhancementstructures[J].IEEETransactionsonComponentsandPackagingTechnologies,2002,25(1):156-163.

[5]GhiuCD,JoshiYK.BoilingPerformanceofsingle-layeredenhancedstructures[J].JournalofHeatTransfer,2005,127(7):675-683.

[6]LaunayS,FedorovAG,JoshiY,etal.Hybridmicro-nanostructuredthermalinterfacesforpoolboilingheattransferenhancement[J].MicroelectronicsJournal,2006,37(11):1158-1164.

[7]汤勇,潘敏强,汤兴贤.表面热功能结构制造领域的发展及关键技术[J].中国表面工程,2010,23(1)：1-8.

TangYong,PanMin-qiang,TangXing-xian.Developmentandkeymanufacturetechniqueoffunctionalsurfacestructuresforheattransfer[J].ChinaSurfaceEngineering,2010,23(1)：1-8.

[8]王清辉,郑旭,潘敏强,等.三维表面微观形貌建模与微通道流动特性仿真[J].华南理工大学学报：自然科学版,2011,36(6):1-6.

WangQing-hui,ZhengXu,PanMin-qiang,etal.Microtopographicmodelingofthree-dimensionsurfacesandsimulationofflowcharacteristicsoffluidinmicrochannels[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechnology：NaturalScienceEdition,2011,36(6):1-6.

[9]康盈,柳建华,张良,等.微通道换热器的研究进展及其应用前景[J].低温与超导,2012,40(6):45-48.

KangYing,LiuJian-hua,ZhangLiang,etal.Theresearchprogressandapplicationprospectofthemicrochanelheatexchanger[J].CryogenicsandSuperconductivity,2012,40(6):45-48.

[10]王辉,汤勇,余建军.相变传热微通道技术的研究进展[J].机械工程学报,2010,46(24):101-106.

WangHui,TangYong,YuJian-Jun.Recentadvancesofthephasechangemicro-channelcoolingstructure[J].JournalofMechanicalEngineering,2010,46(24):101-106.

[11]TangYong,HeZhan-shu,PanMin-qiang,etal.Ring-shapedmicrochannelheatexchangerbasedonturningprocess[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2010,34(8):1398-1402.

[12]李大磊,贺占蜀,汤勇.交错互通微通道多孔网格板的力学性能研究[J].中国机械工程,2013,24(14):1951-1956.

LiDa-lei,HeZhan-shu,TangYong.Mechanicalpropertiesofcross-connectedmicrochannelporousmeshplate(CCMPMP)[J].ChinaMechanicalEngineering,2013,24(14):1951-1956.

[13]SertkayaAA,AltinisikK,DincerK.Experimentalinvestigationofthermalperformanceofaluminumfinnedheatexchangersandopen-cellaluminumfoamheatexchangers[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2012,36:86-92.

[14]LacroixM,NguyenP,SchweichD,etal.PressuredropmeasurementsandmodelingonSiCfoams[J].ChemicalEngineeringScience,2007,62(12):3259-3267

[15]GhafarianM,Mohebbi-kalhoriD,SadegiJ.Analysisofheattransferinoscillatingflowthroughachannelfilledwithmetalfoamusingcomputationalfluiddynamics[J].InternationalJournalofThermalSciences,2013,66:42-50.

[16]MancinS,ZilioC,DianiA,etal.Experimentalairheattransferandpressuredropthroughcopperfoams[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2012,36:224-232.

PoreCharacteristicsandHeatTransferPerformanceofCross-Connected

MicrochannelMeshPlates

He Zhan-shu1WangPei-zhuo1LiDa-lei1LiYan-min1MaYong-tao1TangYong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China;

2.KeyLaboratoryofSurfaceFunctionalStructureManufacturingofGuangdongHigherEducationInstitutes,

SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:Firstly, a functional surface structure with regular pores for heat transfer, namely cross-connected microchannel mesh plate (CCMMP), was designed and fabricated via multi-cutter milling. Secondly, three pore characteristic parameters, namely porosity, specific volumetric surface area and specific weight surface area, were theoretically calculated, and the effects of microchannel interval, depth and width on these three parameters were investigated. Then, CCMMPs were applied to a plate heat exchanger to analyze the pressure drop and the heat transfer performance affected by volume flow, porosity and specific volumetric surface area by experiments. The results show that (1) the porosity ranges from 10.9% to 88.0% and the specific volumetric surface area ranges from 2.89mm-1 to 6.40mm-1 if the interval, depth and width of microchannels are all adjusted correctly; (2) CCMMPs quadruple the heat transfer performance; and (3) high porosity and large specific volumetric surface area are favorable to heat transfer.

Keywords:microchannel;meshplate;porosity;heatexchanger;heattransfer;pressuredrop