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 structure of a large PCHE图 2 所示为该换热器芯体中换热板片的结构外形图，换热板片的规格为 1 150 mm553 mm1.5mm。换热芯体由 600 张冷板和 600 张热板组成。每张板片上有 200 个直径为 1.5 mm 的半圆形流道，相2023 年杨 玉等：大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究第 3 期251邻流道的间距为 2.3 mm。热板上流道整体呈 I 型，冷板上的流道整体呈 Z 型，当冷热流体换热时，在进出口位置将形成交叉流换热区域。表 1PCHE 运行参数Tab.1Operation parameters of the PCHE项目值流体工质CO2热侧流量/(kgs-1)77热侧进口温度/285.96热侧进口压力/MPa8.03热侧出口温度/129.85热侧出口压力/MPa7.77冷侧流量/(kgs-1)77冷侧进口温度/111.33冷侧进口压力/MPa20.84冷侧出口温度/227.69冷侧出口压力/MPa20.76图 2冷热侧板片结构尺寸Fig.2Structure and size of the cold and hot plates本文采集了西安热工研究院有限公司 5 MW 超临界二氧化碳循环发电试验机组上的 PCHE 的试验数据22-23，用于验证本文所用的数学模型，获得的数据包括工质流量、进出口温度和压力。2.2数学模型和网格划分为了研究 PCHE 进口结构对芯体中流体分配均匀性的影响，本文以热侧流体为研究对象，采用 SSTk-模型计算进出口结构中的流体流动，将换热芯体简化为多孔介质，多孔介质中流体流动参数用表观量表示，其质量和动量方程为：uixi=0(1)uiujxi=pxi+ixi+Bf2Kui+3C22uiuj(2)式（2）的右侧最后一项表示多孔介质的壁面对流体所施加的粘性和惯性力。为了研究芯体交叉流对流体分配和传热性能的影响规律，构建了一张热板和一张冷板传热的三维模型，采用 SST k-封闭纳维-斯托克斯方程。采用SIMPLE 方法求解压缩和速度耦合，二氧化碳物性取自 NIST 数据库。图3所示为大型PCHE整体和板片模型网格图，PCHE 整体模型网格单元数量为 73 万，冷热板片模型网格单元数量为 270 万。a）大型 PCHE 整体模型网格b）冷热板片网格图 3大型 PCHE 整体和板片模型网格Fig.3Mole and mesh of the PCHE and cold and hotplates2.3模型验证图 4 所示为数学模型计算结果与实验数据的对比。图 4 a）所示为芯体为多孔介质的大型 PCHE 压降模拟结果与试验数据的对比，当流量从 45 kg/s 增2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期252大到 77 kg/s，试验和数值模拟获得的压降都呈增大的趋势，且两者最大偏差小于 17.6%，这在工程上是可以接受的。图 4 b）所示为模拟出的冷热板传热效率与试验数值的对比，可以看出模拟结果比试验结果偏高，主要是因为模型没有考虑实际换热过程中的损失和热阻等因素，但是试验值与模拟值偏差小于 3%，故认为模型是合理的。a）大型 PCHE 流动模型验证b）冷热板传热模型验证图 4数学模型验证Fig.4Validation of the mathematical models3结果与讨论3.1进出口结构对流动分配的影响图 5 所示为 PCHE 进出口结构总体采用 U 型和Z 型时的压降对比。从图中可以看出，随着流量从38.2 kg/s 升高到 100.95 kg/s，PCHE 的压降从 76.5kPa 增加到 517.5 kPa，基本呈线性增加趋势。但是U 型和 Z 型两种进出口结构下的 PCHE 压降极为相近，最大偏差小于 0.5%。因此就本研究对象而言，在常规运行参数下无论采用 U 型还是 Z 型进出口结构，PCHE 的总体压降无显著区别。图 5U 型和 Z 型进出口结构的 PCHE 压降对比Fig.5 Comparison of the pressure drop between theU-shaped and Z-shaped PCHE图 6 所示为 U 型和 Z 型进出口结构下芯体表面的速度沿着集箱中心线的分布图。从图中可以看出，速度曲线存在 3 个峰值，分别对应于 3 个短管，且中间的峰值略高于两侧的峰值，靠近两端的速度值最小。值得注意的是，在不同的流量下，峰值与谷值的绝对偏差和相对偏差都很小，例如流量为 77.6kg/s 的工况下，速度最大值约为 1.025 m/s，最小值为 1.005 m/s，两者相对偏差仅为 2%左右。这表明该 PCHE 芯体中速度分布总体是均匀的。图 6U 型和 Z 型进出口结构下的芯体表面速度分布Fig.6Velocity distribution at the core surface of theU-shaped and Z-shaped PCHE图 7 所示为芯体表面速度偏差指数和均匀性指数随相对动压的变化规律。芯体表面速度偏差指数定义为：Co=?(3)2023 年杨 玉等：大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究第 3 期253式中：为芯体进口表面速度的标准差，?为芯体进口表面速度的平均值。速度均匀性指数定义为：=1 i=1n|i?|Ai2|?|i=1nAi(4)式中：A 为每个进口网格面的面积。相对动压的定义为：=0.5s2?p(5)式中：s为短管出口的速度，p为 PCHE 总体压降。图 7芯体表面速度偏差指数和均匀性随相对动压的变化规律Fig.7Variation of velocity deviation and uniformityindexes with the relative dynamic pressure从图 7 可以看出，随着换热器相对动压的增大，换热器的速度偏差指数逐渐增大，而速度均匀性指数逐渐下降。设计工况下，PCHE 的相对动压约为3.3%，此时换热器的速度偏差指数为 0.45%，速度均匀性指数为 99.85%，表明此时换热器中的流动分布是均匀的。当换热器的相对动压逐渐增大时，速度偏差指数呈指数增加趋势。当相对动压大于 30%时，速度偏差指数大于 10%，速度均匀性指数小于0.96，表明芯体中流体分布已呈现显著的不均匀特性。此外，当相对动压大于 30%时，U 型和 Z 型结构的速度偏差指数和均匀性指数才逐渐显示出差别。此时相比于 Z 型结构，U 型结构表现出了更好的速度均匀性。图 8 所示为当分配短管横截面流通面积不变时，短管数量对 PCHE 压降和相对动压的影响规律。从图中可以看出，随着质量流量的增大，PCHE 的阻力增大，相对动压略有下降。但是不同短管数量之间的区别较小，表明当分配短管流通面积不变时，改变短管数量对 PCHE 压降和相对动压的影响均较小。图 9 所示为短管数量对速度偏差指数和均匀性的影响规律。从图中可以看出，采用 1 根分配短管的速度偏差指数最大，变化范围为 0.49%0.53%，速度均匀性指数最小，其值约为 0.9982。随着短管数量的增多，速度分布的均匀性能够得到显著改善。采用 3 根短管的速度偏差指数为 0.353%0.369%，速度均匀性指数约为 0.999。但是短管数量从 2 根增加到 3 根的改善效果已不显著。图 8短管数量对压降和相对动压的影响Fig.8Effects of short tube number on the pressure dropand the relative dynamic pressure图 9短管数量对速度偏差指数和均匀性指数的影响Fig.9Effects of short tube number on the velocitydeviation and uniformity index3.2交叉流对传热性能的影响图10所示为PCHE中冷板和热板中的温度分布云图，可以看出大型换热板片中交叉流区域占据的区域较大，约占整个板片面积的 50%。虽然热流体的进口温度相同，但由于交叉流动的存在，热板和冷板的温度沿着流动方向呈左高右低的分布趋势。主要原因是冷板进口上部流体的流程距离热板中热2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期254流体进口位置更近，与之对应的热流体被低温流体冷却，导致热板右侧的温度更低。而冷板进口下部流体的流道位置距离热流体进口位置远，导致其出口的工质温度较低。热流体的进口温度为 559.1 K，平均出口温度为 403.0 K。热侧出口左侧温度约为408 K，出口右侧温度约为 385 K，两边偏差为 23 K。冷侧进口平均温度约为 384.5 K，平均出口温度为500.8 K。冷侧出口上侧温度约为 553.7 K，冷侧出口下侧温度约为 445.9 K，上下偏差约为 108 K。综上所述，大型 PCHE 中交叉流区域较大，会引起冷热流体的换热过程偏离逆流换热，导致传热过程损失增大，最终使得传热性能下降。a)热板温度分布b）冷板温度分布图 10冷热板温度分布Fig.10Temperature distribution of the cold and hot plates图 11 所示为交叉流动区域对 PCHE 效率的影响。从图中可以看出，随着质量流量的增大，PCHE的换热效率逐渐下降。当固定换热板片的长度，同时逐渐减小板片的宽度，可使交叉流区域所占的比重降低。图 11交叉流动区域对 PCHE 效率的影响Fig.11Effect of cross flow area on the PCHE efficiency此外，从图 11 中还可以看出，当换热板片的长宽比逐渐提高时，换热器的效率能够得到显著的提升。例如，当换热板片长宽比为 2.08 时，换热器效率为 93.9%95.6%。当换热板片的长宽比提高到5.53 时，换热器效率为 96.5%98.3%，已接近纯逆流时的换热器效率 97.1%98.7%。当换热板片长宽比大于 2.63 以后，进一步提高长宽比所能获得的换热器效率提高收益会递减。4结论本文针对大型 PCHE 的进出口集箱和大型换热板片的交叉流进行了数值模拟研究，主要结论如下：1）在常规运行参数下，Z 型和 U 型进出口结构型式对实际大型 PCHE 压降和流动分布均匀性无显著影响。2）芯体表面 的速度均匀 性随相对动压 增大而降 低。3）短管横截面积不变时，增加短管的数量可提高芯体表明速度分布均匀性，但对换热器总体压降影响不大。4）当大型换热板片的长宽比越大，交叉流所占的区域越小，换热器换热性能越好。当换热板片长宽比大于 2.63 后，可获得与纯逆流相近的换热器效率。参考文献：1 YU Aofang,SU Wen,Xinxing Lin,et al.Recent trends of supercritical CO2brayton cycle:bibliometric analysis and research reviewJ.NuclearEngineering and Technology,2020,53(3):699-714.2 LI Hongzhi,ZHANG Yifan,YAO Mingyu,et al.Design assessment of a5MW fossil-fired supercritical CO2 power cycle pilot loopJ.Energy,2019,174:792-804.3 LIU Yaping,WANG Ying,HUANG Daingui.Supercritical CO2 Braytoncycle:Astate-of-the-art reviewJ.Energy,2019,189:115900.4 刘法志,张晓峰,柴国旭,等.配套新能源建设的煤电灵活性改造研究J.电力科技与环保,2022,38,183(4):265-271.LIU Fazhi,ZHANG Xiaofeng,CHAI Guoxu,et al.Research onflexibility reform of thermal power matching the construction of newenergyJ.Electric Power Environmental Protection,2022,38,183(4):265-271.5 王 森,张照彦,袁玉宝,等.提高新能源消纳的电-热综合能源系统日前优化调度策略J.热力发电,2022,51(7):36-45.WANG Sen,ZHANG Zhaoyan,YUAN Yubao,et al.Day-aheadscheduling strategy optimization of electric-thermal integrated energy2023 年杨 玉等：大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究第 3 期255system for improvement of new energy consumptionJ.Thermal PowerGeneration,2022,51(7):36-45.6 冯树臣,张金祥.超临界纯凝机组灵活性调峰控制技术研究与应用J.电力科技与环保,2019,35,162(1):40-42.FENG Shucheng,ZHANG Jinxiang.Research and application of flexiblepeak shaving control technology for supercritical pure condensingunitJ.Electric Power Environmental Protection,2019,35,162(1):40-42.7 WANG Yiming,XIE Gongnan,ZHU Huaitao,et al.Assessment on energyand exergy of combined supercritical co2 brayton cycles with 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