关于微通道内传热问题的探讨

大家现在都比较关注微通道内的传热问题。众所周知，微通道化工设备最大的特点就在于传热能力强。但是关于微通道换热器与反应器传热效果的影响因素，很少有厂家以及科研单位做一些系统性的总结。笔者在早期曾经专门对微通道的传热系数问题做过研究，在这里仅分享一些结果。

图中所示的是两种材质，三种流道形状，不同特征传热尺度下的微通道换热效果。这张图可以对微通道传热的很多问题提供解答。也可以对微流道的设计提供一些方向性的思路。

首先要明确一点，微通道内传热系数最大的影响因素就是传热特征尺寸，在0.1-5mm范围内，均对微通道的传热系数有着很大影响。这也是在设计中需要优先保证的设计指标。

其次是材料的影响，目前微化工模块采用的材料有金属（不锈钢，钛材，哈式合金等）以及陶瓷材料。对于耐腐蚀要求不高的体系比如微换热器等可以考虑导热系数更高的黄铜。但是单纯从换热能力来看，对于传热特征尺寸大于1mm的流道，不同材质之间的换热系数偏差不超过20%，材料本身的导热能力对系统换热能力的影响很小。相反通道尺度越小，材料的影响就会越显著，对于0.5mm以下的微流道，为了最大限度的提升导热系数有必要考虑合理的设备选材。

第三，复杂的微通道形状有助于提升传热效果，提升效果约为简单流道的1.2-1.4倍。对于特征尺寸大于1mm的流道，完全可以通过流道形状的改变弥补材料换热能力的差距。

以上图均没有考虑流态的影响，实际上，上图是层流状态下的实验结果。当流道内发展成为湍流的时候传热能力还有提升。但是这种情况要求较大的流动速度，在实际研发中比较少见。目前流道设计的一个发展思路也就是尽可能增加流体扰动，使流体在低雷数下发展为湍流。

当然，设备的换热能力还受到非常多参数的影响，总传热系数仅仅是一小部分。设备的比表面积，工艺条件下的冷媒温度，流体的物理性质都会影响最终的传热效果。对于微换热系统的设计，笔者总结出一个大致的设计原则“

1.     选材方面，优先考虑设备耐腐蚀性能，在设备耐腐蚀性能达标的前提下，选择价格便宜，容易加工的材质。

2.     在材质易于加工的基础上，可以考虑加工成本尽可能降低传热特征尺寸。有效弥补材质本身的导热能力不足。

3.     适当采用强化流道，但不应过度最求复杂流道，导致加工成本增高，得不偿失。

板换的小型化理念，提高换热面积，增加换热效果！

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