一種超臨界CO2印刷電路板式換熱器熱工水力特性數值研究

胡彧 袁宏 王海松 成翔 劉曉波

摘 要

采用商用CFD軟件CFX對應用于超臨界CO2（S-CO2）布雷頓循環的一種印刷電路板式換熱器（PCHE）熱工水力特性進行了數值研究。建立三維數值計算模型進行模擬，將數值計算結果與公開發表的實驗數據進行對比，驗證了數值方法及模型的適用性。對PCHE傳統Z字形的半圓形截面流道結構進行了優化，通過將半圓形截面優化成矩形截面使得PCHE傳熱面積增加，傳熱性能得到提升。將優化后的結構應用于S-CO2布雷頓循環中的預冷器，基于預冷器的運行條件研究了其CO2側和水側的流動傳熱性能，并依據計算結果擬合了預冷器兩側流體的傳熱關聯式和流動阻力關聯式。

關鍵詞

超臨界CO2;印刷電路板式換熱器;結構優化;熱工水力特性

中圖分類號： TK172;TN41 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.001

Abstract

A ?CFD analysis is conducted to reproduce the micro channel internal flow information in the S-CO2 printed circuit heat exchanger（PCHE） for S-CO2 power cycle with a commercial CFD code ANSYS CFX.By comparing the simulation results with the experimental data published in a thesis，the applicability of the numerical method is verified. In order to improve the thermal hydraulic performance of PCHE，a new structure is developed by changing the conventional semi-circular zigzag flow channel into rectangle zigzag flow channel which can offer more heat transfer area with the same heat exchanger volume.The new structure of rectangle zigzag flow channel is applied to PCHE as a pre-cooler for S-CO2 power system with CO2 flowing in hot side channel and water flowing in cold side channel.Then the hydraulic performance of pre-cooler is studied under the operating condition and the friction factor and heat transfer correlation on both side are developed.

Key Words

Supercritical CO2;Printed circuit heat exchanger;Structure optimization;Thermal hydraulic performance

0 前言

S-CO2布雷頓循環被當作核電領域能夠取代目前郎肯循環的可行方案，得到了廣泛的研究[1]。S-CO2布雷頓循環同時兼顧了郎肯循環和傳統氣體布雷頓循環的優點，有著較低的壓縮能耗和較高的運行溫度，這使得其具有更高的熱效率[2]。由于工質運行溫度較高，S-CO2布雷頓循環可應用于一些新型的高溫核反應堆。同時由于S-CO2的惰性，S-CO2布雷頓循環具有很高的安全性，可與鈉冷快堆技術結合，避免鈉冷快堆發生鈉水反應引發安全事故[3，4]。

S-CO2布雷頓循環技術應用前景廣闊，但仍存在許多的難點，如預冷器之類的換熱設備設計較為困難。預冷器的運行工質為S-CO2和水，通常采用印刷電路板式換熱器（PCHE）的結構形式，PCHE是一種傳熱性能優良的緊湊式換熱器，其采用光電-化學刻蝕及擴散粘結技術，可使得流道尺寸控制在毫米級并具備較好的承壓的能力，同時具有較寬的溫度運行范圍[5，6]。……