大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究_杨玉.pdf

电力科技与环保2023,39(3):249 255Electric Power Technology and Environmental Protection249大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究杨 玉1，郭子岗2，李红智1*，张一帆1，张 磊1，吴家荣1，吴帅帅1(1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安710054;2.陕西榆林能源集团榆神煤电有限公司，陕西 榆林719000)摘要：为了揭示大型印刷电路板换热器的流动传热特性，重点研究集箱结构的均流性能，将换热器芯体简化为多孔介质模型并对完整的冷热板片进行建模和数值模拟，以研究交叉流对大型换热板片传热性能的影响。研究结果如下：第一，换热芯体表面的速度均匀性随相对动压增大而降低。在常规运行参数下，换热芯体表面的速度均匀性指数为 99.85%，其对应的相对动压参数约为 3.3%。当相对动压小于 30%时，Z 型和 U 型进出口结构条件下的流动均匀性无显著差异。当相对动压大于 30%时，U 型结构的均流性能优于 Z 型结构。第二，短管横截面积不变时，增加短管的数量可提高芯体表面速度分布均匀性，但对换热器总体压降无显著影响。第三，随着大型换热板片的长宽比增大，交叉流所占的区域降低，换热器换热性能提高。当换热板片长宽比大于 2.63，可获得与纯逆流相近的换热器效率。综上所述，大型印刷电路板换热器芯体表面的速度均匀性与相对动压密切相关，实际运行条件下的相对动压值很小，芯体表面的速度较为均匀；大型换热板片的交叉流区域占比可高达50%，提高换热板片的长宽比有助于改善换热器总体传热效率。关键词：印刷电路板换热器;进出口结构;流动均匀性;交叉流;换热器效率中图分类号:TK172文章编号:1674-8069(2023)03-249-07文献标识码:ADOI 编号:10.19944/j.eptep.1674-8069.2023.03.010引用本文格式杨 玉,李红智,张一帆,等.大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究J.电力科技与环保,2023,39(3):249-255.YANG Yu,LI Hongzhi,ZHANG Yifan,et al.Numerical Simulation of the heat transfer performance of a large-scale printed circuit HeatExchangerJ.Electric Power Technology and Environmental Protection,2023,39(3):249-255.Numerical simulation of the heat transfer performance of a large-scale printedcircuit heat exchangerYANG Yu1,GUO Zigang2,LI Hongzhi1*,ZHANG Yifan1,ZHANG Lei1,WU Jiarong1,WU Shuaishuai1(1.Xian Thermal Power Research Institute,Co.Ltd,Xian,710054,China;2.Shaanxi Yulin Energy Group,Xian,719000,China)Abstract：In order to reveal the thermal-hydraulic characteristics of large-scale printed circuit heat exchangers,the heattransfer core is simplified as the porous media to study the influences of inlet and outlet structure on the flow distribution,and the one complete pair of cold and hot plates is modeled to investigate the effects of cross flow on the overall heattransfer performance.The obtained results are as follows:first,the velocity uniformity at the surface of the core increaseswith the relative dynamic pressure.At the conventional operation parameters,the velocity uniformity index is around99.85%,and its corresponding relative dynamic pressure is about 3.3%.When the relative dynamic pressure is below 30%,the flow uniformities of the Z-shaped and U-shaped structures are similar.When the relative dynamic pressure is above30%,the U-shaped structure performs better than the Z-shaped structure in flow uniformity.Second,the flow uniformity willbe improved but the pressure drop will hardly be affected by increasing the number of short tubes with the cross sectionarea of short tubes unchanged.Third,the cross flow area will be reduced by increasing the length-width ratio of heatexchanger plates,leading to the improvement of the heat exchanger efficiency.When the plate length-width ratio is above2.63,the efficiency will be close to that of the pure counter flow.The results reveal that the velocity uniformity at the coresurface of large-scale printed circuit heat exchanger is closely related to the relative dynamic pressure.Under commonoperational conditions,the relative dynamic pressure has a small value,indicating that the velocity distribution is ratheruniform.The cross flow area can occupy nearly 50%of the total heat transfer area for large-scale plates,and the overallheat transfer efficiency can be improved by increasing the plate length-width ratio.Key words:printed circuit heat exchanger;inlet and outlet structure;flow uniformity;cross flow;heat exchanger efficiency收稿日期：2023-04-10基金项目：国家自然科学基金项目（51806172）2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期2501引言超临界二氧化碳循环发电系统具有高效、灵活、紧凑、碳排放强度低等独特优势1-3，是当前学术界和工业界的研究热点，有望在未来能源系统中替代部分水蒸气朗肯循环发电机组4-6，起到提升电力系统灵活性、促进可再生能源电力消纳、助力双碳目标实现等重要作用。印刷电路板换热器（printed circuit heat exchanger,PCHE）是一种以光化学蚀刻和扩散焊接为主要制造工艺特征的高度紧凑式换热器，适用于高温高压流体的热量传递，同时具有高效、紧凑、安全可靠等特征，被认为是超临界二氧化碳循环中回热器和预冷器的最佳选择方案之一7-8。国内外学者针对 PCHE 的流动传热性能开展了大量的实验和数值模拟工作9-15。例如，KonstantinNikitin 等9研究了 Z 型流道的流动传热性能，并拟合了传热和阻力关联式。Dong Eok Kim 等10提出了一种机翼型流道结构，并采用数值模拟方法论证了其优越性能。LIU 等11-12实验研究了直通道 PCHE的热工水力特性，并给出了传热和阻力计算公式。部分学者重点研究了换热芯体中流动分布的均匀性和交叉流对 PCHE 性能的影响规律。Gyoung-WanKoo 等16发现芯体流动均匀性与入口壁面角度、弯曲半径和入口管道直径有关，优化后的结构能够将均匀性指数可提高 7.5%。CHU 等17研究发现，流动分布的均匀性与集箱结构和流道长度有关，采用双曲线进口集箱结构能够将流动不均匀性降低46%。MA 等18的研究表明，流量增大时，芯体中流体分布不均匀性增大；当流道长度大于 500 倍的直径时，可忽略流动分配的不均匀性。Jungchul Kim等19实验研究了 PCHE 集箱配水均匀性问题，发现芯体中流体分布不均匀性系数与芯体宽长比线性相关，且基本不受流速的影响。Seongmin Son 等20研究了 PCHE 逆流、顺流和交叉流对传热和压降的性能影响，结果发现一侧流体为 I 型走向、另一侧流体为 Z 型走向的换热效率最高，但压降也最大。YANG 等21针对逆流和交叉流不同的传热性能构建了 PCHE 结构的多目标优化方法，优化后的阻力能够降低 26%。综上所述，PCHE 的传热性能不仅与流道结构有关，还有换热器集箱结构和换热芯体内的交叉流动区域密切相关。大型 PCHE 的分配集箱长和换热芯体交叉流区域大的特点突出。然而现有研究所涉及的 PCHE 尺寸和换热功率都较小，基于小型 PCHE 的研究结论难以直接应用于指导大型PCHE 集箱和整体流道的设计。鉴于此，本文采用数值模拟方法研究了大型PCHE 进出口结构和芯体交叉流对流体分配和传热性能的影响规律，发现进口短管中流体的相对动压对芯体中流体分布均匀性影响显著，PCHE 的传热性能随着交叉流动区域的增大而降低。本文研究成果可为大型 PCHE 的精准设计提供参考。2研究方法2.1物理模型本文研究对象为一台设计热功率为17.3 MW的PCHE，其结构外形如图 1 所示。参与换热的流体依次流经进口总管、分配短管、进口集箱、换热芯体、出口集箱、汇集短管和出口总管。该换热器芯体尺寸为 1 150 mm553 mm2 041 mm，与芯体连接的集箱外径为 553 mm。分配短管外径为 300 mm，壁厚为 50 mm。热流体进口和出口总管外径为 406mm，壁厚为 25 mm。冷流体进口和出口总管外径为426 mm，壁厚为 70mm。该换热器典型的运行参数如表 1 所示，冷热侧工质流量皆为 CO2，热侧压力约为 8 MPa，冷侧压力约为 20 MPa。图 1大型 PCHE 结构外形图Fig.1Shape and struc