SCO2循環冷端印刷電路板式換熱器動態特性實驗研究

侯 敏,劉秀婷,王 野,王 偉,卓文斌,趙全斌,*

(1.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室,陜西 西安 710049;2.中國核動力研究設計院,四川 成都 610213;3.中國華能集團公司,北京 100031;4.西安熱工研究有限公司,陜西 西安 710054)

印刷電路板式換熱器(printed circuit heat exchanger, PCHE)是一種緊湊式的換熱器,與傳統管殼式換熱器相比,換熱效率更高、耐溫耐壓性能更好,相同熱負荷條件下,PCHE的體積僅為管殼式換熱器的1/5～1/6[1]。大量研究表明,PCHE滿足系統對緊湊度和高溫、高壓運行的要求,是SCO2布雷頓循環系統中回熱器和冷卻器的一種理想選擇[2-4]。在超臨界二氧化碳布雷頓循環中,工作溫度較低的一端為冷端,冷卻器中SCO2與冷卻介質直接換熱,其溫度是整個循環中的最低工作溫度,故冷卻器又稱冷端換熱器。近年來,隨著對SCO2動力循環研究的深入,發現冷端換熱器出口SCO2的參數對循環效率的影響顯著[5]。因此研究冷端換熱器在冷卻工質流量、SCO2流量以及熱負荷等參數的擾動下,SCO2出口溫度和壓力的動態變化規律以及換熱器性能變化,對SCO2出口參數的控制和系統運行的安全性和高效性有著重要意義。

近年來,國內外對PCHE的設計及熱力學性能展開了大量研究。針對在臨界點附近二氧化碳物性變化的特點,PCHE的設計大多采用分段設計[6-7]。Liao和Zhao[8]研究了直徑為0.70～2.16 mm的加熱微型管的浮力效應,結果表明,浮力效應受管道直徑的影響。Serrano等[9]利用數值模擬的方法研究直通道PCHE中SCO2和水的流動傳熱特性,發現由于SCO2臨界點附近比熱容劇增導致水溫上升幅度很大,在其附近大約有30%的熱量得到釋放,而60%的熱量在換熱器80%的長度中得到釋放。Jeon等[10]研究應用于SCO2循環的直通道PCHE,發現橫截面通道較小會抑制流動效率,較大會破壞結構的穩定性,且交叉流布置的PCHE結構穩定性較低,傳熱性能較好。Serrano等[11]在換熱器設計過程中發現應用不同關聯式時預測結果相似,但與數值模擬結果相比,Gnielinski關聯式是最適宜的。Lee等[12]利用三維RANS分析方法,研究之字形PCHE的不同通道布置以及不同通道橫截面形狀對傳熱和壓降的影響,結果發現矩形通道的效率最高而圓形通道的效率最低,在所有形狀中圓形通道的摩擦系數最低。Chu等[13]通過實驗的方法研究了直通道PCHE內SCO2與水的換熱性能,結果表明相同質量流量下SCO2比水具有更好的傳熱能力,且PCHE在較高的運行壓力下具有更好的綜合性能。

總結現有的研究不難發現,目前SCO2循環冷端換熱器多采用PCHE,相關研究以數值模擬為主,實驗研究較少,模擬結果的可靠性缺少實驗數據驗證,且已有的實驗研究主要關注冷端換熱器在穩態時的流動、換熱性能,針對SCO2循環冷端換熱器在進口參數擾動下的換熱器出口參數的動態變化實驗研究未見報道。因此,通過實驗臺模擬PCHE在SCO2循環冷端的工作狀態,研究冷端PCHE在工質流量和熱負荷擾動下的動態響應特性,以及工質流量和熱負荷對換熱器性能的影響。

1 實驗測試平臺

1.1 實驗系統

實驗系統主要由啟停系統、循環水系統、節流冷卻系統、流量調節系統、儀控系統、結構支撐系統等分系統和數據采集系統組成,包括實驗樣件、壓縮機、加熱器、儲罐等主要設備(圖1)。實驗過程中工質的循環主要通過冷卻水回路和二氧化碳回路。在二氧化碳回路中,二氧化碳通過鋼瓶組經由壓縮機充入系統,大部分二氧化碳儲存在儲罐中;實驗過程中,通過調節壓縮機的頻率和加熱器的功率將二氧化碳回路中的二氧化碳加壓加熱到實驗所需壓力和溫度;同時為避免發生安全事故,在二氧化碳回路中設置排氣系統,可通過排放閥將循環系統的二氧化碳集中排放。

1——CO2鋼瓶組;2——壓縮機;3——SCO2系統負荷控制儲罐;4——節流減壓裝置;5——電加熱器;6——預冷器;7——壓縮機入口穩壓罐;8——冷卻系統;9——排放系統

1.2 實驗樣件

測試件為半圓形截面直通道PCHE,詳細參數列于表1。

表1 PCHE詳細參數

圖2為測試的PCHE的整體結構示意圖和換熱板結構示意圖。

圖2 測試原件

實驗中換熱器進、出口工質的溫度、壓力以及壓損分別由試件進、出口布置的溫度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器測量。在冷卻水回路和二氧化碳回路分別設置了流量計用來測量參與換熱的冷卻水流量和CO2流量。此外,在冷卻水回路和二氧化碳回路中均設置了氣動控制閥,實驗過程中可以通過調節氣動閥的開度來控制參與換熱的工質的流量,調節電加熱器的電壓可以改變SCO2的加熱功率。實驗臺中所使用的測量儀器的測量范圍以及精度列于表2,為保證實驗數據的真實可靠,在實驗前對所使用的測量儀器均進行標定。

表2 儀表量程和精度

1.3 實驗工況

實驗中換熱器二氧化碳出口側初始溫度設置為32 ℃/35 ℃,壓力設置為7.7～7.8 MPa/8.3～8.4 MPa,壓力和溫度的選取均依據目前SCO2布雷頓循環的設計和實際工程應用的溫度和壓力,具體的測試工況范圍列于表3。

表3 測試工況范圍

2 數據處理與不確定度分析

2.1 換熱器性能評價指標

換熱器效能的定義是實際換熱量與理論最大換熱量的比,SCO2在臨界點附近比熱變化劇烈,采用Turchi等[14]提出的基于焓值的傳熱效率計算公式:

(1)

其中:Qave為冷熱側的平均換熱量,kJ;H為比焓,kJ/kg;m為工質流量,kg/s;下標h、c分別代表熱側和冷側。

換熱系數U的計算公式如下:

(2)

其中:ΔTLMTD為對數平均溫差,℃;A為換熱面積,m2。

2.2 不確定度分析

實驗中待測量包括換熱器進出口壓力、溫度、壓差以及工質流量;計算量有對數平均溫差ΔTLMTD、換熱量Qave、換熱系數U、效能ε,不確定度計算公式[15]:

(3)

其中:R為計算量;ΔR為計算量的不確定度;Xi為與計算量相關的變量;ΔXi為變量的不確定度。由此可計算得到對數平均溫差ΔTLMTD、換熱量Qave、換熱系數U、效能ε的不確定度分別為1.70%、1.57%、2.32%、1.61%。

在此基礎上,先驗證實驗測試系統中測試原件的熱平衡性,研究發現換熱器冷熱兩側熱量穩態偏差不超過5%,表明本實驗測試結果具有較好的準確度。

3 實驗結果與討論

3.1 冷卻水流量擾動對換熱器性能的影響

在研究冷卻水流量擾動對換熱器性能影響的實驗中分別設置了3組正向和3組負向的冷卻水流量擾動,冷卻水流量擾動幅度分別為+7%、+13%、+28%、-11%、-18%、-28%。冷卻水擾動實驗的具體操作如下:先調節冷卻水流量至初始設定工況,保持SCO2流量和加熱功率不變,即保持初始條件下SCO2入口溫度不變,待實驗系統的溫度、壓力等參數穩定一段時間后,改變冷卻水管路閥門開度,實現換熱器入口冷卻水流量擾動,實驗中閥門開度通過氣動式調節閥控制,在控制系統中輸入閥門開度值后,氣動閥在2～3 s內完成冷卻水流量的自動調節,數據采集系統記錄下溫度、壓力,流量以及閥門開度等參數隨時間的變化。圖3為水流量在50 s處發生不同程度擾動后SCO2側溫度和壓力變化。從圖中可看出,SCO2溫度和壓力重新達到穩態的時間隨擾動大小的增大而增加,在擾動發生約150～200 s后重新達到穩定狀態,SCO2側溫度變化和冷卻水流量變化呈負相關,SCO2的壓力的變化與出口溫度的變化呈正相關,在冷卻水流量擾動后SCO2出口溫度先于入口溫度發生變化,這是由于出口處SCO2的參數變化需要經過循環后再傳遞至入口處。以冷卻水流量變化+28%為例,在冷卻水入口溫度不變的情況下,冷卻水流量增大時,換熱器冷卻能力增強,使得SCO2出口溫度降低,壓力隨之降低,出口處SCO2的密度和比熱增大,在閉式系統中換熱器出口溫度和壓力的變化又會引起入口參數變化,進、出口參數逐漸達到新的穩態,最終SCO2出口溫度從32.46 ℃降低至31.25 ℃,變化1.21 ℃,SCO2出口壓力從7.68 MPa降低至7.43 MPa,變化0.25 MPa,此時SCO2比熱增大;同理當冷卻水流量變化-28%時,SCO2出口溫度升高,從32.59 ℃升至35.36 ℃,變化2.77 ℃,SCO2出口壓力從7.70 MPa升高至8.23 MPa,變化0.53 MPa,此時SCO2比熱減小,比熱的變化導致在相同幅度的正向和負向冷卻水流量擾動下,SCO2出口的溫度和壓力變化幅度不同。

圖3 冷卻水流量擾動下CO2進、出口溫度和壓力變化

冷端換熱器在冷卻水流量不同幅度的擾動下最終達到穩態后的流動與傳熱性能變化規律,包括整體換熱系數、換熱器效能和換熱器冷熱兩側流動壓降,如圖4所示。從圖4可看出,冷卻水流量增大,水側湍動能增加,水側對流換熱增強,換熱器的整體換熱系數增大,冷卻水流量從0.87 kg/s增加到1.58 kg/s的過程中,換熱系數增加了約36%;冷卻水流量的增加也使得換熱器的冷卻能力增強,換熱效能隨之增大,在實驗工況下,換熱器效能增加了約7.9%。對于換熱器壓損來說,SCO2側由于流量變化不大,所以其壓降變化較小,而冷卻水側壓降隨水流量的增大而增大,實驗條件下水側壓降增加了約108.3%。

圖4 冷卻水流量擾動對換熱系數、效能和壓降的影響

3.2 SCO2流量對換熱器性能的影響

在研究超臨界二氧化碳流量對換熱器性能的實驗中分別設置了6組SCO2擾動,SCO2流量擾動幅度分別為±10%、±20%、±30%。SCO2流量擾動實驗的具體操作如下:先調節SCO2流量至初始設定工況,保持冷卻水流量和加熱功率不變,待實驗系統的溫度、壓力等參數穩定一段時間后,調節壓縮機轉速改變SCO2質量流量,數據采集系統記錄下溫度、壓力,流量等參數隨時間的變化。如圖5所示,為SCO2流量在50 s處發生不同程度擾動后SCO2側溫度和壓力變化。從圖5可看出,SCO2出口溫度變化和SCO2流量變化呈正相關,SCO2入口溫度變化和SCO2流量變化呈負相關,SCO2的壓力的變化與出口溫度的變化呈正相關,SCO2溫度和壓力重新達到穩態的時間隨著擾動大小的增大而增加,在擾動發生100～150 s后重新達到穩定狀態。以SCO2流量變化+30%為例,冷卻水入口溫度和流量不變,換熱器冷卻能力不變,此時二氧化碳流量增大,換熱器已無法將二氧化碳冷卻至相同的溫度,SCO2出口溫度開始升高,壓力升高,比熱和密度降低,同時由于SCO2流量的增加,相同的加熱功率已無法維持初始的加熱溫度SCO2入口溫度,入口溫度降低,比熱增大,此時出口處SCO2溫度升高的變化傳遞至入口使得入口溫度出現先降低后升高,最終進、出口參數逐漸達到新的穩態,SCO2出口溫度從32.54 ℃升高至33.99 ℃,出口壓力從7.77 MPa升高至7.98 MPa。以SCO2流量變化-30%為例,冷卻水入口溫度和流量不變,換熱器冷卻能力不變,此時SCO2流量減小,換熱器將SCO2冷卻至更低的出口溫度,壓力隨之下降,比熱和密度增大,由于流量的降低,相同的加熱功率使得SCO2入口溫度上升,比熱和密度減小,此時出口處SCO2溫度降低的變化傳遞至入口使得入口溫度出現先升高后降低,最終SCO2出口溫度從32.34 ℃降低至31.19 ℃,出口壓力從7.71 MPa降低至7.43 MPa。

圖5 SCO2流量擾動下SCO2進、出口溫度和壓力變化

冷端換熱器在SCO2流量不同幅度的擾動下最終達到穩態后的流動與傳熱性能變化規律,包括整體換熱系數、換熱器效能和換熱器冷熱兩側流動壓降,如圖6所示。從圖中可看出,SCO2流量增大使得湍動能增加,SCO2側對流換熱增強,換熱器的整體換熱系數增大;SCO2側壓降隨SCO2流量的增大而增大。SCO2流量從0.7 kg/s增加到1.3 kg/s的過程中,換熱系數增加了約90.5%;換熱器的效能隨著SCO2流量的增大而減少,這是由于加熱器功率不變,輸入換熱器的熱量基本保持不變,達到平衡后冷卻水帶走的熱量也基本不變,即實際換熱量變化不大,而SCO2流量的增加使得理論換熱量增大,導致換熱器效能減小,在實驗工況下,換熱器效能減小了24.6%。對于換熱器壓損來說,水側由于流量變化不大,所以其壓降變化較小,而SCO2側壓降隨流量的增大而增大,實驗條件下SCO2側壓降增加了113.6%。

圖6 SCO2流量擾動對換熱系數、效能以及壓降的影響

3.3 不同熱負荷對換熱器性能的影響

在SCO2回路中,工質進入預冷器前會先經過加熱器加熱,通過改變加熱器功率可以改變換熱器熱負荷。實驗時,先調節加熱器功率至初始設定工況,保持冷卻水流量和SCO2流量不變,待實驗系統的溫度壓力穩定后,改變加熱器功率,數據采集系統記錄下溫度、壓力、流量等參數隨時間的變化。實驗過程中共設置了5組加熱功率擾動,分別為85 kW-75 kW、85 kW-65 kW、85 kW-55 kW、85 kW-45 kW、85 kW-35 kW。圖7為加熱功率在50 s處發生不同程度擾動后,換熱器SCO2側進、出口的溫度和壓力隨時間的變化。根據實驗結果可知,SCO2的壓力的變化與SCO2出口溫度的變化呈正相關, SCO2溫度和壓力重新達到穩態的時間隨著擾動大小的增大而增加,其中時間最短為200～220 s,最長為400～420 s。

圖7 加熱功率擾動下CO2進、出口溫度和壓力變化

以加熱功率降低至35 kW為例,冷卻水入口溫度和流量不變,換熱器冷卻能力不變,此時加熱器功率減小,加熱器已無法將相同流量的二氧化碳加熱至初始工況下的溫度,導致SCO2入口溫度下降,SCO2出口溫度也隨之降低,出口溫度的降低使得出口處SCO2的密度和比熱增大,壓力降低,在閉式系統中換熱器出口溫度和壓力的變化會經過循環傳遞至入口,引起入口參數變化,以此往復進、出口參數逐漸達到新的穩態。最終,SCO2出口溫度從35.34 ℃降低至30.91 ℃,SCO2出口壓力從8.25 MPa降低至7.38 MPa。與入口側溫度相比,出口側的溫度變化的整體幅度更小,SCO2入口溫度變化幅度最大約16 ℃,而SCO2出口溫度變化幅度最大約4.4 ℃,這是由于出口處SCO2更靠近臨界狀態,比熱容更大,相同熱量變化下溫度變化更小。

冷端換熱器在加熱器功率不同幅度的擾動下最終達到穩態后的流動與傳熱性能變化規律,包括整體換熱系數、換熱器效能和換熱器冷熱兩側流動壓降,如圖8所示。從圖8可看出,換熱器整體換熱系數隨著加熱功率的增大而減小,這是由于SCO2流量不變的情況下,加熱功率增大,SCO2側平均溫度升高,換熱能力減小,在實驗工況下,換熱系數減小了約25.4%;隨著加熱功率增大換熱器的實際換熱量增大,冷卻水入口流量和溫度不變的情況下,換熱器冷卻能力變化不大,理論換熱量變化也不大,導致效能增大,在實驗工況下,換熱器效能增大了30.6%。對于換熱器壓損來說,隨加熱功率增大,SCO2側平均溫度升高,密度減小,平均流速增大使SCO2側壓降在實驗工況下增大約22.7%,水側壓降變化較小,這是由于與SCO2相比相同熱量變化下水的密度、黏性變化小。

圖8 加熱功率擾動對換熱系數、效能以及工質壓降的影響

4 結論

以半圓形直通道PCHE為研究對象,通過在換熱器的入口側施加冷卻水流量擾動、SCO2流量擾動以及SCO2加熱器功率擾動來探究換熱器SCO2側出口參數對于不同擾動的動態響應特性,同時獲得了上述相應的入口參數的擾動對換熱器的整體換熱系數、效能、工質壓降的影響。結果表明:

1) 在不同的換熱器入口參數的擾動實驗中,SCO2出口溫度和壓力重新達到穩態的時間隨擾動幅度的增大而增加。在冷卻水側流量擾動實驗中,SCO2出口溫度和壓力在擾動150～200 s后重新達到穩態;在SCO2流量擾動實驗中,SCO2出口溫度和壓力在擾動發生100～150 s后重新達到穩定狀態;在加熱器功率擾動實驗中,SCO2出口溫度和壓力重新達到穩態的時間最短為200～220 s,最長為400～420 s;水流量的擾動和SCO2流量的擾動對SCO2出口參數的影響相反;在不同的擾動下,換熱器SCO2側壓力的變化幅度和趨勢均與冷端換熱器SCO2出口溫度的變化呈正相關。

2) 水流量和SCO2流量的增大均能提高換熱器的整體換熱系數且增加SCO2流量對換熱系數的提升效果更明顯,但同時也會引起工質壓損的增加;冷卻水流量的增加使得換熱器的冷卻能力提高,增大了換熱器的效能,而SCO2流量的增加并不會提高換熱器的冷卻能力,會導致換熱器效能減小;增大加熱功率會使SCO2側平均溫度升高,換熱能力減小,同時溫度升高使得SCO2密度減小,平均流速增大,導致SCO2側壓降增大。