3D打印一次表面換熱器流動換熱性能試驗研究

張聲寶 ，郭之強 ，鄭 梅 ，董 威 ，于 霄

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240；2.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

作為間壁式換熱器的1種形式，一次表面換熱器（Primary Surface Heat exchanger，PSHE） 具有緊湊和高效的特點，較其他形式有很明顯的優勢。隨著3D打印技術日益成熟，加工結構更加復雜精細的PSHE成為可能，這使PSHE在應用中得到更多關注。近年來，有學者提出可以將PSHE應用于航空發動機系統的熱管理中，以提高發動機性能。

國內外學者針對一次表面換熱器的理論熱力設計、數值模擬和試驗開展了大量的研究。王斌等[1]提出適用于PSHE的瞬態溫度變化物理模型和數學方程式。劉振宇等[2]開發了以流道幾何參數和流速為自變量，以換熱器質量、傳熱系數和壓力損失為因變量的PSHE優化設計程序。Min等[3]提出燃氣輪機中間冷器與回熱器的設計方法。王巍等[4]基于場協同理論，計算和分析正弦波截面通道PSHE在不同流動交錯角和寬高比下的流動和換熱性能。Stasiek等[5]利用Harwell-Flow3D的不同算法，對比不同結構和雷諾數下的PSHE的性能。Vijaya等[6]利用CFX研究波紋板間距對緊湊焊板式PHSE性能的影響。Blomerius等[7]數值模擬了PSHE在層流和過渡流狀態下的性能，得到的結論是45°叉流角度對應的流動換熱性能最好。Sunden等[8]對比了多種不同結構的PSHE的換熱性能和制造難度，結果顯示CC型PSHE的換熱性能較理想且更易制造。Ciofalo等[9]通過數值模擬和試驗，發現當叉流角度在中等范圍內時，PSHE的換熱能力大幅增強，而壓力損失無顯著增加。Kanaris等[10]利用響應面法優化PSHE設計，并提出關于換熱器努塞爾數和摩擦系數的關系式。Focke等[11]通過試驗分析波紋板交錯角度換熱器性能的影響，提出對PSHE的優化設計方案。楊靜等[12]通過試驗研究，修正了當量直徑為1 mm的PSHE相關準則式。程惠爾等[13]通過試驗對比不同通道形狀的PSHE的性能，發現通道尺寸比通道形狀對PSHE性能的影響更大。聶嵩等[14]通過試驗研究了流量變化對PSHE流動阻力和換熱性能的影響。在結構創新方面，Kim等[15]提出雙波紋CC型結構PSHE，通過在波紋板表面增加二次波紋，進一步增加流體的擾動，從而增強換熱。

文獻中對復雜結構的PSHE的流動換熱性能的試驗研究較少，特別是針對叉流PSHE的試驗研究更少，對其流動換熱特點不甚了解。本文借助3D打印技術設計并加工了5個不同叉流角度的鈦合金PSHE，其當量直徑為1～2 mm。在上海交通大學的航空緊湊換熱器試驗臺上開展了3D打印的PSHE試驗研究，分析了叉流角度和通道大小對PSHE的氣體流動和換熱的影響。試驗結果表明，叉流角度越大，PSHE的換熱能力越強，熱氣壓降越大；小通道PSHE的換熱能力強于大通道PSHE，但熱氣壓降更大；相對于叉流角度，通道大小對PSHE流動和換熱的影響更大。基于以上特點，本文對試驗數據進行擬合，提出了考慮叉流角度的PSHE的熱氣壓降相關經驗公式，總結了換熱系數與通道大小之間的關系。

1 一次表面換熱器模型參數

試驗所用的一次表面換熱器芯體的傳熱表面波紋板片采用一定角度交錯的疊落方式，芯體通道采用類橢圓形的波紋形式，其結構如圖1所示。采用橢圓形通道主要是考慮該形狀能使通道結構輪廓在各拐點處都比較光滑，有利于減少氣體壓力損失。

針對3D打印的3個大通道一次表面換熱器（叉流角度分別為15°、30°和45°）和2個小通道一次表面換熱器（叉流角度分別為0°和15°）開展流動換熱性能試驗研究。叉流角度為冷流體和熱流體在換熱器內部流動方向所成角度θ如圖2所示。

圖1 一次表面換熱器芯體通道

圖2 一次表面換熱器內熱流體和冷流體流動

表1 大、小通道換熱器芯體尺寸

大通道和小通道的截面參數尺寸見表1。其尺寸是根據劉蔭澤等[16-17]基于效率-傳熱單元數法編寫的換熱器設計程序，結合一系列設計工況點下的性能要求而設計。冷氣通道流過的是發動機外涵氣體，為了避免引起外涵壓降過大，所設計的大通道換熱器和小通道換熱器的冷氣通道的當量水力直徑保持一致，均為2.22 mm，大通道換熱器和小通道換熱器的主要區別在于熱側的當量水力直徑不同，分別為1.10、0.86 mm。

在傳統加工工藝中，一次表面換熱器主要生產技術是將1卷金屬薄板軋成具有特定角度的波紋板表面，軋制完成后在波紋薄板的4個面上加上封條，將若干塊帶有封條的波紋薄板按一定的角度堆疊，相鄰薄片通過焊接固定以防止泄漏，從而形成相互分隔的冷熱流體通道。3D打印技術可以將換熱器芯體與流體進出口結構一體化設計加工，同時針對復雜的芯體結構進行加工，縮短加工研制周期。試驗用的5個鈦合金一次表面換熱器均采用3D打印技術一體化生成，即將換熱器的芯體與其進出氣及集配氣系統一次性打印生成，如圖3所示。其內部冷熱流體通道設計如圖4所示。

圖3 一次表面換熱器3D打印成品

圖4 一次表面換熱器內部流體通道

2 試驗系統及參數測量

試驗在上海交通大學的航空緊湊換熱器試驗臺上開展，該試驗臺主要由冷熱氣供氣系統、加熱系統、穩定段和試驗段組成，如圖5所示。在試驗中，將一次表面換熱器放置于試驗段中，將特定溫度和壓力的冷氣和熱氣同時分別引入冷氣和熱氣通道中換熱。在試驗段前后分別連接1段長500 mm的穩定段，以使流進和流出試驗段的冷氣流場穩定，保證穩定的試驗段進出口流體的溫度和壓力參數。在供氣系統方面，冷氣的氣源由2臺并聯的功率為4.3 kW的高壓風機提供，經過1個集氣腔和1段穩定段后進入試驗段換熱；熱氣由空壓機及儲氣罐提供，壓縮空氣經冷干機干燥并調節壓力，經過2臺串聯的加熱器加熱后進入一次表面換熱器中換熱。試驗中采用的加熱系統通過PIC控制柜控制2臺滿載加熱功率為35 kW的加熱器的啟動及運行功率，將熱氣流加熱到不同溫度。試驗時熱氣的不同壓力通過冷干機后設置的壓力調節閥實現；冷氣端的壓力調節則通過位于冷氣出口段的蝶閥實現。

圖5 一次表面換熱器試驗臺

為分析一次表面換熱器的流動和換熱特性，試驗中需要采集的主要數據有換熱器冷、熱氣進出口溫度、壓力和流量。試驗中使用多孔平衡流量計測量冷氣路的流量，熱氣路的流量則用熱式流量計測量。試驗中共有5支PT100溫度變送器，其中4支用于測量冷、熱氣的進口及出口溫度，1支用于測量平衡流量計的溫度補償值；同樣有5支壓力變送器用于測量試驗中各部位流體的壓力：4支用于測量冷、熱氣的進出口壓力，1支用于測量平衡流量計的壓力補償值。用于測量換熱器冷氣的進、出口溫度和壓力的變送器均放置于穩定段中流場較為穩定的位置，試驗段前傳感器放置于靠近試驗段的位置，試驗段后傳感器放置于離試驗段較遠的位置。

3 試驗參數

為探究叉流角度、熱氣流速、通道大小等因素對一次表面換熱器流動特性和換熱能力的影響，試驗中對3個大通道換熱器、2個小通道換熱器進行4種不同熱氣來流溫度、4種不同熱氣流量組合的試驗測試，即每個PSHE要測量16種工況。測量參數見表2，冷氣流量固定為85 kg/h，冷氣入口溫度為42℃。每組試驗的時間為5 min，當控制柜上溫度和壓力等示數穩定時，記錄相應試驗數據。

表2 試驗參數設置

4 一次表面換熱器性能試驗結果

試驗設置不同的換熱器的熱氣進口溫度及流量，測得這些工況下換熱器熱氣出口溫度及壓力、冷氣出口溫度及壓力等參數，通過對各參數進行處理以分析其對一次表面換熱器換熱能力及流阻特性的影響。換熱能力用換熱器換熱系數K（W/m2/K）衡量，流阻特性用工質進、出口壓差ΔPh（bar）表示。分析各因素對換熱器性能的影響時，將大通道和小通道換熱數據分開進行。

式中：Q為熱流體的散熱量，也可以用冷流體的吸熱量計算；cp為熱流體定壓比熱容；th，in為熱氣入口溫度；th，out為熱氣出口溫度；A為換熱器內部的換熱總面積；Δtm為熱流體與冷流體逆流換熱時的平均溫差；Φ為平均溫差修正系數，當冷熱流體叉流換熱時，換熱器的平均溫差需要通過Φ對相同條件下的逆流換熱的平均溫差修正得到，Φ的數值取決于無量綱參數P和R，P和R值可以在《傳熱學》[18]的圖表中得到。

4.1 換熱系數影響因素分析

不同熱氣入口溫度th，in下5個換熱器的換熱系數K隨質量流量的變化如圖6～9所示。

圖6 th，in=60℃時，各換熱器的換熱系數對比

圖7 th，in=80℃時，各換熱器的換熱系數對比

圖8 th，in=100℃時，各換熱器的換熱系數對比

圖9 th，in=120℃時，各換熱器的換熱系數對比

從圖6～9中可見，叉流角度30°小通道換熱器的換熱系數試驗數據存在波動，具體原因有待進一步分析。對于大通道換熱器，隨著叉流角度的增大，換熱系數K不斷增大；對于小通道換熱器，30°叉流角度對應的換熱系數大于0°換熱器的。在叉流角度均為30°的情況下，小通道換熱器的換熱系數顯著大于大通道換熱器的，在絕大多數工況下，30°小通道換熱器的換熱系數要大于45°大通道換熱器的，表明通道大小對換熱系數的影響程度大于叉流角度對其的影響程度。

圖10 th，in=60℃時，各換熱器的熱氣側壓降對比

4.2 壓力損失影響因素分析

不同熱氣入口溫度th，in下5個換熱器的熱氣壓力損失ΔPh隨質量流量的變化如圖10～13所示。

圖11 th，in=80℃時，各換熱器的熱氣側壓降對比

圖12 th，in=100℃時，各換熱器的熱氣側壓降對比

圖13 th，in=120℃時，各換熱器的熱氣側壓降對比

從圖10～13中可見，不管對于大通道還是小通道換熱器，隨著叉流角度的增大，熱氣側壓降呈遞增的趨勢。同時，通道大小對熱氣側壓降的影響十分顯著：叉流角度同為30°時，小通道換熱器的熱氣側壓降明顯大于大通道換熱器的，甚至在大多數工況中，30°小通道的熱氣側壓降還大于45°大通道換熱器的；并且當換熱器入口熱氣溫度較高時（100℃和120℃），0°小通道換熱器在某些流量下的熱氣側壓降會大于叉流角度為15°和30°的大通道換熱器的，說明在壓力損失方面，通道大小對換熱器性能的影響程度也大于叉流角度的影響程度。

5 一次表面換熱器試驗數據擬合

根據上節壓降ΔPh的特點，進行試驗數據擬合，得到ΔPh與熱氣參數之間的關系式為

式中：B為換熱器與冷氣狀態參數相關的參數，在試驗中的單一冷氣狀態下，該值為10。

式（5）中反映的參數之間的關系為：熱氣當量直徑de1越小，叉流角度θ越大，熱氣壓降ΔPh越大。擬合值與試驗值之間的對比如圖14～18所示，在多數工況下，二者相差不到5%。

圖14 0°小通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗值對比

圖15 15°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗值對比

圖16 30°小通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗值對比

圖17 30°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗值對比

圖18 45°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗值對比

在對換熱系數K進行試驗數據擬合時，未發現明顯的數學關系式。通過對照16個工況點下的換熱系數，發現30°大通道PSHE與30°小通道PSHE的傳熱系數比值與通道大小比值之間的關系為

式中：K30、K'30分別為30°大、小通道PSHE的換熱系數；de30、d'e30分別為30°大、小通道 PSHE的熱氣通道當量直徑。

6 結論

（1）不論大通道還是小通道一次表面換熱器，隨著其叉流角度的增大，冷熱流體在換熱器流動通道中的擾動不斷增強，換熱器的換熱能力逐漸提高，壓降增大。

（2）針對所研究的外涵冷氣通道具有相同的當量水力直徑的熱側大小通道一次表面換熱器，熱側通道當量水力直徑大小的改變對換熱器換熱性能的影響非常顯著。小通道換熱器內流體在流動單元中的熱流體流速較快，擾動更為劇烈，有利于冷熱流體的熱量交換，因此其換熱能力強于大通道換熱器的，叉流角度較小（30°）的小通道換熱器的換熱能力甚至強于叉流角度較大（45°）的大通道換熱器的。同時熱氣在通過小通道換熱器后的壓力損失也更大，叉流角度較小的小通道換熱器熱氣側壓降在多數工況下大于叉流角度較大的大通道換熱器的。因此，與換熱器冷熱流體的叉流角度相比，換熱器的流體通道大小對換熱器性能的影響更大。

（3）結合試驗數據擬合了熱氣壓降與熱氣參數及換熱器叉流角度之間的關系式；針對不同叉流角度一次表面換熱器的換熱系數K，從實現數據上未發現明顯的數學關系式；通過試驗總結了叉流角度為30°的大、小通道一次表面換熱器的換熱系數K與通道當量直徑大小之間的關系。