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6.3.2介质为水的紊流微通道的传热计算

日期：2022-01-11 01:29:05点击：162

6.3.2介质为水的紊流微通道的传热计算
1.通道内换热系数的计算
根据文献[3],通道内流体紊流换热时

适用条件是:

为了满足

,的条件，取

,管内应满足的流速为

, 选取平均温度为50℃时的水的物性值，由式(6.3.2)计算的各通道内的换热系数示于表 6. 3.2 中。
此外，为了计算微通道翅片效率，对翅片内的传热路径和影响范围需加以说明，如图 6- 3.2所示。图中,3为翅片的节距,b=t+W；H为翅片的垂直高度，考虑到顶部盖板部分, 翅片的有效高度

= H+b/2。

图6. 3.2翅片的影响区域

由式(2.4.7)可知，直翅片的翅片效率的计算式为

式中，

为翅片材料的导热系数，硅翅片:

；铜翅片：

。表6. 3.2列举了 4种不同型号和不同换热系数h值下的翅片效率

,的计算结果。
此外，为了通道传热计算，需要求岀以基板表面为基准的换热系数h
表6.3.2翅片效率和基板表面换热系数

型号	材质	当量直径	通道内水流量 v/(m • s^_,)	通道内换热系	翅片效率	基板表面换热系数
1	硅	1.0	5. 54	39 167	0. 62	58 946
	铜				0. 80	66 584
2	硅	1.5	3. 69	26 111	0. 47	56 008
	铜				0. 62	69 716
3	硅	1. 714	3.23	22851	0. 26	50 043
	铜				0.41	72 323
4	硅	1. 818	3. 05	21 544	0. 17	49 228
	铜				0. 28	74 111

在图6. 3. 2中，以一个翅片的影响区域计算，翅片外表面积

,设翅片纵向尺寸L=1;翅片两侧的裸露面积

；翅片基板面积

。则以基板面积A。为基准的换热系数为

对4种型号、两种材质的计算结果见表6. 3. 2。
2.热流密度和等温性计算
在基板上,一个翅片占有的传热面积为

式中工为翅片纵向长度，即介质的流动行程。
在

表面上的传热量Q及热流密度为

式中，

为基板表面换热系数

为基板表面的温度T_o与介质温度

之差。由式(6.3.5)可知，当换热系数九，确定之后,传热量。或热流密度q将随温差

而变化。分别选取温差为

，相应的热流密度的变化见表6. 3.3_O
此外，基板的等温性也是微通道的重要指标。因为介质(水)流过微通道时温度升高对基板的等温性有直接影响，所以可以用介质的温升代表基板表面的温度变化，即等温性。介质的温升为

式中,

为水的比热容;。为在一个通道内的传热量，由式(6. 3. 4)得

可见Q值与通道长度L有关,可选取通道纵向长度L=25 mm, 50 mm, 100 mm三种情况进行计算;

为流过微通道的介质流量(kg/s)：

G=［通道横截面积(m²) ］ x［流速(m/s) ］ x［介质密度(kg/m³)］

对4种不同型号，按表6. 3. 1选取通道横截面积，按表6. 3. 2选取管内流速，代入式 (6.3.6)计算介质温差，计算结果见表6.3.3。
计算说明：
(1) 表(6.3.3)包含了微通道结构和运行的多种情况：
在结构方面：［4种型号］x［2种材质］x［3种通道长度］=［24种规格］；
在运行方面：［3种温差

］；
总计：72种微通道的结构和运行情况，对应72项微通道的热流密度和等温性的计算结果。
(2) 该表格可作为微通道选择的参考。从等温性数据可以看出，型号1的等温性是最差的，温差

都在1℃以上，而型号3 ,4等温性最佳,有多个结构和运行条件可使

在 1℃以下，如表6.3.3中黑体数字所示。

表6.3.3微通道的热流密度和等温性

型	材
型	材	q/(W ?				qW/cm²				qW/cm²
号	质	cm^-2)	L=25mm	L=50mm	L=100mm	qW/cm²	L=25mm	L=50mm	L=100mm	qW/cm²	L=25mm	L=50mm	L=100mm
	硅	58.9	1.29	2. 58	5. 16	117. 8	2. 58	5. 16	10. 32	176.7	3. 87	7. 74	15.48
	铜	66.6	1.46	2. 92	5. 83	133.2	2. 92	5. 83	11.67	199.8	4. 38	8.75	17. 5
2	硅	56.0	0. 61	1.23	2. 45	112.0	1. 23	2. 45	4.90	168.0	1. 84	3.68	7. 36
2	铜	69.7	0. 76	1.52	3.04	139.4	1. 52	3.04	6. 08	209. 1	2. 28	4. 56	9. 12
3	硅	50.0	0.31	0. 62	1. 24	100.0	0. 62	1. 24	2. 48	150.0	0. 93	1. 86	3. 72
3	铜	72. 3	0. 45	0. 90	1. 80	144.6	0. 90	1. 80	3.60	216.9	2. 70	5.40	10. 8
4	硅	49.2	0. 20	0. 40	0. 80	98.4	0. 40	0. 80	1.60	147.6	0. 60	1.2	2.4
4	铜	74. 1	0. 29	0. 58	1. 16	148.2	0. 58	1. 16	2. 32	222. 3	0.84	1.68	3.36

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