S型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究_赵红柳.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0840-10doi：10.13224/ki.jasp.20210219S 型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究赵红柳1，孙明瑞1，姜楠2，刘卫国1，闫广涵1，宋永臣1，赵佳飞1（1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：为解决航空发动机部件热防护以及热管理问题，针对 CCA（cooledcoolingair）技术，采用高孔隙率泡沫金属替代传统管翅式换热器金属翅片，设计一种轻质、高效、紧凑的小尺寸 S 型泡沫金属管翅式换热器。换热器芯体为 3D 打印的钛合金制作，重 129g，由 S 型管束以及泡沫金属翅片组成，翅片安装在管束直管段处。流动传热实验模拟航空发动机机匣外部的空-油换热器，冷侧为水，热侧为高温空气，测定两侧流体的流量、进出口温度及压力。结果表明：泡沫金属作为换热器的翅片，传热系数增大 43.94%、换热量提升 21.7%、综合换热性能增加 25.43%，功重比平均提升 17.26%，可达 14.61kW/kg。这说明泡沫金属能够提升换热器的整体性能，可用于未来航空发动机相似结构换热器的设计。关键词：航空发动机热管理；管翅式换热器；泡沫金属；流动传热；换热性能中图分类号：V231.1文献标志码：ADesignandexperimentalstudyofS-typefoammetaltube-finheatexchangerZHAOHongliu1，SUNMingrui1，JIANGNan2，LIUWeiguo1，YANGuanghan1，SONGYongchen1，ZHAOJiafei1（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，DalianUniversityofTechnology，DalianLiaoning116024，China；2.ShenyangEngineResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，Shenyang110015，China）Abstract:Inordertosolvetheproblemofthermalprotectionandthermalmanagementofaero-engine components,for CCA(cooled cooling air)technology,high-porosity foam metal was used toreplacethemetalfinsoftraditionaltube-finheatexchangers,andalightweight,efficient,andsmallsizeS-typefoammetaltube-finheatexchangerwasdesigned.Theheatexchangercoremadeof3Dprintedtitaniumalloy,withweightof129g,wascomposedofS-shapedtubebundlesandfoamedmetalfins.Thefins were installed at the straight pipe section of the tube bundle.The flow heat transfer experimentsimulatedtheair-oilheatexchangeroutsidethecasingofanaeroengine,withwateronthecoldsideandhightemperatureaironthehotside.Theflowrate,inletandoutlettemperatureandpressureofthefluidonbothsidesweremeasured.Theresultsshowedthat:forthefinoftheheatexchanger,theheattransfercoefficientincreasedby43.94%,theheattransferincreasedby21.7%,thecomprehensiveheattransfer收稿日期：2021-05-08基金项目：国家自然科学基金（51622603，51806028，51806027，U19B2005）；国家科技重大专项（2017-0005-0029）；2020 年度南京航空航天大学重点实验室开发课题（CEPE2020016）作者简介：赵红柳（1997），女，硕士生，主要从事航空发动机换热器研究。通信作者：赵佳飞（1980），男，教授、博士生导师，博士，从事多孔介质强化换热基础理论与应用技术研究。E-mail:引用格式：赵红柳,孙明瑞,姜楠,等.S 型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究J.航空动力学报,2023,38（4）：840-849.ZHAOHongliu,SUNMingrui,JIANGNan,etal.DesignandexperimentalstudyofS-typefoammetaltube-finheatexchangerJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：840-849.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023performance increased by 25.43%,and the power-to-weight ratio increased by 17.26%on average,reaching14.61kW/kg.Thisshowedthatthemetalfoamcanimprovetheoverallperformanceoftheheatexchangerandcanbeusedinthedesignofheatexchangerswithsimilarstructuresforfutureaero-engines.Keywords:aero-enginethermalmanagement；tube-finheatexchanger；foammetal；flowheattransfer；heattransferperformance翅片管壳式换热器由翅片与圆管组成，广泛应用于车辆、工程机械、空调制冷、航空航天等领域，具有换热面积大、传热效率高等特点1。但现有管翅式换热器都存在体积过大、翅片质量过高等问题，并不符合于航空发动机换热器轻质、小尺寸以及高可靠性的要求2-4。换热器在航空发动机上主要应用方向是冷却空气，所以也被称为空气冷却器5。在航空发动机上安装空气冷却器，降低冷却空气的自身温度，从而提高冷却空气的品质，被称为 CCA（cooledcoolingair）技术6，是目前针对航空发动机部件热防护以及系统热管理问题的有效技术手段。而解决热管理这个瓶颈问题，有利于提升航空发动机的推质比，进而实现飞行器的高马赫数飞行7。航空发动机对换热器的要求较高，应考虑结构、能耗、可靠性、运行以及工艺等各个方面，关键技术问题是如何控制换热器的质量和体积，而满足此条件的多孔介质和微小尺度仿生换热器已经开始应用于航空发动机6-8。泡沫金属多孔介质具有轻质、比表面积大、孔隙率高和孔隙尺度小等优点，根据航空发动机外机匣的空间大小，将泡沫金属取代传统管翅式换热器的翅片，研制一种轻质、高效、紧凑、小型的泡沫金属管翅式换热器，以期改善航空发动机性能，提高冷却空气优异程度以及热能利用率。在 21 世纪初，Bhattacharya 等9模拟泡沫金属内部结构模型，才得到泡沫金属的有效导热系数和渗透率等一些热物性参数。至此之后，学者们开始对泡沫金属的换热做研究。大连理工大学孙明瑞、赵佳飞、Hu 等10-14在高速表面传热情况下对不同孔隙率的泡沫金属进行孔隙尺度研究比较，研究结果表明：压降和传热系数对孔隙更加敏感，但泡沫金属的比表面积显著影响传热性能；进而对优化后的开尔文胞体进行模拟，优化泡沫金属内部孔隙结构，提出椭球开尔文胞体结构。得到模拟结果：当椭球长轴与短轴比达到 2.0 时，泡沫金属的综合换热性能较柱状模型提高 63.0%。Rashidi 等15对均匀泡沫金属中圆柱体的流场和传热进行数值模拟研究，结果表明：具有高渗透性和高导热性的泡沫金属可以改善热工性能。上海交通大学孙硕16，对填充泡沫金属的蒸发器换热管内 R410A-油混合物进行研究，测定其流动沸腾的换热系数与压降，开发出两者的预测关联式。Huisseune 等17运用热量非平衡模型对填充泡沫金属的换热器进行研究，并与同一条件下的翅片管换热器对比，结果表明：在进口质量流量相同时，泡沫金属管换热器的换热效率要好于翅片管换热器。毛绍林等18研究了泡沫金属换热器内流体力学和传热的相互关系，模拟结果表明：在壁传热系数和压降达到设计目标的情况下，泡沫金属孔隙率有一个最佳选择，泡沫金属热交换器的换热性能可以在最优条件下取代传统的紧密型换热器。Dai、Nawaz、Park 等19基于柱-柱的模拟方法，将开孔泡沫铝作为钎焊铝热交换器百叶翅片的替代品，开发出一个模型来比较扁平管、蛇形百叶翅式换热器和扁平管金属泡沫换热器。Huisseune 等17采 用 由 Darcy-Forchheimer-Brink-man 流动模型和热非平衡能量模型组成的宏观模型对泡沫金属换热器进行二维模拟，对泡沫金属换热器、裸管束、现有传统百叶窗翅片换热器的性能进行比较，结果表明，在风机功率相同的情况下，泡沫换热器的换热速率比裸管束高 6 倍。国内外学者的研究表明，将泡沫金属应用在换热器中，可以增大换热器换热效率。但文献中仅仅将泡沫金属简单填充在换热器中，并没有替代关键部件。由此，本文将泡沫金属完全取代管翅式换热器翅片，对传统管翅式换热器进行结构、流动传热、安全可靠性能、实验验证等设计，在无特性模拟系统工作环境下，模拟航空发动机机匣外部的空-油换热器，对此轻质、小尺寸、结构紧凑的泡沫金属管翅式换热器进行流动传热特性分析实验，得到泡沫金属多孔介质对传统换热器的传热性能提升效果。1换热器设计实验中换热器内流动工质为气-液，冷侧为水，热侧为空气，两种流体交叉式流动，第一种流体水在管束内流动，第二种流体空气在换热器壳体第4期赵红柳等：S 型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究841内流动的同时，充分在泡沫金属翅片的微孔隙结构内流动20。为了避免换热器薄壁侧在运行高温高压流体时出现开裂现象，采用 3D 打印技术制作换热器芯体，再用传统焊接工艺对换热器整机加工，焊接壳体并封装芯体，样机实物如图 1 所示。图1封装后的换热器Fig.1Packagedheatexchanger3D 打印技术研究和产品加工在航空发动机的复杂部件应用十分广泛21，本文中的泡沫金属翅片与换热管尺寸较小，孔隙结构复杂，因此采用 3D 打印的方式加工制作。3D 打印换热器芯体，省去繁琐的焊接工艺，保证换热器整体密闭性；3D 打印泡沫金属翅片与换热管，增加两者的接触面积，减小接触热阻，有利于强化换热。1.1S型泡沫金属管壳式换热器设计本文 S 型泡沫金属管翅式换热器是对传统管翅式换热器的优化设计，以换热器运行参数和流体性质作为参考依据，采用 3D 打印的开尔文胞体结构泡沫金属14代替传统换热器不锈钢翅片，换热器三维结构如图 2 所示，开尔文胞体结构如图 3 所示。钢管外径 dout=4mm，壁厚 1mm，泡沫金属翅片厚度 3mm22，两根直管段间距设计为 2.5dout，每排换热管间距 3dout，一定的间距使换热器结构更加紧凑。每一排换热管以“S”蛇形方式排列，材料为 304 不锈钢，换热管起点汇集在入口处，端点汇集在出口处。Mohammadpour-Ghadikolaie 等23在均匀空气横流作用下，对包裹泡沫金属的恒温管进行表面传热数值研究时发现，与完全包覆泡沫金属的换热管相比，部分包裹泡沫