聚合物微型换热器传热机理研究

摘要

随着微纳制造技术的不断发展,换热设备中对微小紧凑式微型换热器的需求也越来越多,微型换热器的应用不断浮出水面,成为学者们的研究热点。本文以聚合物材料微型换热器作为研究对象,利用换热性能测试系统以及FIoEFD软件,完成了聚合物微型换热器的结构设计与数值模拟,得到聚合物微型换热器的流动及传热规律,用于指导实际设计和使用。
　　 本文设计了一种聚合物微型换热器的换热性能测试实验台,包括实验工质回路和电气控制单元两个部分,换热性能测试系统中采用精密流量计、精密压力表以及温度采集系统保证实验数据的准确性。实验测试段分为3个部分:塑料外壳、塑料进出口以及实验测试片(微槽道部分)。为了使得实验测试系统具有通用性,可以测试不同截面形状、结构微型换热器,以及确定材料特性对微型换热换热性能的影响,实验段中微槽道部分可以更换,其外部塑料外壳以及塑料进出口装置,均采用分体式金属铝制模具加工的方法。通过实验和模拟对比发现,此微型换热器换热性能测试实验台可以满足对微型换热器换热性能的评价要求。
　　 利用FloEFD流体分析软件,就聚合物材料微型换热器的传热过程进行模拟计算,从截面形状、当量直径、开孔率、长径比以及高宽比几个方面得到聚合物微型换热器的流动特性曲线(Re-f),传热特性曲线(Re-Nu)并对不同微型换热器的换热性能进行了对比分析,为后续的深入研究提供参考依据。
　　 按照模拟结果设计了聚合物微型换热器,利用空气和水进行换热研究。最后验证聚合物代替金属材料的可能性,并提出金属.聚合物复合型微型换热器的构思,并对其换热能力进行数值仿真。
　　 本文创新之处主要有以下两点:
　　 (1)聚合物微型换热器的换热性能测试系统具有通用性,采用金属分体式模具制备以PP为材料的实验测试段的外壳和进出口。
　　 (2)提出聚合物代替金属制造高性能微型换热器的可能性,并通过理论和数值分析,设计和研究了一种新型的金属-聚合物复合型微型换热器。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

Contents

第一章 绪论

1.1 微型换热器的内涵

1.2 微型换热器的研究进程介绍

1.2.1 微型换热器的换热材料

1.2.2 微型换热器的加工制造技术

1.2.3 微型换热器的换热研究进程简介

1.3 微型换热器的应用发展前景展望

1.4 论文选题的目的和意义

1.5 课题研究的主要内容

第二章 换热器流动和传热基础理论

2.1 换热器中流体流动理论

2.2 换热器传热理论

2.2.1 热传导

2.2.2 热对流

2.2.3 热辐射

2.3 微型换热器的流动及传热机理研究方法

2.3.1 解析法

2.3.2 数值解

2.3.3 实验法

第三章 微型换热器换热性能测试系统

3.1 换热性能实验测试系统的工作原理

3.2 换热性能实验测试系统的设计

3.2.1 测试实验系统的布局与加工

3.2.2 微型换热器实验测试段的设计和加工

3.3 实验过程及数据处理

3.3.1 实验条件

3.3.2 实验步骤和实验说明

3.3.3 实验数据的处理以及实验结果的验证分析

3.4 本章小结

第四章 聚合物材料微型换热器传热机理研究

4.1 截面形状对聚合物微型换热器传热性能的影响

4.2 矩形截面微型换热器性能仿真

4.2.1 当量直径对聚合物微型换热器传热性能的影响

4.2.2 开孔率对聚合物微型换热器传热性能的影响

4.2.3 长径比对聚合物微型换热器传热性能的影响

4.2.4 高宽比对聚合物微型换热器传热性能的影响

4.3 本章小结

第五章 聚合物材料微型换热器换热性能实验和仿真

5.1 聚合物材料和普通材料的物性

5.1.1 导热系数

5.1.2 热传导率

5.1.3 热容能力

5.2 聚合物材料微型换热器研究实例

5.3 微型换热器中的翅片导热原理

5.4 聚合物微型换热器的换热模拟

5.4.1 无翅片微型换热器换热性能模拟

5.4.2 翅片式微型换热器换热性能模拟

5.4.3 微型换热器换热器设计高度

5.4.4 金属-聚合物复合型微型换热器散热能力

5.4.5 金属-聚合物复合型微型换热器的可行性分析

5.4.6 分层换热器

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本课题完成的工作

6.2 存在的不足及有待继续研究的方向

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书