引言
在当今社会快速发展的背景下，能源消耗所导致的全球变暖和环境污染已经成为全世界关注的焦点。为了应对这一挑战，各个国家纷纷采取措施，实施低碳发展模式，以实现环境保护和可持续发展的双重目标[1]。2021年11月，第26届联合国气候变化大会再次强调了《巴黎协定》中的目标，即将全球平均气温上升控制在工业化前水平的2℃以下，并努力将气温上升限制在工业化前水平的1.5℃以下[2]。
根据测算，为了实现这一目标，2020年—2050年，中国需要在保持社会经济发展的同时，实现碳减排超过2/3以上的目标[3]。为实现碳减排目标，节能减排技术的开发和应用尤为重要，包括调整能源结构，加大低碳或清洁能源的使用占比；调整产业结构，逐渐淘汰高污染、高排放产业，转而发展高精尖技术产业；提高能源利用效率，增加余热和废弃物回收设备。当前阶段，提高能源效率占据节能减排技术发展的首要地位，而换热器的优化研究应用是其中的关键技术。
平板微热管阵列作为一种高效的传热装置，因其能够快速传递和分散热量，所以近年来得到了重点的应用和发展。将平板微热管阵列应用到换热器当中，使得其具备了体积小、传热效率高、传热速度快和适应性强等特点，因此在电子电器、冶金化工、新能源等领域得到了广泛的应用。平板微热管阵列换热器拥有的独特性能，使其成为替代传统换热设备的理想选择。
1、平板微热管阵列换热器的简介
平板微热管阵列外形呈平板状，是由多个内部带有微槽结构的热管组成，每个内部热管直径仅为50μm~3mm，长度为5mm~90cm，如图1所示。
平板微热管阵列的工作原理类似于传统热管，通过热传导和相变原理实现热量的传递和散热。平板微热管阵列中每个带有微槽结构的热管都是独立封闭的，内部抽真空并填充有氨、制冷剂、乙醇、甲醇等，有些高温平板微热管阵列通常还会使用钾、钠等低熔点金属。在工作过程中，通过加热内部工质引发相变，并使其顺着平板微热管阵列内壁流向冷凝段，冷却凝结后再返回蒸发段，并以此循环往复，以实现热量运输传递的目的，运行原理如图2所示。平板微热管阵列的优点在于其高密度的热传递能力和均匀的温度分布。每个内部微热管均能独立传递热量，使得其能够在有限的空间内实现高效的热管理，并保证高度可靠性。此外，平板微热管阵列还能够均匀分散热量，有效避免热点的产生，从而提升系统的稳定性。
平板微热管阵列换热器主要将平板微热管阵列作为核心传热元件，通过内部工作流体的相变循环（蒸发和冷凝）有效地传输热量。
2、平板微热管阵列换热器的研究现状
目前对平板微热管阵列换热器的研究主要是为了提升其传热性能，将实验与模拟研究相结合，提升换热效率。影响平板微热管阵列换热器性能稳定性的因素主要包括流态变化、表面张力、热阻和热容、操作条件及运行条件等，上述因素都会对其产生性能影响。为解决上述的影响因素，现有的研究主要分为两大类，一是对平板微热管阵列进行优化研究，二是对平板微热管阵列换热器的性能进行分析。
2.1平板微热管阵列的优化研究
2.1.1微槽尺寸
合理改变平板微热管阵列的微槽结构形状和尺寸可以增强平板微热管阵列的传热性能。NA－GAYAMA等[4]提出了带有槽道收敛的微通道阵列，以此来增强热管毛细力。在给定工作条件下设计优化槽道收敛部分和直通部分的尺寸，与直通微通道和未优化的收敛微通道相比，提高了热性能，并指出提高平板微热管阵列热性能的关键是优化其微槽尺寸。
2.1.2工质选择
平板微热管阵列工质的热物性参数，如蒸发潜热、导热系数等，会影响热量的传递和换热器的传热效率。ZHAO等[5]提出了平板微热管阵列的传热极限与工作介质的蒸发潜热呈正相关关系，含有去离子水的甲醇二元流体可以增加工作介质的蒸发潜热。研究中使用了含有不同甲醇和去离子水二元流体浓度以及100%甲醇含量的热管，通过实验测试了这5种平板微热管阵列的性能。结果显示，80%甲醇含量的平板微热管阵列具有最大的热功率，并且相比于100%甲醇含量的平板微热管阵列，其传热特性更好，最大热功率增加了12.0%，动态响应时间减少了15.1%。另外，60%甲醇含量的平板微热管阵列具有最快的动态响应时间，比100%甲醇含量的平板微热管阵列低30.42%，但最大热功率相对较低，减少了10.0W。
2.1.3工质充液率
平板微热管阵列充液率是指管内工作介质的填充程度。合理的充液率可以提高换热器的传热性能，过高或过低的充液率都会降低传热效率。LI等[6]采用可视化的方法研究了超薄平板微热管阵列在不同充液率下的传热性能表现，实验结果表明，最佳充液率为15%，工作介质刚好填满吸附层，热阻最小为1.2℃/W。在过高的充液率下，加热时观察到沸腾现象，对提高传热极限的效果非常有限，只能增加4W的传热极限。毛细极限是限制超薄平板微热管传热极限的关键因素。过多的液体在蒸汽腔中形成液体桥梁，将阻碍蒸汽的流动。同时，它会破坏冷凝工作介质的毛细流动，导致冷凝区域的液体积聚，增加平板微热管的热阻。
2.1.4倾斜角度
倾斜角度的选择可以影响平板微热管阵列的传热性能。HUANG等[7]通过实验探究了平板微热管阵列的最佳充液工质和倾斜角度。首先制备了3种不同充液工质的平板微热管阵列，分别是丙酮、环戊烷和正己烷。对这3种平板微热管阵列进行了性能研究，结果发现丙酮工质平板微热管阵列表现出了最佳的性能，原因是丙酮液体蒸汽的较小流动黏性摩擦力和剪应力。提出了一种确定平板微热管阵列最佳倾斜角度的标准。在该研究中，以74±7%的体积分数（αc，a），能够很好地预测具有不同工作流体和热负荷的平板微热管阵列的最佳倾斜角度。
体积分数αc，a，公式如下：
式（1）中：V工质为冷凝段和绝热段中的工作流体体积，m3；V槽道为冷凝段和绝热段的槽道体积，m3。
综上所述，针对平板微热管阵列的优化研究，通过调整微槽尺寸、选择合适的工质、控制充液率以及确定最佳倾斜角度，可以有效地增大热传输效率，降低热阻，并提高系统的动态响应速度，从而优化平板微热管阵列的整体性能。上述优化方向不仅为平板微热管阵列的设计和应用提供了重要的理论和实验依据，也显著提升了平板微热管阵列换热器的运行效果。通过这些综合性的优化措施，可以使平板微热管阵列在电子冷却、余热回收和其他领域中实现更为高效和可靠的应用效果。
2.2平板微热管阵列换热器的性能分析研究
2.2.1实验分析研究
当前对平板微热管阵列换热器的实验分析研究主要是通过在实验室环境下或实际工程中进行安装和使用后，进行性能分析研究。换热器性能分析问题主要是在给定换热量、传热面积、传热系数及出入口温度等参数的基础上，分析各变量之间的依赖关系，从而得出换热器的性能表现。目前应用的方法主要有效率分析、有效度-传热单元数法、基于熵理论、火积理论、火用理论分析等。总结出不同参数下的换热器传热性能表现，为日后平板微热管阵列换热器在不同领域的推广应用奠定基础。
靖赫然等[8]提出一种基于平板微热管阵列的换热器，利用冬季和过渡季室外空气冷量，解决基站的散热降温问题。设定不同室外温度，对该换热器顺流、逆流下的换热性能、温度分布、阻力特性等参数进行分析。结果发现逆流式相较于顺流式性能提升了16.9%，换热器具有良好的性能表现。YANG等[9]介绍了基于平板微热管阵列的气水换热器（见图3），将此应用到工程实例中，采用控制变量法分析了不同进口温度和风速对传热的影响。结果表明在换热器到达最大传热量时，烟气进口温度为190℃，传热效率稳定在70%以上，超过了国家标准。通过引入无量纲等效热阻R*和热导N*来分析传热过程的不可逆性，研究发现到达换热器临界温度前，应适当降低风速以保持温度。在到达临界温度后，引入了有效度传热单元数法和有效度热导率法对传热性能进行了对比分析。
等效热阻RA，公式如下：
无量纲等效热阻R*，公式如下：
无量纲热导N*，公式如下：
式（2）~（4）中：Cmin为换热器较小热容量流；ε为换热器有效度；C为热容量流比。
DIAO等[10]在住宅建筑热回收系统中，采用了锯齿翅片的平板微热管换热器。对该换热器性能进行了实验研究，分析了在不同室内外空气温度、空气体积流量和平板微热管阵列排列方式下的性能。结果表明，该平板微热管换热器表现了较高的传热能力，具有高热回收效率、高可靠性、低阻力和小巧的体积。在实验条件下，最大热回收效率和COP分别可达到78%和91.9%。
JING等[11]基于平板微热管阵列换热器，提出了新型分体式自然冷却系统，并将其应用到数据中心的热管理系统中。通过实验室性能研究，分析了不同室外温度、空气、水流量以及室内外侧换热器组合形式对系统性能的影响。在恒温恒湿的实验条件下，测试了28℃和38℃两种室内温度。结果显示，空气流量对换热器性能的影响大于水流量，并建立了压降拟合曲线，为换热器设计和相关设备的选择提供了参考依据。当室内外侧换热器组合形式M=0.75时，系统的综合性能最佳，最大换热量为8.7kW，最大制冷能效系数为14.01。在封闭了热通道的散热条件下，当M=0.75时，最大换热量达到12.4kW，并且最大制冷能效系数为17.15。实验结果表明，使用平板微热管阵列换热器的冷却系统具有良好的性能表现。
杨金钢等[12]提出了基于平板微热管阵列的气气换热器，应用到厨房低温油烟余热回收，对该换热器性能进行了实测研究，对不同室外温度、风量、翅片尺寸进行了传热性能和阻力测试。结果表明，换热器的换热量随着室外温度升高而减小，随着风速增大呈线性增加趋势，而随着翅片尺寸增大则呈现非线性减小趋势。换热效率稳定在0.77～0.97，符合相关标准。同时，该换热器具有较好的低温适应性，在不同场景下都能满足使用要求，因此应用场景广泛。
2.2.2模拟分析研究
有学者采用计算机模拟研究，直观展现了平板微热管阵列换热器的性能表现，韦新东等[13]对采用平板微热管阵列换热器散热的互联网数据中心IDC机房进行模拟研究，优化了机房气流组织，得出平板微热管阵列换热器的温度云图，如图4所示，分析得出换热器运行效果优异，并有效地降低了空调系统的运行能耗。
综上所述，对平板微热管阵列换热器的实验分析和模拟研究展示了其在多个领域应用中的优异性能。实验研究通过设定不同的运行条件，如进出口温度、流量等，详细分析了换热器的性能，包括传热效率、温度分布和阻力特性，为换热器设计和优化提供了重要的参考数据。模拟分析研究则利用计算机模拟技术，直观展现了换热器的运行效果和温度分布，有助于进一步优化空气流动性能，降低系统能耗。现有研究成果不仅展示了平板微热管阵列换热器具有广泛应用的潜力，也为其在各个领域的应用提供了理论和实践基础，但是根据查阅相关文献发现，针对该换热器翅片的结构尺寸优化相关研究较少。
总体来看，平板微热管阵列换热器具有良好的热传递能力和热回收效率，在不同运行参数下表现出优异的性能，具有广阔的应用前景。
3、结论
平板微热管阵列换热器作为一种高效传热设备，相较于传统的换热器拥有更好的性能表现，在节能减排的背景下具有广阔的应用前景，本文介绍了平板微热管阵列换热器的性能影响因素和应用情况，主要的结论如下。
1）平板微热管阵列换热器的性能受到平板微热管阵列的微槽尺寸、工质选择、充液率、倾斜角度及换热器的翅片尺寸、热流量、运行温度、流动特性的影响，在实际应用中，需要综合考虑和优化这些因素，以获得最佳的换热器性能。
2）平板微热管阵列换热器的相关研究中，针对平板微热管阵列选型优化的研究较多且较为全面。然而，在换热器性能分析方面，关于换热器翅片结构尺寸参数优化的相关研究内容较少，因此仍需要进行大量的实验研究和理论分析。
3）平板微热管阵列换热器的应用研究已经涉及农业基站室外自然冷却系统、住宅建筑热回收系统、数据中心的热管理系统等领域。这些实际应用案例验证了微热管换热器的高效性和可靠性。未来的研究和应用方向包括进一步优化平板微热管阵列的微槽结构设计和内部工质的选择，提高传热效率和稳定性；开发新型的换热器结构和材料，以适应更广泛的应用场景；探索换热器在低碳经济发展和能源节约减排中的应用潜力，为实现节能减排，绿色发展做出贡献。
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