CN106197117A - 一种微通道换热器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微通道换热器应用领域，具体公开了一种微通道换热器系统，包括位于冷热源之间的封闭流动通道和通道外的磁体；通道内封闭有不浸润的两相或多相流体，多相流流动形态为泡状流或弹状流；所述多相流中至少有一相为磁流体；所述微通道流体通过磁流体的热磁效应或外加的电磁场力为驱动力，驱动多相流体在通道内循环流动。本发明结构简单，无常规设计中进出口处多相流体的混合与分离，系统无转动部件，可靠性高，系统充分利用了微通道内非浸润多相流对流换热的强化传热机理，极大的提高了微通道换热器的换热效率。

Description

一种微通道换热器系统

技术领域

本发明涉及微通道换热器应用领域，尤其涉及一种非浸润多相流的微通道换热器系统。

背景技术

随着微电子机械和纳米器件在电子生物等领域的广泛应用，高集成度微电子器件及超大规模集成电路系统的热设计和热控制成为技术发展和突破的关键问题。微通道换热器具有结构紧凑、比表面积大、换热效率高等应用特点，在上述芯片以及常规空调、制冷等行业领域具有良好的应用前景。

在微尺度条件下，流体基本处于层流流动，流体径向混合仅依赖分子扩散，对于液相流体，这种分子扩散异常缓慢。为了增强微通道内径向交混，对单相对流传热主要通过对流体进行扰动，破坏内部流体边界层的方式进行，如CN203349670采用蛇形通道的被动式破坏方式，CN104154798采用连续的环形微通道利用离心力强化换热。另外一种方式则是在通道内同时输入两种或多种非浸润的气体或液体，形成多相流动。由于特征尺寸的降低，多相间的界面力相对于重力占有主导地位，因此，多相流能在微通道形成稳定的流动形态，这些流动形态主要包括：泡状流、弹状流、环状流等，其中又以弹状流为最主要的流动形态，能够在较广的多相流流速范围能形成；这种流动形态结构稳定，轴向混合显著，气泡(液滴)内部能形成循环流动，显著的增强了传质传热效率，是微通道内多相流的主要流形态。研究表明，微通道中多相流体间的传质传热作用可提高一个数量级左右。

目前微通道内弹状非浸润多相流一般都是开放式设计，即多相流体从一端流入，另一端流出。在微反应器或微换热器中，微通道进出口分别设计有分流管和集流管，用于多相流体的混合和收集，管道内流体采用进出口压差驱动，这种设计方式导致多相流体流过微通道后难以进行分离和回收，压力驱动的方式也限制了其使用区域，整体换热系统比较复杂，限制了其应用。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种微通道换热器系统，以达到使其能够有效利用微通道内多相流强化换热机理，又能使得多相流在微通道内能循环流动，无需多相分离，并避免压力驱动所需的复杂系统和接口的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种微通道换热器系统，包括封闭式的流动通道，设置在冷源和热源之间用于传热，所述流动通道内设置有两相或多相流体，所述多相流体之间非浸润，所述多相流体中至少有一种为磁流体；所述流动通道的外沿程设置有磁体，通过所述磁力驱动磁流体，带动所述流动通道内多相流体循环流动。

进一步地，所述流动通道横截面特征尺寸为毫米或微米级，其横截面的形状包括圆形、椭圆形、方形或多边形。由于流动通道特征尺寸较小，单位体积多相流体受到的相间界面力显著的大于受到的重力，因此该系统不受布置方向的影响。

进一步地，所述多相流体的流动形态为泡状流或弹状流。多相流体可以是湿润型，也可以是烧干型。

进一步地，所述多相流体为气体、液体或液态金属。

进一步地，所述多相流体中的一相或多相直接与流动通道内壁相接触。

进一步地，多相流体包括有分散相或连续相，所述磁流体可根据需要设定为分散相或连续相，使其更加适用于该系统。

进一步地，所述磁体为一个或多个永磁体。

进一步地，所述磁体为一个或多个电磁体，并配有控制电路。

进一步地，所述磁体的磁场与流动通道的夹角范围为0-180^o。

本系统可利用磁流体在外磁场下由温度差导致的热磁效应为驱动力，在这种情况下系统无需外部动力输入，亦无动力部件，且驱动力大小与冷热源温差成正比，能够形成一个“正反馈”，即冷热源温差越大、通道内磁流体驱动力越大、通道内流动速度越快、换热越快。

本系统也可使用流动通道外沿程设置的一个或多个电磁体，电磁体线圈与控制电路连接，通过分析确定通道内磁流体的位置，并接通相应位置的电磁线圈产生磁力吸引磁流体，由此驱动多相流在流动通道内的流动。

本系统能够充分利用微通道内多相流流动对管道内流体的径向扰动，通过改变磁体的设置，可以被动或主动的驱动多相流的循环流动，有效的提高传热效率，系统结构简单，可靠性高。

附图说明

图1为微通道换热器系统示意图；

图2(a)为本实施例的微通道内泡状流示意图；

图2(b)为本实施例的微通道内弹状流示意图；

图3(a)为本实施例的微通道内湿润型流体强化换热原理图；

图3(b)为本实施例的微通道内烧干型流体强化换热原理图；

图4为本实施例的磁场热磁效应驱动原理图；

图5为本实施例的电磁体驱动原理图。

其中：

1-流动通道；2-分散流体；3-连续流体；4-热源；5-冷源；6-永磁体；7-电磁体；8-磁流体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见附图1，本实施例的一种微通道换热器系统，包括封闭式的流动通道1，流动通道1设置在冷源5和热源4之间用于传热，流动通道1可以采用铜管、铝管、石英管等，还可采用在硅基上刻蚀而形成；流动通道1内封闭有两相流体或多相流体，多相流体之间非浸润，其根据实际需要可以为气体、液体或液态金属；非浸润的多相流体的流动形态为泡状流或弹状流。多相流体中仅有一相与流动通道1的内壁面直接接触时，直接接触的流体形成连续相3，非直接接触的流体形成分散相2，分散相2被连续相3隔开，形成相互间隔的气泡或液柱,分散相2与内壁面之间有一层连续相3的液膜，这种情况称之为“湿润型Wetting”。多相流体也可以是多相均与流动通道1的内壁面直接接触，这种情况称之为“烧干型Dryout”，此时，相与相之间都隔开，系统仅存在分散相2,没有连续相3。多相流体中至少有一种为磁流体，磁流体可以为分散相2，也可以是连续相3。

流动通道1外设置有用作驱动源的永磁体6，永磁体6用于为流动通道1内的磁流体提供稳定的磁场。永磁体6的磁场强度、在流动通道1的轴向位置，以及永磁体6的外磁场与流动通道1间的夹角等设计参数，应根据冷热源4/5温差以及流动通道1的实际布置需要进行合理设计，实现温度场和磁场的协同，以便提供更优的驱动力方案。

流动通道1横截面特征尺寸根据多相流流体类型及其界面力大小设置为毫米或微米级，此时多相流系统界面力较重力更为重要，流动形态稳定且基本与重力方向无关。流动通道1根据换热效率和实际需要，可以采用不同的截面形状，包括但不限于圆形、椭圆形、方形、梯形、多边形等；流动通道1的整体形状可以根据冷热源位置和实际需要，综合考虑流动阻力和换热效率，灵活设计成任意形状。

本发明的换热器主要的应用是用于微型换热器的换热单元，也可应用于化工行业、微型智能分析仪μ-TAS、Lab-on-Chip等微型反应器中。为了评估界面力影响的尺度与流动通道特征尺寸大小对应关系，一般根据两者的比值N_conf进行确定，以微通道内气液两相流为例：

$N_{conf}=\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G)}}}{D}$

式中σ为相界面力，ρ_G和ρ_L分别为气液相的密度，D为当量特征尺寸，g为重力加速度。分析表明当N_conf≥3.3时，流动通道可视为微通道。随着通道特征尺寸的降低，微通道内粘性力、惯性力、体积力(重力)、表面力的相对比值发生了变化，由此使得微通道内流体具有与常规通道内流体完全不同的特性，其中微通道内多相流最重要的表征参数是厄特沃什数(Eo)数，其定义为：

$Eo=\frac{{\mathrm{\Δ\ρgD}}^2}{\mathrm{\σ}}$

Eo数表征了重力与表面张力的比值。在微通道下，Eo＜＜1，即表面张力远大于重力影响，因此在微通道内多相流流动形态与重力方向基本无关。通过控制多相流入口处混合形式和多相流各相的流速，可以在微通道内形成不同的流动形态，而且流动形态稳定。

图2(a)和图2(b)是两种典型的微通道内两相流流动形态，根据分散相2相对体积的大小，分别为泡状流和弹状流。在这两种流动形态下，分散相2被相界面包围在连续相3内，相互隔开且间隔均匀。图示中气体为分散相2、液体为连续相3。分散相2气泡与管道壁面之间存在一层液膜；分散相2的气泡彼此隔离，连续相3通过所述液膜彼此连通。由于液膜靠近壁面，液膜内导热主要依靠导热传热，是多相流非浸润流动传热的组要热阻。管道特征尺寸越小，界面力越强，所述液膜越薄，强化传热效果越好。

图3(a)和图3(b)所示为典型的微通道内弹状流流线图，图中流速为以相界面为参考基准的相对速度，其中图3(a)为分散相不直接与壁面接触，壁面与分散相之间存在着一层连续相的液膜，即所述湿润型Wetting流型；图3(b)中两相均直接与壁面接触，即烧干型Dryout流型。根据雷诺数Re定义：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}UD}{\mathrm{\μ}}$

式中μ为流体粘性系数，U为通道内特征流速。对于微通道内单相流体，由于特征尺寸较小，Re＜＜2300，因此流动都是层流，流体径向间仅仅通过分子扩散交混，热量从壁面通过热传导的方式传递到管道中间。如图3(a)-(b)所示，对于非浸润多相流，由于存在相界面，相界面移动速度一定，导致管道中心流动速度大于相界面移动速度，管道壁面附近流动速度低于相界面。在分散相2气泡或液柱的头部，管道中心流体遇到相界面后改变流动方向，向径向流动，即流向壁面；在分散相2气泡或液柱的尾部，流体由于相界面作用，相对应的流体从壁面附近流向管道中心。通过这样的方式，管道内流体不断的在壁面和中心之间往返流动，将热量从壁面传递到中心，极大的强化了换热。对于连续相，位于两个分散相2之间的流体也以同样的方式流动。因此整个流动通道内的管道中心和壁面之间流体交混得到了很大的促进，换热效率均得到了很大提高。研究表明，与常规微通道内单相流动相比，非浸润两相流换热能提高3-10倍；即使考虑压降限制，在相同压降下，非浸润两相流换热是单相流换热能力的1.5-2倍，强化换热效果非常明显。

为了对微通道内多相流体进行驱动，同时避免常规尺寸下通常采用的转动设备如泵带来的维修与噪音等诸多问题，本发明设计采用磁流体热效应驱动。

图4是磁场热磁驱动原理图。磁流体是一种特殊的功能流体，不但具有流体的流动性，而且还具有磁介质的磁特性。敏感型磁流体则是一种特殊的磁流体，其饱和磁化强度随着温度的变化而急剧变化。通常磁流体在外加磁场下磁化温度随温度升高而降低，这样在同一个外磁场中，温度高的区域受到的磁场力就相对较低。如图4所示，当中一条封闭通道中的磁流体在外加磁场下，一端加热一端受冷，那么在两端磁流体的磁化强度将不同，故受到的磁场力也将不同。在冷端的磁流体受到的力将比在热端的磁流体受到的磁场力大，所以引起磁流体在通道内从冷端流向热端的定向流动。这种流动是系统内冷端、热端温度差引起的，温差势能通过磁流体借助磁场转化成流体的动能。而且在一定范围内，温差大小与通道内流体受到的驱动力大小成正比，形成一个“正反馈”，即温差越大、驱动力越大、通道内流速越快、换热越强也就越有助于缩小温差。

下面是本发明的一个实例。

采用石英制封闭的流动通道圆形管道，通道特征尺寸直径D＝500μm，以氮气N₂为分散相，以磁流体为连续相，磁流体采用煤油基的温度敏感型锰锌铁磁流体，其饱和磁化强度达65000/(Am-1)。由于界面力，气相在液相内形成稳定的气泡，选择气泡长度为流动通道半径R的4倍、气泡间封闭的液柱长度为流动通道半径R的7.5倍，流动Re数在100-1000范围内，得到的两相平均换热能力是液态单相层流换热量的1.5-2.0倍，单纯液相内换热能力是液态单相层流换热量的3.0-4.0倍，换热强化能力效果非常显著；而且系统运行无需额外驱动力，没有动力部件，无需设备定期维修和维护。

下面是本发明的另外一个实例。

除上述采用热磁效应驱动外，对于通道内流速要求较高或需要对通道内流体流动进行准确控制的场合，可以采用外加的电磁力来驱动磁体。如图5所示，在流动通道1的沿程设置有一个或多个电磁体7，电磁体7与控制电路连接；通道内除布置有非浸润多相流体的分散相2和连续相3外,专门布置有一个或多个磁流体8的液柱或液滴；多相流体与磁流体8之间均相互不浸润。根据磁流体8的位置，控制电路接通或断开相应位置的电磁体线圈电源，电磁体7产生的磁力吸引磁流体8，引起磁流体8运动，并驱动通道内多相流体的循环运动。电磁体7可以环绕在流动通道1外，亦可置于流动通道1外侧平行或垂直于通道设置，即电磁体7所产生的磁场与流动通道1的夹角应根据需要进行设计调整，夹角范围为0°-180°。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微通道换热器系统，包括流动通道和通道外的磁体，其特征在于：所述流动通道为封闭式，其内设置有两相流体或多相流体，所述多相流体之间非浸润，所述多相流体中至少有一种为磁流体。

2.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述流动通道横截面特征尺寸为毫米或微米级，其横截面的形状包括圆形、椭圆形、方形或多边形。

3.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述多相流体的流动形态为泡状流或弹状流。

4.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述多相流体为气体、液体或液态金属。

5.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述多相流体中的一相或多相直接与流动通道内壁相接触。

6.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述多相流体包括有分散相或连续相，所述磁流体为分散相或连续相。

7.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述磁体为一个或多个永磁体。

8.根据权利要求1所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述磁体为一个或多个电磁体，并配有控制电路。

9.根据权利要求7或8所述的一种微通道换热系统，其特征在于：所述磁体的磁场与流动通道的夹角范围为0-180°。