平板微熱管陣列換熱器的研究現狀與展望

摘要：平板微熱管陣列換熱器作為一種高效的傳熱設備，在當前節能減排的背景下具有廣闊的應用前景。本文主要針對平板微熱管陣列換熱器的優化研究應用現狀，進行總結分析，得出其傳熱性能主要影響因素有：平板微熱管陣列的微槽尺寸、工質選擇、充液率、傾斜角度及換熱器的翅片結構尺寸、熱流量、運行溫度、流動特性等，這些都會對其產生性能影響。在上述性能影響因素當中，對于平板微熱管陣列換熱器翅片結構尺寸參數的優化研究相對來說仍然較少，需要進一步的重視和探究。

關鍵詞：平板微熱管陣列換熱器；平板微熱管陣列；研究現狀；傳熱性能

中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A """"" 文章編號：

Current Research Status and Prospect of Flat Plate Micro-Heat Pipe Array Heat Exchangers

LIU Zhenghong1，LENG Bingbing2， ZHAO Shiqi1， JING Ling1， YANG Jingang1*

（1：School of Municipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China;2：State Grid Jilin Electric Power Co.， Ltd. Changchun Power Supply Company，Changchun Jilin 130028，China）

Abstract：As an efficient heat transfer equipment， flat plate micro-heat pipe array heat exchanger has a broad application prospect in the context of energy saving and emission reduction. This paper mainly summarizes and analyzes the optimization and application status of flat plate micro-heat pipe array heat exchanger， and concludes that the main influencing factors of its heat transfer performance are： the micro-slot size of flat plate micro-heat pipe array， working medium selection， liquid filling rate， tilt angle， fin structure size of heat exchanger， heat flow rate， operating temperature， flow characteristics， etc.， which will affect its performance. Among the above performance influencing factors， the optimization of fin structure size parameters of plate micro-heat pipe array heat exchanger is still relatively few， which needs further attention and exploration.

Keywords： flat plate micro-heat pipe array heat exchanger; flat plate micro-heat pipe array; research status; heat transfer performance

0 引言

在當今社會快速發展的背景下，能源消耗所導致的全球變暖和環境污染已經成為全世界關注的焦點。為了應對這一挑戰，各個國家紛紛采取措施，實施低碳發展模式，以實現環境保護和可持續發展的雙重目標[1]。2021年11月，第26屆聯合國氣候變化大會再次強調了《巴黎協定》中的目標，即將全球平均氣溫上升控制在工業化前水平的2 ℃以下，并努力將氣溫上升限制在工業化前水平的1.5 ℃以下[2]。根據測算，為了實現這一目標，2020年—2050年，中國需要在保持社會經濟發展的同時，實現碳減排超過2/3以上的目標[3]。為實現碳減排目標，節能減排技術的開發和應用尤為重要，包括調整能源結構，加大低碳或清潔能源的使用占比；調整產業結構，逐漸淘汰高污染、高排放產業，轉而發展高精尖技術產業；提高能源利用效率，增加余熱和廢棄物回收設備。當前階段，提高能源效率占據節能減排技術發展的首要地位，而換熱器的優化研究應用是其中的關鍵技術。

平板微熱管陣列作為一種高效的傳熱裝置，因其能夠快速傳遞和分散熱量，所以在近年來得到了重點的應用和發展。將平板微熱管陣列應用到換熱器當中，使得其具備了體積小、傳熱效率高、傳熱速度快和適應性強等特點，因此在電子電器、冶金化工、新能源等領域得到了廣泛的應用。平板微熱管陣列換熱器擁有的獨特性能，使其成為替代傳統換熱設備的理想選擇。

1 平板微熱管陣列換熱器的簡介

平板微熱管陣列外形呈平板狀，是由多個內部帶有微槽結構的熱管組成，每個內部熱管直徑僅為50μm～3 mm，長度為5 mm～90 cm，如圖1所示。

平板微熱管陣列的工作原理類似于傳統熱管，通過熱傳導和相變原理實現熱量的傳遞和散熱。平板微熱管陣列中每個帶有微槽結構的熱管都是獨立封閉的，內部抽真空并填充有氨、制冷劑、乙醇、甲醇等，有些高溫平板微熱管陣列通常還會使用鉀、鈉等低熔點金屬。在工作過程中，通過加熱內部工質引發相變，并使其順著平板微熱管陣列內壁流向冷凝段，冷卻凝結后再返回蒸發段，并以此循環往復，以實現熱量運輸傳遞的目的，運行原理如圖2所示。平板微熱管陣列的優點在于其高密度的熱傳遞能力和均勻的溫度分布。每個內部微熱管均能獨立傳遞熱量，使得其能夠在有限的空間內實現高效的熱管理，并保證高度可靠性。此外，平板微熱管陣列還能夠均勻分散熱量，有效避免熱點的產生，從而提升系統的穩定性。

平板微熱管陣列換熱器主要將平板微熱管陣列作為核心傳熱元件，通過內部工作流體的相變循環（蒸發和冷凝）有效地傳輸熱量。

2 平板微熱管陣列換熱器的研究現狀

目前對平板微熱管陣列換熱器的研究主要是為了提升其傳熱性能，將實驗與模擬研究相結合，提升換熱效率。平板微熱管陣列換熱器性能穩定性的影響因素主要包括流態變化、表面張力、熱阻和熱容、操作條件及運行條件等，上述因素都會對其產生性能影響。為解決上述的影響因素，現有的研究主要分為兩大類，一是對平板微熱管陣列進行優化研究，二是對平板微熱管陣列換熱器的性能進行分析。

2.1 平板微熱管陣列的優化研究

2.1.1 微槽尺寸

合理地改變平板微熱管陣列的微槽結構形狀和尺寸可以增強平板微熱管陣列的傳熱性能。Nagayama等[4]提出了帶有槽道收斂的微通道陣列，以此來增強熱管毛細力。在給定工作條件下設計優化槽道收斂部分和直通部分的尺寸，與直通微通道和未優化的收斂微通道相比，提高了熱性能，并指出提高平板微熱管陣列熱性能的關鍵是優化其微槽尺寸。

2.1.2 工質選擇

平板微熱管陣列工質的熱物性參數，如蒸發潛熱、導熱系數等，會影響熱量的傳遞和換熱器的傳熱效率。Zhao等[5]提出了平板微熱管陣列的傳熱極限與工作介質的蒸發潛熱呈正相關關系，含有去離子水的甲醇二元流體可以增加工作介質的蒸發潛熱。研究中使用了含有不同甲醇和去離子水二元流體濃度以及純甲醇的熱管，通過實驗測試了這5種平板微熱管陣列的性能。結果顯示，80%甲醇含量的平板微熱管陣列具有最大的熱功率，并且相比于100%甲醇含量的平板微熱管陣列，其傳熱特性更好，最大熱功率增加了12.0%，動態響應時間減少了15.1%。另外，60%甲醇含量的平板微熱管陣列具有最快的動態響應時間，比100%甲醇含量的平板微熱管陣列低30.42%，但最大熱功率相對較低，減少了10.0 W。

2.1.3 工質充液率

平板微熱管陣列充液率是指管內工作介質的填充程度。合理的充液率可以提高換熱器的傳熱性能，過高或過低的充液率都會降低傳熱效率。Li等[6]采用可視化的方法研究了超薄平板微熱管陣列在不同充液率下的傳熱性能表現，實驗結果表明，最佳充液率為15%，工作介質剛好填滿吸附層，熱阻最小為1.2 ℃/W。在過高的充液率下，加熱時觀察到沸騰現象，對提高傳熱極限的效果非常有限，只能增加4 W的傳熱極限。毛細極限是限制超薄平板微熱管傳熱極限的關鍵因素。過多的液體在蒸汽腔中形成液體橋梁，將阻礙蒸汽的流動。同時，它會破壞冷凝工作介質的毛細流動，導致冷凝區域的液體積聚，增加平板微熱管的熱阻。

2.1.4 傾斜角度

傾斜角度的選擇可以影響平板微熱管陣列的傳熱性能。Huang等[7]通過實驗探究了平板微熱管陣列的最佳充液工質和傾斜角度。首先制備了3種不同充液工質的平板微熱管陣列，分別是丙酮、環戊烷和正己烷。對這3種平板微熱管陣列進行了性能研究，結果發現丙酮工質平板微熱管陣列表現出了最佳的性能，原因是丙酮液體蒸汽的較小流動黏性摩擦力和剪應力。提出了一種確定平板微熱管陣列最佳傾斜角度的標準。在該研究中，以74±7%的體積分數（αc，a），能夠很好地預測具有不同工作流體和熱負荷的平板微熱管陣列的最佳傾斜角度。

體積分數αc，a，公式如下：

"""""""""""""""""（1）

式（1）中：V工質為冷凝段和絕熱段中的工作流體體積，m？；V槽道是冷凝段和絕熱段的槽道體積，m？。

綜上所述，針對平板微熱管陣列的優化研究，通過調整微槽尺寸、選擇合適的工質、控制充液率以及確定最佳傾斜角度，可以有效地增大熱傳輸效率，降低熱阻，并提高系統的動態響應速度，從而優化平板微熱管陣列的整體性能。上述優化方向不僅為平板微熱管陣列的設計和應用提供了重要的理論和實驗依據，也顯著提升了平板微熱管陣列換熱器的運行效果。通過這些綜合性的優化措施，可以使平板微熱管陣列在電子冷卻、余熱回收和其他領域中實現更為高效和可靠的應用效果。

2.2 平板微熱管陣列換熱器的性能分析研究

2.2.1 實驗分析研究

當前對平板微熱管陣列換熱器的實驗分析研究主要是通過在實驗室環境下或實際工程中進行安裝和使用后，進行性能分析研究。換熱器性能分析問題主要是在給定換熱量、傳熱面積、傳熱系數以及出入口溫度等參數的基礎上，分析各變量之間的依賴關系，從而得出換熱器的性能表現。目前應用的方法主要有效率分析、有效度—傳熱單元數法、基于熵理論、火積理論、火用理論分析等?？偨Y出不同參數下的換熱器傳熱性能表現，為日后平板微熱管陣列換熱器在不同領域的推廣應用奠定基礎。

靖赫然等[8]提出一種基于平板微熱管陣列的換熱器，利用冬季和過渡季室外空氣冷量，解決基站的散熱降溫問題。設定不同室外溫度，對該換熱器順流、逆流下的換熱性能、溫度分布、阻力特性等參數進行分析。結果發現逆流式相較于順流式性能提升了16.9%，換熱器具有良好的性能表現。

Yang等[9]介紹了基于平板微熱管陣列的氣水換熱器（見圖3），將此應用到工程實例中，采用控制變量法分析了不同進口溫度和風速對傳熱的影響。結果表明在換熱器到達最大傳熱量時，煙氣進口溫度為190 ℃，傳熱效率穩定在70%以上，超過了國家標準。通過引入無量綱等效熱阻R *和熱導N *來分析傳熱過程的不可逆性，研究發現到達換熱器臨界溫度前，應適當降低風速以保持溫度。在到達臨界溫度后，引入了有效度傳熱單元數法和有效度熱導率法對傳熱性能進行了對比分析。

等效熱阻RA，公式如下：

""""""""""（2）

無量綱等效熱阻R*，公式如下：

""""""（3）

無量綱熱導N*，公式如下：

（4）

式（2）～（4）中：Cmin為換熱器較小熱容量流；ε為換熱器有效度；C為熱容量流比。

Diao等[10]在住宅建筑熱回收系統中，采用了鋸齒翅片的平板微熱管換熱器。對該換熱器性能進行了實驗研究，分析了在不同室內外空氣溫度、空氣體積流量和平板微熱管陣列排列方式下的性能。結果表明，該平板微熱管換熱器表現了較高的傳熱能力，具有高熱回收效率、高可靠性、低阻力和小巧的體積。在實驗條件下，最大熱回收效率和COP分別可達到78%和91.9%。

Jing等[11]基于平板微熱管陣列換熱器，提出了新型分體式自然冷卻系統，并將其應用到數據中心的熱管理系統中。通過實驗室性能研究，分析了不同室外溫度、空氣和水流量以及室內外側換熱器組合形式對系統性能的影響。在恒溫恒濕的實驗條件下，測試了28 ℃和38 ℃兩種室內溫度。結果顯示，空氣流量對換熱器性能的影響大于水流量，并建立了壓降擬合曲線，為換熱器設計和相關設備的選擇提供了參考依據。當室內外側換熱器組合形式為M=0.75時，系統的綜合性能最佳，最大換熱量為8.7 kW，最大制冷能效系數為14.01。在封閉了熱通道的散熱條件下，當M=0.75時，最大換熱量達到12.4 kW，并且最大制冷能效系數為17.15。實驗結果表明，使用平板微熱管陣列換熱器的冷卻系統具有良好的性能表現。

楊金鋼等[12]提出了基于平板微熱管陣列的氣氣換熱器，應用到廚房低溫油煙余熱回收，對該換熱器性能進行了實測研究，對不同室外溫度、風量、翅片尺寸進行了傳熱性能和阻力測試。結果表明，換熱器的換熱量隨著室外溫度升高而減小，隨著風速增大呈線性增加趨勢，而隨著翅片尺寸增大則呈現非線性減小趨勢。換熱效率穩定在0.77～0.97之間，符合相關標準。同時，該換熱器具有較好的低溫適應性，在不同場景下都能滿足使用要求，因此應用場景廣泛。

2.2.2 模擬分析研究

有學者采用計算機模擬研究，直觀展現了平板微熱管陣列換熱器的性能表現，韋新東等[13]對采用平板微熱管陣列換熱器散熱的互聯網數據中心IDC機房進行模擬研究，優化了機房氣流組織，得出平板微熱管陣列換熱器的溫度云圖，如圖4所示，分析得出換熱器運行效果優異，并有效地降低了空調系統的運行能耗。

綜上所述，對平板微熱管陣列換熱器的實驗分析和模擬研究展示了其在多個領域應用中的優異性能。實驗研究通過設定不同的運行條件，如進出口溫度、流量等，詳細分析了換熱器的性能，包括傳熱效率、溫度分布和阻力特性，為換熱器設計和優化提供了重要的參考數據。模擬分析研究則利用計算機模擬技術，直觀展現了換熱器的運行效果和溫度分布，有助于進一步優化空氣流動性能，降低系統能耗。現有研究成果不僅展示了平板微熱管陣列換熱器具有廣泛應用的潛力，也為其在各個領域的應用提供了理論和實踐基礎，但是根據查閱相關文獻發現，針對該換熱器翅片的結構尺寸優化相關研究較少。

總體來看，平板微熱管陣列換熱器具有良好的熱傳遞能力和熱回收效率，在不同運行參數下表現出優異的性能，具有廣闊的應用前景。

3 結論

平板微熱管陣列換熱器作為一種高效傳熱設備，相較于傳統的換熱器擁有更好的性能表現，在節能減排的背景下具有廣闊的應用前景，本文介紹了平板微熱管陣列換熱器的性能影響因素和應用情況，主要的結論如下。

1） 平板微熱管陣列換熱器的性能受到平板微熱管陣列的微槽尺寸、工質選擇、充液率、傾斜角度及換熱器的翅片尺寸、熱流量、運行溫度、流動特性的影響，在實際應用中，需要綜合考慮和優化這些因素，以獲得最佳的換熱器性能。

2） 平板微熱管陣列換熱器的相關研究中，針對平板微熱管陣列選型優化的研究較多且較為全面。然而，在換熱器性能分析方面，關于換熱器翅片結構尺寸參數優化的相關研究內容較少，因此仍需要進行大量的實驗研究和理論分析。

3） 平板微熱管陣列換熱器的應用研究已經涉及農業基站室外自然冷卻系統、住宅建筑熱回收系統、數據中心的熱管理系統等領域。這些實際應用案例驗證了微熱管換熱器的高效性和可靠性。未來的研究和應用方向包括進一步優化平板微熱管陣列的微槽結構設計和內部工質的選擇，提高傳熱效率和穩定性；開發新型的換熱器結構和材料，以適應更廣泛的應用場景；探索換熱器在低碳經濟發展和能源節約減排中的應用潛力，為實現節能減排，綠色發展做出貢獻。

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編輯：劉 巖