印刷电路板换热器换热性能及计算

马石磊

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090)

0 概述

印刷电路板式换热器(Printed circuit heat exchanger，PCHE)是一种传热性能优良、高效率的紧凑式换热器，目前主要用作超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的高温回热器、低温回热器和冷却器，其在系统中的地位相当于蒸汽朗肯循环系统中的高压加热器、低压加热器和凝汽器。相比于传统形式的换热器，PCHE具有极强的耐高温和耐高压能力，因而在新一代核电、光热、氢能和油气开发等领域展现出光明的应用前景。

PCHE的流道是在金属板上采用光电-化学腐蚀工艺形成的，受加工工艺限制，其截面形状一般为直径1～3 mm的半圆。PCHE大多采用Z字形流道结构(如图1所示)。这种结构可以增大换热面积并提高弯曲位置的当地流速，其传热性能比直流道PCHE有所增强。把腐蚀流道的所有板片按流道介质的性质冷热交替重叠，使流体间发生逆流换热。PCHE的制造流程可简述为：先将板片对准重叠并整体放置于真空扩散焊炉内(真空度10-3Pa～10-1Pa)，然后利用加热元件和上下压头使其达到设定的温度和压力，不同的板片之间通过原子扩散作用连接成一个不可拆卸的金属换热芯体，最后将封头和芯体通过焊接密封组装起来。

图1 PCHE板片

目前，国内工业领域应用成熟的PCHE全部由国外进口，国内只有极少数自主研制的设备尚处于样机实验阶段。PCHE在设计方面的主要难点在于换热性能和流动阻力特性的性能计算和流道的结构形式优化。

1 研究现状

近年来，国内外学者已经开始了针对PCHE换热性能计算方法的研究。Minghui Chen针对于氦气介质针对于Z形流道的PCHE的换热性能进行了实验研究，并拟合了相应的计算关联式，探究了PCHE在高温堆作为中间换热器的可行[1]。HOSEOK SONG购买了Hearic公司的PCHE实验件针对于超临界二氧化碳和水的换热性能进行了实验研究，模拟了超临界二氧化碳布雷顿循环中预冷器的工作环境，最终获得了其换热性能关联式[2]。Muhammad Saeed等汇总了多人针对超临界二氧化碳在PCHE中的换热和压降计算关联式，用数值仿真的方式验证了各个计算关联式的有效性，分析了各个关联式的适用Re区间[3]。这些公式及其适用范围如下表1所示：

表1 常用PCHE换热性能计算关联式

上表中，Ishizuka获取的关联式是冷热两侧的总体换热系数关联式，且准则方程中未考虑Pr数的影响，在PCHE的热工设计中应用价值不大。Nikitin在进行实验数据处理时，考虑了芯体和管箱的散热，但仍未引入Pr数对换热性能的影响。Ngo研究的Nu数计算关联式考虑了Pr数的影响，同时也拓展了Re数的应用范围。Kim等人在研究Nu数计算关联式时将Pr数的影响考虑到前面的常数系数中，同时进一步拓展了Re数的区间。上述公式均可以为笔者正在进行的PCHE换热性能研究提供指导意义。

2 PCHE换热性能实验研究

PCHE换热性能的实验研究是其热工设计以及后续流道结构优化的基础。鉴于此，本文对PCHE换热性能的计算方法进行了汇总研究，设计了相关的PCHE实验样机，采用超临界二氧化碳作为介质进行实验研究，提出了针对某种流道形式的PCHE换热性能的计算方法，为PCHE的设计研究提供参考。

2.1 实验系统简介

测试PCHE换热性能的实验系统如下图2所示，其基本工作流程为：首先，二氧化碳通过冷凝器冷却到液态；经过柱塞泵加压到工作压力，然后经过预热器实现跨临界转换，再经PCHE回热器初步预热；然后，通过四级加热器段加热到设定工作温度。为了保证背压阀在正常的工作温度范围，二氧化碳需要先在换热器中冷却，并在经过背压阀后，降压到气源压力，并进一步冷凝到液态，完成一个循环。PCHE回热器一侧走高温流体，另一侧走低温流体，回收热量，在此过程中，测试PCHE的换热特性等参数。

图2 PCHE换热性能实验系统

2.2 数据采集系统

数据采集部分主要包括电控柜、信号采集模块、软件系统、采集电脑，作用是采集和记录实验数据，实时监测系统的运行参数。电控柜是所有测量信号的汇集设备，内置有信号采集和转换模块，并显示回路的温度、压力、流量、压差等测量参数，还可以启停泵、加热设备、总电源，设置泵频、温度等。由于整个回路测量参数众多，软件系统能够极大地方便数据的记录和采集，并可以实现温度、压力、流量等测量参数的作图，更直观和系统地监测实验参数。

2.3 PCHE实验样件

本文针对Z形通道PCHE样件开展试验研究，根据目前世界范围内主流的流道形式，设计了如图3所示的Z形通道冷热侧板片，每个板片上包含20个梯形换热通道，其中左右两侧各有10 mm的直通道导流段，中间为10个基本流动周期。两侧布置对称的直通道导流结构，尽可能保证各条通道内的流量分配均匀， 同时满足实际生产的工艺要求。 每片板片尺寸为168(长)*90(宽)*1.5(厚) mm。将板片通过扩散焊接的方法连接，形成如图4所示的PCHE样件。

图3 Z形通道冷热侧板片

图4 PCHE实验件

2.4 PCHE换热性能实验过程

本阶段样件测试的实验系统循环流量为10～60 kg/h，测试段内流体压力为8～10 MPa，测试段内流体温度为70～320 ℃。系统需要调节的参数主要是流量、温度和压力。

实验需要测量的参数主要是流量、待测样件四个进出口的温度和样件冷热侧各自的压差。如表2所示。

表2 试验测量参数

2.5 PCHE换热性能计算关联式

由于本文中所研究的PCHE流道弯折角度和大小等形式均与上述文献中所列的实验样件有区别，综合考虑以业内公认的传热关联式形式为基础进行数据拟合处理。同时由于PCHE冷热侧流道中的换热基本规律均不确定，且实验过程中不能保证一侧的传热情况恒定，故在PCHE的换热性能实验数据处理方法中考虑使用修正威尔逊图解法的变式来解决。

分别假设冷热侧流体湍流状态下对流换热准则关系式均为：

式中，Nu——努塞尔准数；

c0，c1——待定系数；

Re——介质在定性温度下流动的雷诺数；

Pr——介质在定性温度下的普朗特数；

μ——介质在定性温度下的动力粘度；

μw——介质在定性温度下的动力粘度。

由于金属热阻在总体换热的热阻中占比极小，因此实际处理时将关系式的壁温影响部分忽略。在数据处理时预先指定c0的初始值，然后通过线性回归得到系数c0和c1的最终解。

通过对实验数据的处理和拟合，得到Nu和Re的拟合关系如下图5所示。

图5 Nu和Re的拟合关系

由Nu和Re的拟合关系图所知，本文假定的Nu数计算关联式形式比较符合实际情况，该公式可以为后续PCHE的热工设计提供可靠依据。

3 结 论

本文针对PCHE研究现状进行了初步汇总，结合当前世界上主流的PCHE流道结构形式设计了相应PCHE实验件，并通过专门的超临界二氧化碳实验平台进行了换热性能实验。通过对前人针对换热性能计算关联式研究成果的汇总分析，提出了相应的换热性能计算关联式形式，并通过对超临界二氧化碳实验数据的汇总、筛选和拟合，确定了换热性能计算关联式的待定系数，该公式的拟合线性程度较高，可以为后续Z形流道的PCHE设计和计算工作提供依据。