ZigZag微通道內(nèi)S-CO2流動(dòng)傳熱性能分析

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

印刷電路板式換熱器(PCHE)由于其高效緊湊特性被廣泛應(yīng)用于海洋油氣處理、浮式液化天然氣裝置以及核電領(lǐng)域[1-2]。超臨界二氧化碳(S-CO2)流體因其物性表現(xiàn)出良好的流動(dòng)傳熱性能而受到廣泛關(guān)注[3]。目前，我國工業(yè)應(yīng)用的PCHE大量依賴于進(jìn)口，國內(nèi)對(duì)其研究還相對(duì)滯后。故研究微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)傳熱性能影響意義重大，可為PCHE設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

Dai等[4]利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)ZigZag半圓形橫截面微通道內(nèi)水的流動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re≈215時(shí)，水流動(dòng)狀態(tài)開始從層流轉(zhuǎn)變至過渡態(tài)，并且觀察到在流道彎曲位置附近產(chǎn)生回流旋渦，強(qiáng)化換熱，并且該轉(zhuǎn)捩點(diǎn)Re與流道粗糙度有關(guān)。Pra等[5]也認(rèn)為彎曲微通道內(nèi)彎曲位置附近流體流動(dòng)產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)化了換熱。Kim等[6-8]對(duì)高溫氣冷反應(yīng)堆用ZigZag半圓形橫截面微通道內(nèi)不同流體(氦-水、氦-氦、氦/二氧化碳-水)層流流動(dòng)狀態(tài)下傳熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬(采用周期流道模型)，基于數(shù)值模擬結(jié)果擬合出不同工質(zhì)局部努塞爾數(shù)Nu與阻力系數(shù)f關(guān)聯(lián)式。Kim等[9]對(duì)文獻(xiàn)[10]中試驗(yàn)用ZigZag半圓形橫截面微通道(角度分別為32.4°與40°，冷熱通道直徑不相等)內(nèi)超臨界二氧化碳S-CO2(熱側(cè)入口280 ℃,3.2 MPa；冷側(cè)入口108 ℃,10.5 MPa)在不同Re下的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)這兩角度的ZigZag微通道內(nèi)S-CO2的Nu與f關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了擬合。Baik等[11]結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)S-CO2布雷頓循環(huán)中PCHE進(jìn)行研究，其中熱工質(zhì)S-CO2(壓力7～9 MPa，溫度25～45 ℃)處于湍流狀態(tài)，冷工質(zhì)水處于層流，并根據(jù)試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)文獻(xiàn)[9]中的Nu與f關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正。……