微通道换热器的流道分布对阻力特性影响的分析开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

二十世纪八十年代,高密度电子元器件的冷却成为阻碍电子技术发展的绊脚石。为解决集成电路的大规模热障问题,1981年,Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念。[1]比起传统的换热器,微通道换热器在体积尺寸、换热效率和稳定性上都有着更出众的表现,于是学术界对于微通道换热器的相关领域展开了大量研究。就应用范围来看,微通道换热器一开始应用于电子行业,解决高密度电子元器件的冷却问题。

之后,微通道换热器由于其微化创新后的巨大性能优势导致微小尺度领域的传热技术开始与传统工业进行对接,微通道换热器比微电子领域微通道换热器的应用要广泛的多。[2]在空调领域,汽车空调工艺状况复杂,空间狭小,要求能够满足体积较小,效率较高的换热器,在经历了管片、管带式换热器的更迭之后,最终使用了微通道换热器。由于传统的氟利昂制冷系统会对臭氧层造成损害,取而代之的是二氧化碳微通道气体冷却器。微通道换热器的存在可以减少原材料的使用,使得产品体积尺寸减少,降低运输和组装难度,使得微通道换热器在未来商业空调制冷、航空航天、微型核反应堆和潜艇等方面也存在着巨大的潜力。[3]

我国是一个能源大国,同时也是一个能耗大国,能源短缺已经成为目前亟待解决的紧迫问题之一。而微通道换热器的减少耗能正是顺应时代潮流的优势。[4]微通道换热器在应用领域呈上升趋势,然而换热器内流体分布不均,流道的分布问题导致微通道换热器的性能有所下降,一定程度上制约了其在行业内的应用。保证流体分布均匀是保证微通道换热器换热效率的重要措施,如果要更好的提高微通道换热器的换热效率,就要研究流体在流道内流动时的阻力特性[5]。不同的流道分布极大程度的影响整体换热器遇到的流动阻力,找出合理的流道分布对于研究微通道换热器的换热情况有着重要意义。

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2. 国内外研究现状分析

国内对于微通道换热器的研究多在制冷行业的应用上,例如家用空调,汽车空调,制冷机等方面。代表有浙江盾安人工环境设备股份有限公司的汪峰和葛方根[6],他们将柜式家用空调的管片式换热器更换为微通道换热器,对其系统性能及充注量等参数进行对比分析。实验首先对原来的管片式换热器进行了性能测试,而后更换室内换热器为微通道换热器,根据不同的片距在相同工况下的测试,选择性能最佳的一组作为更换室外换热器的微通道换热器,测试系统在不同制冷剂情况下的充注量。最后,更换制冷剂为R290,测试系统的最优充注量。测试显示,翅片间距对系统的排水和整体性能有较大的影响,对于该实验系统,翅片间距为1.4mm时最优;微通道换热器比起原机可以有效降低系统充注量;微通道换热器对于系统的制冷性能有一定提升。

而上海交通大学制冷与低温工程研究所的严瑞东等[7]对于微通道换热器两相分配特性的研究与本研究更加息息相关,通过对搭建好的R22家用空调系统标准性能实验台,对流程数不同的微通道换热器在用作冷凝器和蒸发器时候的温度分布均匀性和系统性能影响性做了测试,结果显示,在用作冷凝器时,微通道换热器温度分布不均对系统性能影响达到7.3%,在用作蒸发器时,影响达到了3.5%,并且流程数对于微通道换热器的影响在其作为冷凝器和蒸发器时是不同的。这项研究表明了流道分布的不同对于微通道换热器性能影响的重要意义。

而国内鲁红亮等[8]对平行流换热器流体分布均匀性做了更进一步的研究进展概括,他回顾了国内外相关的理论和实验研究,总结出换热器传热是制冷剂和空气相互作用的结果,由于管道分布问题,任一流体分布不均都会导致部分管路效率低下及换热器整体性能的下降。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:本课题的研究对象为微通道换热器的流道分布,将采用数值模拟的方法对不同的流道分布设计对阻力特性的影响进行测试,以达到分析出最小阻力特性下的流道分布的特点,对微通道换热器最优流道分布设计作一定指示作用。

研究计划:

第1~2周:准备工作(了解微通道换热器的内部结构与换热原理,搜集文献,学习需要应用分析的软件等)

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4. 研究创新点

1、比起微通道换热器在实践中的应用分析,本研究更着重于理论计算分析

2、运用Ansys、Fluent、CAD软件等进行的管道分布和流体阻力的数值计算

3、针对于流体分布不均的问题,从源头进行分析,直接研究流道分布对阻力特性的影响

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