第一节引 言
一!化工设备及换热器的微小型化
换热设备由早期开始，一直沿用至今的都是大型化管壳式结构。直到20世纪20!30年代才出现紧凑式板式及板翅式换热器。到了21世纪90年代，又出现了微流道微型换热器。
对于化工机械设备的微小型化，发达国家在20世纪80年代便开始进行了反应与换热设备小型化的研究，如德国Karlsruhe的核能研究中心在80年代末开发的W小型换热器的换热功率最大可达20kW;90年代初开始了微小型化工(动力)机械系统的研究，如美国能源部的太平洋西北国家实验室（PacificNorthwestNationalLaboratory，PNNL)在美国国防前沿研究署及能源部的支持下开展了微型化工系统的研究，而后又纳入微型热系统的概念，并注册了名为Micro-CATS(MicroChemicalandThermalSystem)的开发平台，针对能源、空间技术、军事、运输、环保、難领域的需求开发了微型换热器、微型蒸发器、微型热泵、微型反应器、微型吸收器等尖端设备。美国Oregon州立大学也与PNNL合作开展了以微技术为基础的能源与化工系统(MECS)的研究;麻省理工学院开展了微燃烧器技术的研究;我国华东理工大学在微型换热器和制氢反应器的设计制造方面也取得了重要进展。
小型化学机械系统在传统的学科框架下基本上可以找到其设计的理论依据，但在制造技术上则仍有许多困难需要克服。而微型化学机械系统相对于宏观系统存在尺度效应问题，即微型化学机械系统并非传统意义下宏观化学机械系统的简单几何缩小。因为当化学机械系统尺寸微型化后’材料的物理性质及其对环境变化的响应发生很大的改变，微机械的力学特性和构件在环境介质中的行为以及所受体积力和表面力的相对关系也发生变化;另外，由于制造工艺和制造技术存在的难度，还会弓丨起构件间的几何误差和接触摩擦。目前由于对微观条件下的化学机械系统的特性以及介质、负载作用下的物理、化学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定舰基础之上的微型化的设计理论与方法，只是借助试验和模拟方法，利用一些成型的宏观舰，对微型换热器、微型反应器等设备的结构和流场问题进行分析和推测，试图归纳、总结出适用于微型化学机械系统的设计舰。
至于换热器，具体来说，由于列管式换热器体积庞大等诸多局限，而提出了开发高效、紧凑式鶴器的求。随着强化传細论的发翻机械加工技术的提高’出现了许多新型高效的强化传热表面结构，进而开发了以板式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器及热管换热器为代表的小型化换热装置。经过几十年的发展，小型化换热装备技术虽然已很成熟，但对于微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学等领域’对高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却等方面，尤其是对于超大规模集成电路的热障问题以及其他一些对换热设备的尺寸和质量有特殊要求的场合，却受到了很大的限制。因而，这些需求又进一步推动了换热装置向着更加高效、更加小型化的方向发展——麵换热装置。
二、微小型化设备制造技术进展简述
微小型化学机械系统的功能是传热、传质和化学反应’由于系统在高温度、压力和腐蚀介质的情况下工作，条件更显苛刻，雜结构的好坏直接影响着系统内物理过程和化学反应的效果，因此微小型化学机械系统的制造技术和质量显得非常
重要。
随着加工制造技术的发展，目前已实现了一些复杂的机械表面。但从当前的国际微型机械产品的生产来看’三维复杂微成型在技术上仍未得到很好的解决’人们正在积极开发新型的、更有效的微加工、微成型技术。
微型化学机械系统的关键技术是系统的雜装由于不同的使用温度对材料的要求不同，因此组装工艺也有很大差别。目前微型化学机械系统一般采用多层槽道板重叠布置’采用扩散焊进行封焊。
三、紧凑式及小型化换热装置
!各种紧凑换热设备的特点
公认的紧凑换热设备一般包括板式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器及热管换热器等。板式换热器最早出现于1923年，有垫片密封式、半焊接式、全焊接式、钎焊式等多种结构形式。板式换热器两侧流体完全呈逆流流动，且板片间流体返臟小，极大提高了有效能的利用率。其单片传热面积为0.02〜4.45m2/片，单台换热面积为2500m2/台，总传热系数可达3500〜7500W/(m2•K)，介质处理量达3500〜5000m3/h。结构紧凑性翻倍提高。
20世纪30年代进一步发展板翅式换热器，英国的马尔斯顿•艾克歇尔瑟(MarstonExcelsior)公司首次开发出铜及铜合金制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。此后，各种金属材料的板翅式换热器相继出现在工程应用中，以铝合金材料为主。其在传热效率、适应性、密封性、可靠性以及经济性等方面，比列管式换热器表现出了更大的优越性。近年来，针对高温、高压、易腐蚀、易结垢等甚为恶劣的工况条件，具有相应对抗特性的不同材质的新型板翅式换热器相继问世，如日本开发的可承压35MPa的铝碳纤维复合材料制板翅式换热器等，国内开发的具有极强的抗腐蚀和抗结垢能力石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热器等。螺旋板式换热器最早由瑞典Rosemblad于1930年提出，是由两张间隔一定距离的平行薄金属板卷制而构成的一种高效间壁式传热设备，具有I型（不可拆式'n型(可拆式)和$型(垫片密封式的可拆式)3种基本形式。相对于列管式换热器，它具有流动均匀、传热均匀、体积小、易于检查维修等优点。目前，螺旋板式换热器最高使用压强小，最高使用温度在300〜400°C；近期，我国扬子石化公司创造了第四种基本结构的螺旋板结构，其应用良好，开始在我国石化系统中应用。
热管是20世纪60年代中期发展起細一种新型高效的传热元件，主要由管壳、吸液芯和工质组成，其导热能力比金属高几百倍至数千倍，其较为完整的理论由Cotte于1965年首次提出。由于热管特有的传热机理，使得冷热流体间的换热均在管外进行，因此可以很方麵进行管外传热强化，如加焊翅片、钉头等扩展传热面，以克服气体换热系数较小的问题，使整个设备结构紧凑。目前管外传热强化热管形式主要有合金钎焊翅片管、高频绕焊翅片管、U形翅片管、嵌入式翅片管等，都较普通热管换热器有较高的传热性和较广的使用范围。
2.紧凑式小型化换热器与列管式换热器的性能比较
为了进一步说明紧凑式小型化换热装置比传统列管式换热器效率高和节能，以及换热装置向微小化发展的必然性和迫切性’现以某种酸性腐蚀介质的冷却为例，在同一工况下(设计工艺参数见表1!)，分别采用不同结构形式和材质的小型化换热装置进行实际设计，并与传统列管式换热器进行比较(表1")。
对表1"中各参数进行比较发现，从结构形式来看，相同的设备材料下，板翅式换热器的比表面积最高(约是板式换热器的4倍、螺旋板式换热器的2倍、列管式换热器的5倍），压力降最小，所占空间比螺旋板式和列管式小;从设备材料的角度来看，聚四氟乙烯复合材料制板翅式换热器质量轻(约为不镑钢制的1/3)，经济指标最优(小于不镑钢制的1/2)从能量的角度来讲，聚四氟乙烯复合材料制板翅式换热器单位成本输出的能量最高，远大于列管式(约是不镑钢制板翅式换热器的2倍、螺旋板式的3倍、列管式的2倍）。由此可见，小型化换热装置在工业应用中不仅成本低，而且节能。
第二节微型换热装置
所谓微型换热装置是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。通常含有当量直径小于50(%m的微通道，如图1!所示。在这种狭窄的通道中，流动边界层厚度大大减小，因而流体热传导阻力减小，传热速率增加，其无相变传热膜系数可达10〜15kW/(m2•K)，有相变传热膜系数可达30〜35kW/(m2•K)同时，微通道使流体与通道单位体积接触表面积远大于常规通道（图1")，从而使得整个换热器的体积可比常规换热器体积小一个数量级以上，单位体积内的换热量可比常规换热器的高五个数量级以上（图1-3)。微型换热装置包括由多层槽道板构成的微通道蒸发器、微通道加热器等。
一!微通道蒸发器及应用
微通道蒸发器以其微型换热装置的显著特点，成为机动车辆、航空以及低温制
冷技术领域中的热门研究内容之一。与常规的蒸发器性能相比，微通道蒸发器具有优良的特性指标，如高传热系数[10〜30kw/(cm2•K'、高热流量（100W/cm2)(高传热效率(>80%)和低的热响应时间(几秒)等。以1999年美国PNNL设计的微通道燃料蒸发器为例，将尺寸为9cmX10cmX3.8cm、质量为1.8kg的微通道燃料蒸发器（图1-4)应用到燃料电池的燃料处理系统中，可蒸发汽油量260mL/min，可为50kW燃料电池的燃料处理系统提供燃
图14微鍾燃料蒸发器料。
PNNL微通道燃料蒸发器与常规燃料蒸发器的性能比较见表1-3。
表1-3PNNL微通道燃料蒸发器与常规燃料蒸发器的性能比较
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