引言
在當(dāng)今社會快速發(fā)展的背景下，能源消耗所導(dǎo)致的全球變暖和環(huán)境污染已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，各個國家紛紛采取措施，實施低碳發(fā)展模式，以實現(xiàn)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的雙重目標(biāo)[1]。2021年11月，第26屆聯(lián)合國氣候變化大會再次強調(diào)了《巴黎協(xié)定》中的目標(biāo)，即將全球平均氣溫上升控制在工業(yè)化前水平的2℃以下，并努力將氣溫上升限制在工業(yè)化前水平的1.5℃以下[2]。
根據(jù)測算，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，2020年—2050年，中國需要在保持社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，實現(xiàn)碳減排超過2/3以上的目標(biāo)[3]。為實現(xiàn)碳減排目標(biāo)，節(jié)能減排技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用尤為重要，包括調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大低碳或清潔能源的使用占比；調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐漸淘汰高污染、高排放產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)而發(fā)展高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)；提高能源利用效率，增加余熱和廢棄物回收設(shè)備。當(dāng)前階段，提高能源效率占據(jù)節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的首要地位，而換熱器的優(yōu)化研究應(yīng)用是其中的關(guān)鍵技術(shù)。
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，所以近年來得到了重點的應(yīng)用和發(fā)展。將平板微熱管陣列應(yīng)用到換熱器當(dāng)中，使得其具備了體積小、傳熱效率高、傳熱速度快和適應(yīng)性強等特點，因此在電子電器、冶金化工、新能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(tǒng)換熱設(shè)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(nèi)部帶有微槽結(jié)構(gòu)的熱管組成，每個內(nèi)部熱管直徑僅為50μm~3mm，長度為5mm~90cm，如圖1所示。
平板微熱管陣列的工作原理類似于傳統(tǒng)熱管，通過熱傳導(dǎo)和相變原理實現(xiàn)熱量的傳遞和散熱。平板微熱管陣列中每個帶有微槽結(jié)構(gòu)的熱管都是獨立封閉的，內(nèi)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(nèi)部工質(zhì)引發(fā)相變，并使其順著平板微熱管陣列內(nèi)壁流向冷凝段，冷卻凝結(jié)后再返回蒸發(fā)段，并以此循環(huán)往復(fù)，以實現(xiàn)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(yōu)點在于其高密度的熱傳遞能力和均勻的溫度分布。每個內(nèi)部微熱管均能獨立傳遞熱量，使得其能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)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(chǎn)生，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)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(nèi)部工作流體的相變循環(huán)（蒸發(fā)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(xiàn)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(jié)合，提升換熱效率。影響平板微熱管陣列換熱器性能穩(wěn)定性的因素主要包括流態(tài)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(chǎn)生性能影響。為解決上述的影響因素，現(xiàn)有的研究主要分為兩大類，一是對平板微熱管陣列進行優(yōu)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(yōu)化研究
2.1.1微槽尺寸
合理改變平板微熱管陣列的微槽結(jié)構(gòu)形狀和尺寸可以增強平板微熱管陣列的傳熱性能。NA－GAYAMA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(shè)計優(yōu)化槽道收斂部分和直通部分的尺寸，與直通微通道和未優(yōu)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(guān)鍵是優(yōu)化其微槽尺寸。
2.1.2工質(zhì)選擇
平板微熱管陣列工質(zhì)的熱物性參數(shù)，如蒸發(fā)潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)的蒸發(fā)潛熱呈正相關(guān)關(guān)系，含有去離子水的甲醇二元流體可以增加工作介質(zhì)的蒸發(fā)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100%甲醇含量的熱管，通過實驗測試了這5種平板微熱管陣列的性能。結(jié)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(tài)響應(yīng)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(tài)響應(yīng)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10.0W。
2.1.3工質(zhì)充液率
平板微熱管陣列充液率是指管內(nèi)工作介質(zhì)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(xiàn)，實驗結(jié)果表明，最佳充液率為15%，工作介質(zhì)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(xiàn)象，對提高傳熱極限的效果非常有限，只能增加4W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(guān)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(zhì)的毛細流動，導(dǎo)致冷凝區(qū)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(zhì)和傾斜角度。首先制備了3種不同充液工質(zhì)的平板微熱管陣列，分別是丙酮、環(huán)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(jié)果發(fā)現(xiàn)丙酮工質(zhì)平板微熱管陣列表現(xiàn)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(yīng)力。提出了一種確定平板微熱管陣列最佳傾斜角度的標(biāo)準(zhǔn)。在該研究中，以74±7%的體積分?jǐn)?shù)（αc，a），能夠很好地預(yù)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?jǐn)?shù)αc，a，公式如下：
式（1）中：V工質(zhì)為冷凝段和絕熱段中的工作流體體積，m3；V槽道為冷凝段和絕熱段的槽道體積，m3。
綜上所述，針對平板微熱管陣列的優(yōu)化研究，通過調(diào)整微槽尺寸、選擇合適的工質(zhì)、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(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而優(yōu)化平板微熱管陣列的整體性能。上述優(yōu)化方向不僅為平板微熱管陣列的設(shè)計和應(yīng)用提供了重要的理論和實驗依據(jù)，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(yōu)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(lǐng)域中實現(xiàn)更為高效和可靠的應(yīng)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(dāng)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(huán)境下或?qū)嶋H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(shù)及出入口溫度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析各變量之間的依賴關(guān)系，從而得出換熱器的性能表現(xiàn)。目前應(yīng)用的方法主要有效率分析、有效度-傳熱單元數(shù)法、基于熵理論、火積理論、火用理論分析等。總結(jié)出不同參數(shù)下的換熱器傳熱性能表現(xiàn)，為日后平板微熱管陣列換熱器在不同領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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(shè)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(shù)進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。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(yīng)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(fēng)速對傳熱的影響。結(jié)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(wěn)定在70%以上，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)。通過引入無量綱等效熱阻R*和熱導(dǎo)N*來分析傳熱過程的不可逆性，研究發(fā)現(xiàn)到達換熱器臨界溫度前，應(yīng)適當(dāng)降低風(fēng)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(shù)法和有效度熱導(dǎo)率法對傳熱性能進行了對比分析。
等效熱阻RA，公式如下：
無量綱等效熱阻R*，公式如下：
無量綱熱導(dǎo)N*，公式如下：
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(tǒng)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(nèi)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(jié)果表明，該平板微熱管換熱器表現(xiàn)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(tǒng)，并將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的熱管理系統(tǒng)中。通過實驗室性能研究，分析了不同室外溫度、空氣、水流量以及室內(nèi)外側(cè)換熱器組合形式對系統(tǒng)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(nèi)溫度。結(jié)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(shè)計和相關(guān)設(shè)備的選擇提供了參考依據(jù)。當(dāng)室內(nèi)外側(cè)換熱器組合形式M=0.75時，系統(tǒng)的綜合性能最佳，最大換熱量為8.7kW，最大制冷能效系數(shù)為14.01。在封閉了熱通道的散熱條件下，當(dāng)M=0.75時，最大換熱量達到12.4kW，并且最大制冷能效系數(shù)為17.15。實驗結(jié)果表明，使用平板微熱管陣列換熱器的冷卻系統(tǒng)具有良好的性能表現(xiàn)。
楊金鋼等[12]提出了基于平板微熱管陣列的氣氣換熱器，應(yīng)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(fēng)量、翅片尺寸進行了傳熱性能和阻力測試。結(jié)果表明，換熱器的換熱量隨著室外溫度升高而減小，隨著風(fēng)速增大呈線性增加趨勢，而隨著翅片尺寸增大則呈現(xiàn)非線性減小趨勢。換熱效率穩(wěn)定在0.77～0.97，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時，該換熱器具有較好的低溫適應(yīng)性，在不同場景下都能滿足使用要求，因此應(yīng)用場景廣泛。
2.2.2模擬分析研究
有學(xué)者采用計算機模擬研究，直觀展現(xiàn)了平板微熱管陣列換熱器的性能表現(xiàn)，韋新東等[13]對采用平板微熱管陣列換熱器散熱的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC機房進行模擬研究，優(yōu)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(yōu)異，并有效地降低了空調(diào)系統(tǒng)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(lǐng)域應(yīng)用中的優(yōu)異性能。實驗研究通過設(shè)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(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考數(shù)據(jù)。模擬分析研究則利用計算機模擬技術(shù)，直觀展現(xiàn)了換熱器的運行效果和溫度分布，有助于進一步優(yōu)化空氣流動性能，降低系統(tǒng)能耗。現(xiàn)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(yīng)用的潛力，也為其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和實踐基礎(chǔ)，但是根據(jù)查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，針對該換熱器翅片的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化相關(guān)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(shù)下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。
3、結(jié)論
平板微熱管陣列換熱器作為一種高效傳熱設(shè)備，相較于傳統(tǒng)的換熱器擁有更好的性能表現(xiàn)，在節(jié)能減排的背景下具有廣闊的應(yīng)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(yīng)用情況，主要的結(jié)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(zhì)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(yīng)用中，需要綜合考慮和優(yōu)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(guān)研究中，針對平板微熱管陣列選型優(yōu)化的研究較多且較為全面。然而，在換熱器性能分析方面，關(guān)于換熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究內(nèi)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(yīng)用研究已經(jīng)涉及農(nóng)業(yè)基站室外自然冷卻系統(tǒng)、住宅建筑熱回收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心的熱管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。這些實際應(yīng)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(yīng)用方向包括進一步優(yōu)化平板微熱管陣列的微槽結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部工質(zhì)的選擇，提高傳熱效率和穩(wěn)定性；開發(fā)新型的換熱器結(jié)構(gòu)和材料，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景；探索換熱器在低碳經(jīng)濟發(fā)展和能源節(jié)約減排中的應(yīng)用潛力，為實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色發(fā)展做出貢獻。
參考文獻：
[1]劉清德.低碳經(jīng)濟背景下節(jié)能減排發(fā)展分析[J].中國資源綜合利用，2022，40（9）：172-174.
[2]董禹，張召鋒.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測功能在中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2023（7）：1-8，40.
[3]江億.我國可嘗試直接向電氣化時代轉(zhuǎn)型[J].中國石油企業(yè)，2020（10）：11-12，110.
[4]NAGAYAMA G，GYOTOKU S，TSURUTA T.Thermal perfor－mance of flat micro heat pipe with converging microchannels[J].Inter－national Journal of Heat and Mass Transfer，2018，122：375，382.
[5]ZHAO Z，F(xiàn)ENG Y，LUO C，et al.Effect of binary fluid on the heattransfer performance of flat plate micro heat pipe[J].Applied Thermal En－gineering，2023，235：121304.
[6]LI D，HUANG Z，LIAO X，et al.Heat and mass transfer charac－teristics of ultra-thin flat heat pipe with different liquid filling rates[J].Applied Thermal Engineering，2021，199：117588.
[7]HUANG G，TANG Y，WANG P，et al.Thermal characterisation of micro flat aluminium heat pipe arrays by varying working fluid and inclination angle[J].Applied Sciences，2018，8（7）：1052.
[8]靖赫然，趙耀華，全貞花，等.農(nóng)業(yè)基站室外自然冷能微熱管陣列式空冷器性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36（6）：179-187.
[9]YANG J，WANG H，LV J.Assessing the performance of a gas-water heat exchanger based on micro-heat pipe technology[J].Experi－mental Heat Transfer，2023，36（6）：892-917.
[10]DIAO Y H，LIANG L，KANG Y M，et al.Experimental study on the heat recovery characteristic of a heat exchanger based on a flat mi－cro-heat pipe array for the ventilation of residential buildings[J].Energy and Buildings，2017，152：448-457.
[11]JING H，QUAN Z，ZHAO Y，et al.Experimental investigation of heat transfer and flow characteristics of split natural cooling systemfor data center based on micro heat pipe array[J].Energies，2022，15（12）：4250.
[12]楊金鋼，孫煒鈺，全貞花，等.基于微熱管陣列的油煙熱回收換熱器性能研究[J].建筑科學(xué)，2019，35（12）：49-54.
[13]韋新東，陳巖松，黃一格.基于 Fluent 的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機房散熱優(yōu)化模擬[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報，2018，35（6）：55-56.
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