一种可拆装的微管道阵列传热性能试验装置的制作方法

本发明属于传热技术领域，涉及一种微管道阵列传热性能试验装置。

背景技术：

随着微加工技术的发展及在生物芯片、微电子机械及分析仪器上的应用，微细尺度传递问题已成为各国研究重点。在第8届全英传热学术会议上，微观传热传质问题成为探讨的热点；在第二届美日联合研讨会上，加州大学田长霖教授作了“分子及微尺度输运现象”的重要学术报告。传递系统的微型化给传统的化学工程学科带来了新的挑战，同时又给该学科的发展注入了新的生机。随着系统尺寸的缩小，分子的“连续流”假设遭到破坏，从而使传统的动量、质量及能量传递方程不再适用，此时不得不从经典或量子统计力学、分子动力学等理论中寻找规律来重新建立传递方程。微通道强化换热技术作为一种新兴强化换热技术正日益受到人们的重视。它具有传热温差小、传热效率高、结构紧凑等优点。

微型微管道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器，其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。

微型微管道换热器可选用的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si₃N₄和铝等。采用镍材料的微管道换热器，单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多，单位质量的传热性能也提高了50％。采用铜材料，可将金属板材加工成小而光滑的流体通道，且可精确控制翅片尺寸和平板厚度，达到几十微米级，经钎焊形成平板错流式结构，传热系数可达45MW/(m³·K)，是传统紧凑式换热器的20倍。采用硅、Si₃N₄等材料可制造结构更为复杂的多层结构，通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器，使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸，如通道为角锥结构的换热器。随着微加工技术的提高，目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括：平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。

2004年Bruno Agostini，Barbara Watel等人对R134a在矩形管道1.11×1.22和0.73×0.72mm内进行了摩擦因素和传热特性试验研究，质量流率65-290kg·m^-2·s^-1，热流密度为210-49700W·m^-2，试验结果表明微管道摩擦因素和换热系数与常规尺度的预测值吻合很好。

Yu等人研究了氮气在微管道内6000<Re<20000范围内的管内换热，根据试验结果推导出了微管到内部强制对流换热的平均Nu数的换热准则式，且他的准则式计算结果比常规尺度的预测值要大。

孙宏伟等研究发现，在微通道内随着流体流动通道尺寸的减少，边界效应对流体流动的影响不可忽略，并通过引入克努森Kn数，假设通道内流体局部充分发展流动，在N-S方程的基础上，用数值模拟的方法研究了微槽道内的流动与换热情况特性，计算结果与试验结果的对比证实了局部充分发展假设的合理性。并指出在微尺度流动的计算中，流体的可压缩性和滑移流动的影响需要同时考虑，在Kn数较大的情况下尤其要这样考虑。

Rahman和Gui测量了水在层流状态下流过由硅片制成的微通道槽内时的对流传热系数，研究发现Nu数高于充分发展状态的层流流过矩形通道时的理论分析解的Nu数。

Cuta等测量了一种微通道热交换器中矩形微槽的Nu数。微槽的水力直径为425μm，工质为R124。他们发现在层流状态下，微槽道内的Nu数高于经典的理论值；在湍流态下，Nu数随着Re数的增大而增大，但是Nu数与Re数的1.06次方成正比，而不是常规尺寸下的0.8次方。

然而，Rvegiuurarjna等用同样的工质R124对同样的微管道换热器作了试验研究，测量了高度为1mm、宽度为270μm的微槽的内部流动对。流传热系数。测量结果却表明，微通道内部单相流动的对流传热系数要比经典理论值高300％-900％。

在微尺度传热问题中，在有限的微小空间内难以保证分子与壁面的高频率的碰撞，这就引起了流体在壁面处的温度阶跃和速度滑移，而且尺度越小，分子与壁面的碰撞就越显重要，但这种微观的运动特性尚不明确。此外，特征尺寸的微小化使得壁面的相对粗糙度成为了影响流动和传热的一个重要因素，采用规则微突元代替随机分布的粗糙元，是研究微通道表面粗糙。度对流动影响时常用的简化方法。

对于微尺度中流体的流动，除了解析法以外，还可采用FLUENT、ANSYS等软件对微型换热器内流体的流动和传热过程进行数值模拟，计算各种结构对传热过程以及流场的影响。此外，部分学者还建立了有限体积—分子动力学(FV-MD)耦合算法，以解决微液体流动的边界问题。

微尺度中流体流动和传热性能的试验研究也已取得很大的进展。Tuckerman在芯片背面采用水冷却矩形微槽，其散热能力可达到790W·cm^-2，这种相变传热具有更高的散热能力。Peng和Peterson对水在矩形粗糙微通道内的流动进行了试验研究，发现微通道的几何结构是影响对流传热的决定性因素。Kohl等研究发现试验测得的摩擦系数与经典理论的计算值相吻合。Ravigururajan等测得的微尺度通道内单相流动的对流传热系数高于经典理论计算值3到9倍。Lelea等由试验测得的摩擦系数、对流传热系数均与理论预测值相一致。夏国栋等人设计的周期性变截面微管道换热器中虽然局部流动阻力增加，但却显著的提高了传热能力。越来越多的研究发现，通道尺寸的减小有利于提高换热设备的传热系数，而微尺度系统中的流动和传热试验测试方法的差异以及微通道加工工艺的不够完善造成了部分试验结果的矛盾。微流场粒子图像测速(Micro-PIV)技术是现阶段对微尺度流动最有效的检测手段，可对微流场进行定量可视化测量，其可用于微管道换热器流场的测试。

微管道是构成微型换热器的主要元件，其阵列的传热性能需要依靠试验方法才能确定。然而，微管道阵列传热性能测试需要对管内(管程)和管外(壳程)流体进行分隔，一般采用钎焊等方法对微管道和管板进行连接，加工难度大，试验装置不可重复利用，增大了试验成本。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种便于拆装的、主要部件可重复使用的微管道阵列传热性能试验装置。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

微管道阵列传热性能试验装置，包括壳程和管程，其中壳程由若干筒节连接而成，相邻筒节之间设置折流板，壳程的两端各连接一个端筒节，端筒节外端由端盖密封，穿套于壳程筒节内的换热管分别与两端的端筒节连通形成管程，壳程的筒节与管程的端筒节连接处经由管板隔开，管板和折流板中部上均设置若干与换热管直径一致的圆孔，换热管穿插在圆孔内，折流板的圆孔区域下方设有一个用于流体流动的矩形孔；壳程与管程筒节均设有进、出液口。

进一步地，筒节和端筒节结构相同，采用两端设有法兰的矩形管结构，筒节之间采用螺栓-垫片方式连接。

进一步地，端筒节与壳程筒节之间设置两块管板和一个垫片，采用管板-垫片-管板三合一的连接方式对壳程空间进行密封。

为了设置壳程进、出液口及安装传感器，所述筒节和端筒节相对的两侧壁上设有两个通孔，使用时将多余的通孔堵住密封。

进一步地，两侧端盖的中心分别设置螺纹孔，作为管程的进、出液口。

为了方便操作，在筒节和端筒节上、下端面上均开有便于操作的天窗，天窗上安装有盖板。

为了根据通过插入不同位置的插槽调节壳程空间的大小，在筒节和端筒节的两侧内壁上设置多组插槽，通孔两侧的插槽用于设置相适配的隔板，可调节筒节或端筒节的内腔空间。通常壳程的筒节需要插装隔板，当隔板插装在筒节插槽内时，并通过插入不同位置的插槽可调节壳程空间的大小。

隔板平行于换热管插装。

进一步地，筒节和端筒节上、下天窗盖板的中心设置螺纹孔，上部螺纹孔用于安装控气阀，下部螺纹孔用于安装控液阀。

为了达到不同的实验要求，所述管板、折流板和橡胶垫片上设置的圆孔采用正三角形或正方形的排布方式。

为了对壳程空间进行密封，还包括折流板密封圈，所述折流板密封圈设置在折流板的四周，通过两侧的筒节压紧固定并密封。

本发明的有益效果是：

1.本发明的试验装置所有部件均采用可拆装的螺栓、法兰、垫片连接方式进行连接，而且拆装便捷，提高了筒节、换热管、管板、密封垫片、折流板等部件的重复利用率。当换热管长度变化时，可通过改变筒节的个数来满足壳程长度的要求。当换热管排布形式变化时，仅需要更换管板、垫片和折流板，可以满足不同的试验需求。

2.本发明中各筒节的长度可根据传热要求确定，筒节与筒节之间采用便于连接的螺栓-法兰-垫片连接方式，折流板可根据需要串联在这个结构中。筒节的一组相向的内壁上设有若干插槽，隔板放置在插槽中，构成壳程空间；可根据布管区的大小调整隔板的位置，保证壳程流体全部流过布管区，灵活、实用。

3.本发明中微管道与管板的连接采用管板-垫片-管板三合一的连接形式。微管道依次穿过管板、垫片、管板，利用两块管板轴向压紧垫片，迫使垫片产生横向变形，在微管道外围形成密封预紧力，实现对壳程介质的密封。该连接结构不但能保证密封效果，而且便于拆装。

附图说明

图1为本发明的装配结构示意图；

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的筒节；

图4为本发明壳程流体流动示意图。

图5为本发明中微管道正方形排布时的管板。

图6为本发明中微管道正三角形排布时的管板。

图7为本发明中微管道正方形排布时的折流板。

图8为本发明中微管道正三角形排布时的折流板。

图9为本发明的端盖。

图10为本发明的天窗盖板。

图11为本发明的微管道阵列传热性能试验装置换热性能试验流程。

图12为本发明所做试验中总传热系数与换热管间距的关系。

图13为本发明的四个等长的筒节组成的试验装置的装配示意图。

图14为标有筒节各部分的规格尺寸的主视图。

图15为标有筒节各部分的规格尺寸的左视图。

图1-12中：1-壳程筒节，11-筒节螺栓孔，12-插槽，13-法兰，14-天窗，15-筒节螺纹孔，2-换热管，3-折流板，31-折流板密封圈，32-折流板圆孔，33-折流板矩形孔，4-管板，41-橡胶垫片，42-管板圆孔，5-端筒节，6-端盖，61- 端盖密封圈，62-端盖螺纹孔，63-端盖螺栓孔，7-天窗盖板，71-天窗端盖密封圈，72-天窗盖板螺纹孔，63-天窗盖板螺栓孔，8-隔板。

图13中，1-壳程筒节螺纹孔1；2-壳程筒节1；3-折流板密封圈；4-换热管；5-折流板；6-壳程筒节2；7-管板1；8-管板垫片1；9-管板2；10-端筒节1；11-端盖盖板密封圈1；12-端盖盖板1；13-左侧端盖螺纹孔；14-天窗盖板密封圈；15-天窗盖板；16-壳程筒节螺纹孔3；17-隔板；18-管板3；19-管板垫片2；20-管板4；21-筒节4；22-端盖盖板密封圈2；23-端盖盖板2；24-右侧端盖螺纹孔。

具体实施方式

实施例1：本发明的微管道阵列传热性能试验装置结构和原理

如图1、图2所示，本发明的微管道阵列传热性能试验装置，分为管程和壳程，其中壳程主要由若干筒节1互相连接组成，壳程的两端分别设置有一个端筒节5，端筒节5外端由端盖6密封，端筒节5和穿套在壳程内的换热管2连通，组成管程。

壳程中的筒节1和端筒节5形状、结构相同，为矩形管，如图3，筒节的两端设置有形状与筒节一致的法兰13，筒节之间采用螺栓-垫片方式连接。在筒节的两侧壁上设有筒节螺纹孔15，用于传感器的安装和壳程的进、出液口，同时在筒节的两侧内壁上设置多组插槽12，螺纹孔15两侧的插槽12内分别设置有一块相适配的隔板8，通过将隔板8插入不同位置的插槽12来调节筒节内腔壳程空间的大小，从而保证壳程流体全部通过换热管区，如图4。

在端筒节5的两端的端盖6中心位置分别设有一个端盖螺纹孔62，为管程的进、出液口。

在端筒节5和壳程筒节1之间采用管板4隔开，管板4以两块为一组，之间设置与之相适配的橡胶垫片41，并采用管板-垫片-管板三合一的连接方式，通过两端的筒节将其压紧，从而使得两块管板4轴向压紧橡胶垫片41，迫使橡胶垫片41产生横向变形，在微管道外围形成密封预紧力，实现对壳程空间的密封。同时，在壳程内筒节1之间设置有折流板，同样的在折流板3四周也设置有折流板密封圈31，通过折流板3两侧的筒节1压紧密封。

在管板4、橡胶垫片41和折流板3中部均设置若干与换热管直径一致的圆孔，圆孔的排列方式为正三角形或者正方形(根据实验所需的形状进行更换)，如图5、6、7、8，以满足不同的实验需求。换热管穿插在圆孔内进行固定。同时，折流板的圆孔区域下方设有一个矩形孔33，可以保证壳程内流体的流动。

在筒节上下端面上各设置一个矩形开口天窗14，天窗14上通过天窗盖板7密封，天窗14可以方便内部换热管的安装。在盖板7中心设置螺纹孔72，顶部盖板中心螺纹孔72中安装气阀，底部盖板中心螺纹孔中安装液阀。

整个装置中的部件均可拆卸重复使用。对于试验中不同长度的换热管，可以调整筒节的个数来进行调整，正方形和正三角形排布的管板和折流板可以实现不同的试验需求，而且拆装便捷，使用简单、方便。

实施例2：微管道阵列传热性能试验装置的主要部件的设计和加工

根据实验要求的不同，筒节的尺寸也有不同的要求，具体确定步骤如下：

筒节的尺寸包括筒节的边长和轴向长度。以换热管规格(内径和外径)、传热面积和管程流体的体积流量作为筒节设计的初始条件。

首先，根据公式：

以及公式：

来确定换热管的数量以及长度。(式中n_s―换热管的数量；V―管程流体的体积流量；d_i―换热管的内径；u_i―换热管中流体的流速；L―换热管的长度；S―传热面积；d₀―换热管的外径。)

根据经验，管程流体为液体时，管内流体流速为0.5～3m/s，对于微米级管道，可选择流速为1m/s。因此可根据式(1)确定换热管根数，进而根据式(2)确定换热管长度。

然后，根据公式：

D＝t(n_c-1)+2b' (3)

可以确定圆柱形壳体内径。(式中：D―壳体内径；t―换热管的中心距，t＝1.25d₀；n_c―横过管束中心线的管数；b’―管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b’＝(1～1.5)d₀。)

若换热管为正三角形排布，则如果为正方形排布，则

最后，利用公式(3)可确定布管区的面积A，即A＝π(D/2)²。根据A可确定矩形壳体的边长a和b，A＝a×b。若为正方向截面的壳体，则边长为A^0.5。A是最小布管面积，若要留有一定裕度，可增大A。

筒节的长度应等于折流板之间的间距。根据经验，两相邻折流板的间距h为壳体当量直径的0.2～1倍，因此筒节长度的取值范围较宽，可根据试验、加工和安装要求确定。

通过上述计算，可以确定筒节的尺寸。

根据计算得出的数据，对该发明的微管道阵列传热性能试验装置的主要部件进行加工，主要包括筒节、管板、折流板和筒节上的盖板。具体加工过程如下：

1、设计加工筒节。根据已经确定的筒节基本尺寸和基本结构，如图2所示。筒节的两端均设置有法兰13，用于筒节之间的两两连接。法兰设有八个螺栓孔11，用于螺栓的连接。在法兰面的内侧边缘设置凹面，用于放置管板或者折流板。筒节上下端面上的中间区域设置两个矩形天窗14，作为换热管安装的操作空间。在天窗边缘也加工出凹面，凹面内部设置密封垫片和矩形天窗盖板。筒节的两侧面的中心位置各设置一个螺纹孔15，作为壳程介质进口或出口接管以及传感器安装的连接口，不连接接管及传感器的螺纹孔15则用螺栓堵住。筒节内壁面螺纹孔的上下两侧均设置插槽12，螺纹孔上下两侧的插槽12中各设置一块隔板8，构成壳程空间；如图3所示。根据布管区的大小调整隔板11的位置，保证壳程流体全部流过布管区。隔板的长度等于筒节的长度，宽度为一对插槽12槽底的间距，厚度与槽宽一致。

2、设计加工管板4和折流板3。根据已经计算得出的圆孔的间距。可以加工得到如图4、5、6、7所示的两种管板以及对应的两种折流板，圆孔的排布形式分别为正方形排布以及正三角形排布。折流板的形状与管板相同，并在管板的基础上，在圆孔的下方再加工出一个矩形孔33。换热管尺寸确定后，可选用标准钻头(直径略大于换热管外径即可)进行钻孔。而垫片的孔要略小于换热管外径，用小一号的钻头加工，但要保证加工面的光滑度，保证密封效果。

3、设计加工端盖6和天窗盖板7。如图9、10所示。端盖为两个，设置在整个装置的两端，端盖的尺寸与端筒节上的法兰外周尺寸一致。在端盖的边缘对应于法兰上螺栓孔位置设置八个螺栓孔63，用于螺栓的连接。中心位置则留有一个螺纹孔62，用于连接管程流体的进口与出口接管。天窗盖板尺寸与筒节天窗部分的凹面边缘尺寸一致，并且在天窗盖板的边缘设置六个螺栓孔73，用于螺栓的连接。在中心部位留有螺纹孔72，其作用是安装气、液阀门，其中气阀安装在筒节的顶部，液阀安装在底部。不需要连接阀门的天窗盖板则不要开设螺纹孔。

实施例3：本发明的微管道阵列传热性能试验装置的组装实例

本发明的微管道阵列传热性能试验装置由四筒节组成，将如图13所示的以四个等长的筒节组成的试验装置为其中一个安装实例，筒节的规格如图14、15所示。其中中间两个壳程筒节2、6连接构成壳程，壳程内部设有换热管4；两侧的两个作为端筒节10、21作为试验装置的管程的管箱，换热管的进出口分别伸入在两侧的筒节中，与端筒节共同形成管程。

安装时首先通过螺栓-垫片-法兰连接结构将两个筒节2、6进行连接。两个筒节之间设置有折流板5与折流板密封圈3。然后将换热管4逐一穿过折流板5(换热管穿插过程中可通过筒节上的天窗进行辅助安装)，再将4个隔板17根据布管情况依次插入筒节2、6的插槽中。最后将换热管4的两端分别穿过壳程两端的管板7、垫片8、管板9以及管板18、垫片19、管板20所构成的两个三合一结构。

端筒节10通过管板7、垫片8、管板9所构成的三合一结构与筒节6进行连接，端筒节21通过管板18、垫片19、管板20所构成的三合一结构及螺栓与筒节2进行连接。

两侧的端盖盖板12、23分别与两侧的端筒节10、21通过螺栓进行连接，端盖盖板和端筒节之间设置有端盖密封圈。

然后，通过8个天窗盖板密封圈14及螺栓将与之对应的8个天窗盖板15与四个筒节进行对应连接，将筒节和端筒节上的天窗进行密封。

螺纹孔13连接接管，作为管程的进口。螺纹孔24连接接管，作为管程的出口。

螺纹孔16连接接管，作为壳程的进口。螺纹孔1连接接管，作为壳程的出口。

筒节上其余螺纹孔连接各个传感器，无需使用的螺纹孔通过螺栓密封。

实施例4：试验验证实例

本发明采用实施例3的微管道阵列传热性能试验装置进行测试，在试验过程中所使用的计量泵、恒温水箱、流量计、压力传感器、温度传感器的各个参数如下表所示。

表1计量泵参数

表2恒温水箱参数

表3流量计参数

表4压力传感器参数

表5温度传感器参数

用于数据采集的测控系统采用Lab view编程，通过电脑与温度、压力传感器连接，直接在软件页面显示数据。图中实时显示管程进出口压力和温度、壳程进出口压力和温度，数据每5秒读取一次，待稳定之后输出数据。

采用恒温水箱作为微管道阵列传热性能试验装置的热源。在不同的试验装置内部结构，设定不同的试验装置的管内流量数次、管内温度。试验方法流程如图11所示。每次试验均严格按照以下试验步骤进行：

1.分别将恒温水箱连接至壳程和管程的进出口位置。

2.给恒温水箱装2/3工质，打开供电电源，并调节至试验温度。

3.开启数据采集软件，设置采集间隔、采集时间，开启压力传感器、温度传感器、供电电源，初始化采集系统。

4.调节管程和壳程流量计至所需流量，控制管程和壳程流量。

5.检查试验系统中各个阀门的开闭情况，以保证各管路畅通，待恒温水箱工质达到所需温度后，开启计量泵。观察试验过程，确保试验安全顺利进行。

6.待系统中所有采集的管程和壳程进出口温度、压力、流量变化量均小于5％时，认为整个试验系统的流动和传热进入稳定状态，记录试验数据。

7.试验全部完成后，先关闭计量泵和恒温水箱电源，待整个试验系统中压力、温度全部降下来后，保存所有数据，退出数据采集系统。

采用上述装置和方法进行微管道阵列传热性能试验装置换热性能试验，研究管间距对流体传热的影响规律。

试验设定微管道阵列传热性能试验装置管程液体循环流量，将管程流量分别设置为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4l/min等6种，进口温度设置为333K；试验装置壳程循环工质流量在0.4～1.2l/min之间，研究管间距对流体传热的影响规律。

试验采用不同管间距结构，分别为2/4/6/8mm，布管方式为正方形排布。试验装置结构参数列于表6中。为研究管外流型问题，试验时只改变管间距，其他参数不变。试验在3种不同的管内体积流量下进行，分别为0.6、0.8、1.0l/min，试验操作参数列于表7中。换热管的内径为0.8mm，外径为2mm。

表6微管道阵列传热性能试验装置结构参数

表7试验操作参数

图12所示为总传热系数与换热管间距的关系。以总传热系数为评判标准，分析管间距对传热效果的影响。从图10中可以看出，在3种不同的管内流量条件下，总传热系数K呈现出先增大后减小的趋势，当管间距为4mm时总的传热系数最大，传热效率最高，此时Q_max＝1800W·m^-2K^-1，比管间距为2、6、8mm时的总的传热系数提高了20％～30％。因此，为了提高强化传热的效果，当采用正方形排列方案时，应优先考虑将选择的管间距设置为4mm。

一般情况下，常规试验装置的总传热效率范围为850～1700W·m^-2K^-1，所以本发明的微管阵列传热性能试验装置的总传热系数提高了0.5～53％，即达到了强化传热的目的。