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本文介绍了一种创新的可变形聚合物片基换热器。该换热器采用约50微米的透明高分子薄片制成，其传热系数高达2000 W/m2K，单位成本下的热交换容量是金属及传统聚合物换热器的2至4倍。该设计具备高达60倍的初始体积展开比，适用于体积受限的场景（如航天发射前或物流运输）。研究建立了可准确预测其性能的分析模型，并演示了其在流动可视化、可穿戴冷却及耐酸腐蚀等方面的应用潜力，为未来高效、低成本、可扩展的热管理系统提供了新方案。
随着全球能源消耗的激增，一半以上的能源涉及热量的传输、产生或使用，换热器在其中扮演着至关重要的角色。传统金属换热器虽因高导热性和机械强度而被广泛应用，但其高昂的材料和制造成本、易结垢和腐蚀等问题限制了其进一步发展。为了应对这些挑战，研究人员将目光转向了聚合物材料。聚合物以其低成本、轻质、耐腐蚀和抗结垢等特性展现出巨大潜力，然而，早期的聚合物换热器设计在热导率、工作温度、制造复杂性和成本效益方面仍存在诸多局限。
本研究创新性地提出并表征了一类由超薄（约50微米）透明聚合物片材制成的换热器。与复杂、刚性的3D打印制造方法不同，本文采用了一种基于片层压制的制造技术。该技术以尼龙和聚乙烯为典型热塑性材料，通过在聚合物片之间放置不粘掩模层来定义流体通道，再经热压合完成制造。这种方法成本低廉、可扩展性强，是对现有主流制造方法的有力补充。
本文的核心设计是一种“管对管”换热器。在这种设计中，两个柔性流体通道以预定的比例重叠，使得流体在保持独立流动的同时进行高效热交换。研究首先建立了一个基于努塞尔数（Nusselt number, Nu）关联式的分析传热模型。该模型利用对数平均温差（Log Mean Temperature Difference, LMTD）法和效能-传热单元数（effectiveness-NTU）法，准确预测了管对管换热器的整体传热系数（Overall heat transfer coefficient, U）、传热速率（Rate of heat transfer, Q）和出口流体温差（ΔTstream），模型预测结果与实验数据吻合良好。
为了探索设计参数的影响，研究对管对管换热器进行了系统表征。首先，在保持通道重叠分数为56%不变的条件下，研究了长度（10、15、30厘米）变化对性能的影响。实验结果表明，增加换热器长度可有效提升Q和ΔTstream，这主要归因于传热面积的直接增加。其次，在保持长度为15厘米不变的条件下，研究了通道重叠分数（34%、56%、78%）对性能的影响。增加重叠分数同样能提高性能，其中78%的重叠设计是保证通道分隔层不发生屈曲失稳的最大极限。此外，研究还探讨了传导热阻对性能的影响。通过将分隔层的厚度加倍（从δ增至2δ），平均性能仅下降约22%，远小于预期的一半降幅。这证明在由对流热阻和传导热阻构成的热阻网络中，对流热阻是主导因素。这一发现具有重要意义，它表明对于此类薄片聚合物换热器，未来工作的重点应是降低对流热阻，而非一味追求更高热导率的材料。
该聚合物片基换热器展现出一系列卓越性能。其整体传热系数（U）最高可达2000 W/m2K，与当前先进水平相当。更重要的是，其单位成本下的热交换容量（Heat exchange capacity per cost）是金属及其他聚合物换热器的2至4倍，体现出显著的成本优势。此外，该设计具有极高的可展开性，其工作体积可达未展开初始体积的60倍，这使其在航天任务发射前的紧凑存储、物流运输等空间受限的应用中具有独特价值。
透明性是本工作的另一大特色。所用热塑性材料在可见光光谱范围内是透明的，这使得工程师能够直接观察换热器内部的流体流动状态。研究通过注入染料，直观地展示了层流和湍流等不同流态，其可视化效果与奥斯本·雷诺的经典流体力学实验图示相似。这种原位流动可视化能力，不仅有助于运行监测和故障排查，也为将透明换热器作为大型不透明换热器的缩尺模型进行研究优化提供了可能。
avg), overall heat transfer coefficient (U), and average temperature difference between two streams (ΔTstream) for the lengths of 10 cm, 15 cm, and 30 cm. (b–d) Overlap fraction variation impact on performance in terms of Qavg, U, and ΔTstreamby for overlap fractions of 34%, 56%, and 78%, with the maximum based on the 78% limit before a buckling instability of A as determined from prior work. (e) Photos of flow visualization demonstrating flow profiles with fluid dye visually similar to the quintessential fluid mechanics paper by Osborne Reynolds.">
为证明该技术的可扩展性和应用多样性，研究进行了多方面演示。首先，将管对管设计扩展为一个长度约2米的蛇形设计，其传热速率Q和热交换容量UA比厘米级基础设计平均提升了8倍和14倍。其次，将片基制造技术应用于工业中经典的板式换热器设计，同样实现了性能的显著提升（Q和UA平均提升7倍和13倍）。这些结果充分证明了该制造方法在不同换热器构型中的普适性和强大的可扩展潜力。
聚合物的耐化学腐蚀特性是其相对于金属的核心优势之一。研究特别针对强酸环境进行了测试。将聚乙烯、尼龙和铝箔三种约50微米厚的薄片样品置于25 wt.%的盐酸溶液中。尼龙和铝箔在一小时内完全溶解，而聚乙烯薄片在一个月后仍完好无损。进一步地，在动态运行测试中，将25 wt.%的盐酸溶液通入由聚乙烯和尼龙制成的相同结构换热器。尼龙换热器在溶液引入后20秒内即发生泄漏失效，而聚乙烯换热器在40分钟的测试中始终保持密封完好，性能稳定。这强有力地证明了聚乙烯材料在强腐蚀性热管理应用（如海水淡化）中的巨大潜力。
最后，研究探索了单通道热管理设备的应用。在浸入式加热演示中，一个5升、22°C的水浴通过一个蛇形单通道加热器（入口温度60°C，流速700 mL/min）在10分钟内被加热了13°C。更具创新性的是应用于可穿戴冷却领域。研究将单通道蛇形冷却片贴附于人体皮肤，通入10°C的冷却液。在10分钟的测试中，皮肤表面温度分别在使用300 mL/min和1000 mL/min流速时降低了11°C和15°C，对应的峰值热通量分别达到约700 W/m2和883 W/m2。装置的柔顺性确保了与身体曲线的良好贴合，从而实现了高效的热交换，展示了在运动恢复或个人热管理方面的应用前景。
总而言之，这项研究通过引入创新的管对管片基架构，成功开发了一类性能优异、成本低廉、可折叠且透明的聚合物换热器。所建立的分析模型能有效预测和指导设计。该技术不仅本身可作为高效的热管理系统，其透明和柔性的特性还开辟了流动可视化、可穿戴设备、耐腐蚀工业应用等多个新方向。未来，通过开发掺杂金属或碳基材料的复合聚合物，可进一步提高材料热导率；探索其在两相流系统中的应用，也将进一步拓展该平台的潜力。这项研究为下一代高效、紧凑、可定制的热管理解决方案奠定了坚实的基础。
