摘要
传热是精确控制反应过程的重要操作。微通道反应器内一般都拥有非常大的换热面积，热交换效率较高，因此微通道内发生的热交换非常快速，这有利于控制反应温度，实现反应选择性以及收率的精确控制。
引言
研究微通道内的传热特点所用的方法与研究宏观传热的方法是一致的，都要根据傅里叶定理来建立整个过程的熵平衡方程。以图1中的圆管稳态传热过程为例，仅考虑中间一段的热量关系：
（1）
式中，S为圆管的截面面积；为反应热；Ts为环境温度。公式（1）等号左边第一项表示流入中间段管的焓，第二项表示流出的焓；等号右边第一项是外界传热，第二项是反应热。
微通道内换热过程
微通道对流换热不同于宏观通道换热的机理，受通道形状、壁面粗糙度、流体性质、表明过热量、分子平均自由程与通道尺寸之比等众多因素的影响，因此微通道换热也呈现出一些特殊的特点。以图2所示的并流型套管式换热器为例，首先建立热平衡方程：
（2）
（3）
图2 并流型状套管式换热器
以上两公式为传热速率方程，在这两个方程中，总传热系数k可以由公式（4）表征：
（4）
分别是冷流体侧和热流体侧的传热系数，也成为膜传热系数，它们和膜的厚度成反比。在微通道反应器中，管路的狭小性决定了膜的厚度很小，因此公式（4）中的第一项和第三项很小。根据研究报告，尽管公式中的第二项也相对较小，但是壁厚和由材质决定的热导率决定了k的大小。同时，微通道的壁厚很小，而热导率相对较大，因此决定了公式（4）的右端是一个很小的数，因此总的传热系数很大。
换热效率随热导率的变化可分为3个区域，低热导率时随着热导率的增加径向热阻的影响逐渐减弱，换热器效率增大，该区域可称为热阻控制区；热导率增加到一定程度时，换热效率随热导率增加的趋势逐渐减弱，增至最大值后开始逐渐减小，称为高效换热区；热导率进一步增加时，器壁轴向导热对换热过程的影响逐渐增强，换热效率随之减小，并逐渐趋近于器壁完全等温时的换热效率的50%，称为热传导控制区。
在低介质流量时，金属换热器的换热效率随介质流量的变化存在一个最大值，也就是说，对于确定结构的换热器而言，存在一个最佳的操作流量值，并且在相同的流量偏差下，系统效率在亚负荷操作时，效率降低幅度要比超负荷操作时大。因此，在一定范围内，金属微通道换热器可以超负荷运行，不宜在亚负荷状态下操作，这点与常规的换热器有明显的区别。另外，在低介质流量时，热阻控制区为低热导率区，因此低热导材料（如玻璃）的换热效率要高于高热导率的换热器。在高介质流量时，器壁轴向导热对换热效率的影响被减弱，随着介质流量的增加，换热效率逐渐减小。
图3 热导率与换热效率之间的关系
增强微通道内换热效果的方法
在微通道结构设计中，增强传热效果的对流强化技术分为：表面方法、流体方法和混合方法。表面方法就是针对换热表面进行优化，比如增加换热面积、增大壁面的粗糙度等；流体方法则是对传热介质本身进行优化，比如增加扰流元件、添加金属粒子等；混合方法是将两种方法结合起来。
交错微肋结构是一种应用非常广泛的强化传热方式。实验发现，在相同
Re数的前提下，交错流道的结构比直通道结构热阻要减小18%以上。增加壁面粗糙度可以增加微通道内的换热面积，从而达到强化传热的目的。在粗糙微通道内的层流换热，由于受到微通道粗糙表面的影响，流体在通道内的流动和对流换热过程都会发生变化。
与光滑微通道相比，粗糙微通道在入口段之后的局部努赛尔数不会趋于一个稳定的数值，而是沿着通道不断变化。粗糙的壁面会导致通道内热边界层的重新生成，有利于提高局部努赛尔数，因此粗糙微通道的传热性能优于光滑微通道。但是表面粗糙度增加同样导致了流动阻力的增大，使设备的压降更大，因此要综合考虑。
结论
微通道反应器换热的设计计算方法与常规反应器有很大的相同点。但是微通道反应器非常大的比表面积决定了微反应器有着很高的换热效率，即使反应瞬时放出很大的热量也可以安全导出。并且微反对于结构内部的温度变化能够产生瞬时响应，这对于温度要求比较高的反应有非常大的意义。
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