CN113048819B - 一种超临界co2螺旋式z型印刷电路板式换热器芯体 - Google Patents

一种超临界co2螺旋式z型印刷电路板式换热器芯体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及换热装置技术领域，具体涉及一种超临界CO2螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，所述换热器芯体至少包括一个换热板，所述换热板内至少包括一组螺旋式Z型结构流道，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状为半圆形，Z型结构每个流道转折处的半圆形在x‑y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小相等、方向相反；所述旋转角θ的大小为15～25°，优选为20°。相比于模型A，本发明压降显著降低，冷端压降降低13.32％，热端压降降低12.67％；热端PEC的涨幅为1.384％，冷端的PEC涨幅为3.055％；径向速度分布更加均匀，低速区的速度更高，速度跨度更小，可以在流道的非转折处抑制流动旋涡的产生，螺旋结构减缓由旋涡导致的流体间碰撞，从而减小流动损失。

Description

一种超临界CO2螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体
技术领域
本发明涉及换热装置技术领域，具体涉及一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着能源危机和环境污染的日益突出，对清洁能源的研究受到高度关注。CO2化学性质不活泼、使用安全、价格低廉，并且具有非常低的消耗臭氧潜值和气候变暖潜值，是一种对环境友好的天然工质。印刷电路板式换热器(PCHE)具有耐高温高压和结构紧凑的特点，广泛应于太阳能、核能、余热回收、地热能等领域。因此，使用超临界CO2作为循环工质的PCHE有极大的应用范围。
PCHE主要有连续型和非连续型两种类别，连续型又包括直流道和Z型等，流道截面形状有圆形、矩形、半圆形和梯形等。综合考虑传热和水力性能、耐压性能、成熟度和制造成本，带有半圆形截面的Z型通道是PCHE超临界CO2侧的首选通道类型，也是目前应用最广泛的PCHE类型。但是由于其复杂的工况条件以及微小的流道尺寸，导致PCHE内部的物性参数变化剧烈，从而造成相对较大的压降，极大的限制了PCHE在实际生产中的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的半圆形截面的Z型通道印刷电路板式换热器压降较大的技术问题，本发明的目的是提供一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体及换热器，能显著降低流体的流动损失，降低换热器压降，为新型PCHE的开发和设计提供了方案和思路。
与传统换热器相比，Z型PCHE有着高效紧凑的性质，但伴随的是高压力损失的特点。降低流体的压降对于超临界CO2循环有至关重要的作用。现有技术中，Nikitin等人提出了采用Z型流道的PCHE物理模型，采用Z型流道的PCHE物理模型的换热芯体尺寸为 71mm×76mm×896mm，如图1至图3所示，Z型PCHE的流道截面的形状为半圆形，冷流道和热流道按层排列，热流道层数为12，每层12个流道，冷流道层数为6层，每层11个流道，每2层热流道间排布1排冷流道；冷热流道内的流动工质均为超临界CO2；冷、热流道的直径均是1.9mm，冷、热端间的流动方式为逆流；冷热流道间的距离为1.63mm， PCHE的转折角度为115°，冷热流道采用相同的流道尺寸，每次转折的截距为4.5mm，固体域材料为SS316不锈钢，流道的上壁面与固体上壁面平行。本发明中将这种传统的Z型PCHE模型简称为模型A。
本发明基于现有技术中传统的Z型PCHE模型，提供一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体及换热器，在原始Z型PCHE模型即模型A的基础上，将Z型结构每个流道转折处的半圆形在x-y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小相等、方向相反，使得换热器的流道从半圆柱式变为螺旋式。
PCHE内的流动阻力主要是由形状损失和压力损失组成，因此在相同的工况条件下，改变流道的形状可以在一定程度上减小形状压力损失，从而减小流动阻力。发明人设计的螺旋式Z型PCHE结构，该结构的径向速度分布更加均匀，低速区的速度更高，速度跨度更小，可以在流道的非转折处抑制流动旋涡的产生，也就是说螺旋结构可以减缓由旋涡导致的流体间碰撞，从而减小流动损失。
本发明的螺旋式Z型PCHE通过改变流道的形状显著降低了冷端和热端的压降，提高了热端和冷端的性能评价标准(PEC)。
具体的，本申请的第一方面提供了一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，所述换热器应至少包括一个冷端换热板和两个热端换热板，所述换热板内至少包括一组螺旋式Z 型结构流道，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状为半圆形，Z型结构每个流道转折处的半圆形在x-y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小相等、方向相反；
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，所述旋转角θ的大小为15～25°，优选为20°；
本发明中，螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体设置该旋转角后，螺旋式Z型结构流道的径向速度分布更加均匀，低速区的速度更高，速度跨度更小，可以在流道的非转折处抑制流动旋涡的产生，螺旋结构减缓由旋涡导致的流体间碰撞，从而减小流动损失。
本发明的第二方面，提供一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器，所述换热器包含第一方面所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体。
本发明的具体实施方式具有以下有益效果：
本发明实施方式中公开的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体及包含该芯体的换热器的压降显著降低，与模型A相比，冷端压降降低13.32％，热端压降降低12.67％；
相比于模型A，本发明实施方式中公开的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体及包含该芯体的换热器的热端PEC的涨幅为1.384％，冷端的PEC涨幅为3.055％；
本发明实施方式中公开的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体及包含该芯体的换热器的径向速度分布更加均匀，低速区的速度更高，速度跨度更小，可以在流道的非转折处抑制流动旋涡的产生，螺旋结构减缓由旋涡导致的流体间碰撞，从而减小流动损失。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术中的Z型PCHE流道截面图；
图2为现有技术中的Z型PCHE逆流模型图；
图3为现有技术中的Z型PCHE截面尺寸图；
图4为本发明的螺旋式Z型PCHE模型的一个流道单元图；
图5为本发明的螺旋式Z型PCHE的3层流道结构图；
其中，1、热流道壁面1；2、冷流道壁面；3、热流道壁面2；4、热端工作流体1；5、冷端工作流体；6、热端工作流体2；7、固体域。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明的一种实施方式中，提供了一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，所述换热器芯体至少包括一个冷端换热板和两个热端换热板，所述换热板内至少包括一组螺旋式Z型结构流道，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状为半圆形，Z型结构每个流道转折处的半圆形在x-y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小相等、方向相反；
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，所述旋转角θ的大小为15～25°，优选为20°；
本发明中，螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体设置该旋转角后，螺旋式Z型结构流道的径向速度分布更加均匀，低速区的速度更高，速度跨度更小，可以在流道的非转折处抑制流动旋涡的产生，螺旋结构减缓由旋涡导致的流体间碰撞，从而减小流动损失。所述螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体的压降显著降低，与模型A相比，冷端压降降低13.32％，热端压降降低12.67％；PEC的涨幅为1.384％，冷端的PEC涨幅为3.055％。
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，换热板上除螺旋式Z型结构流道外的其他部位为固定域，进一步的，各个流道间不接触，通过固体域进行传热；各个流道的上壁面与固体域上壁面不平行；
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，所述螺旋式Z型结构流道包含热流体流道和冷流体流道；
优选的，热流体流道和冷流体流道间隔设置；
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，所述热流体流道和冷流体流道间的流动方式为逆流；热端工作流体在热流体流道中沿着相同的方向流动，冷端工作流体从冷流体流道内沿着与热流体流动相反的方向流动；
优选的，所述热流体流道和冷流体流道的直径为1.8～2.0mm，进一步优选为1.9mm；
优选的，所述螺旋式Z型结构流道每次转折的截距为4.4～4.6mm，进一步优选为4.5 mm；
优选的，所述螺旋式Z型结构流道的转折角度为110°～120°，进一步优选为115°。
进一步地，在本申请的一种或多种实施方式中，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状也可以是半椭圆形、梯形、三角形、矩形中的任意一种，不同截面形状可根据不同换热过程的要求灵活选取。
在本发明的一种实施方式中，提供了一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器，所述换热器包含第一方面所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体；
优选的，所述换热器还包括热流体进口单元、热流体出口单元、冷流体进口单元和冷流体出口单元、换热器外壳和封头。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1
如图4和5所示，一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，所述换热器芯体至少包括一个冷端换热板和两个热端换热板，所述换热板内包括1层螺旋式Z型结构流道，螺旋式Z型结构流道的截面形状为半圆形，Z型结构每个流道转折处的半圆形在x-y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小为20°，且方向相反；
换热板上除螺旋式Z型结构流道外的其他部位为固定域7，各个流道间不接触，通过固体域7进行传热；各个流道的上壁面与固体域上壁面不平行；
3层螺旋式Z型结构流道包含热流体流道和冷流体流道，热流体流道和冷流体流道间隔设置；
所述热流体流道和冷流体流道间的流动方式为逆流；热端工作流体1和热端工作流体2 在热流体流道中沿着相同的方向流动，冷端工作流体5从冷流体流道内沿着与热流体流动相反的方向流动；
所述热流体流道和冷流体流道的直径为1.9mm；所述螺旋式Z型结构流道每次转折的截距为4.5mm；所述螺旋式Z型结构流道的转折角度为115°。
本发明螺旋式Z型印刷电路板式换热器的压降显著降低，与模型A相比，冷端压降降低13.32％，热端压降降低12.67％；从流动和传热两个角度综合地评价其性能，相比于模型 A，热端PEC的涨幅为1.384％，冷端的PEC涨幅为3.055％。
其中，性能评价标准(PEC)的计算方式为：
Figure GDA0003386417090000051
其中，k：第k种螺旋结构；0：旋转角为0°的原始螺旋结构；Nu：评价传热性能的指标努赛尔数；f：评价水力性能的指标摩擦因子。
Figure GDA0003386417090000052
Figure GDA0003386417090000053
其中，dh：水力直径，m；λ：热导率，W/m·K；hi：对流换热系数，W/(m2·K)；Pin,：进口压力， Pa；Pout,i：出口压力，Pa；ρi：密度，kg/m3；νi：速度，m/s；li：有效长度，m。
实施例2
一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器，所述换热器包含实施例1的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体；所述换热器还包括热流体进口单元、热流体出口单元、冷流体进口单元和冷流体出口单元。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，所述换热器芯体至少包括一个冷端换热板和两个热端换热板，其特征在于，所述换热板内至少包括一组螺旋式Z型结构流道，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状为半圆形，Z型结构每个流道转折处的半圆形在x-y截面上旋转一个角度θ，相邻的两个半圆的旋转角θ大小相等、方向相反。
2.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述旋转角θ的大小为15～25°。
3.如权利要求2所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述旋转角θ的大小为20°。
4.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，换热板上除螺旋式Z型结构流道外的其他部位为固定域，各个流道间不接触，通过固体域进行传热；各个流道的上壁面与固体域上壁面不平行。
5.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道包含热流体流道和冷流体流道。
6.如权利要求5所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，热流体流道和冷流体流道间隔设置。
7.如权利要求5所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述热流体流道和冷流体流道间的流动方式为逆流；热端工作流体在热流体流道中沿着相同的方向流动，冷端工作流体从冷流体流道内沿着与热流体流动相反的方向流动。
8.如权利要求5所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述热流体流道和冷流体流道的直径为1.8～2.0mm。
9.如权利要求5所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述热流体流道和冷流体流道的直径为1.9mm。
10.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道每次转折的截距为4.4～4.6mm。
11.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道每次转折的截距为4.5mm。
12.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道的转折角度为110°～120°。
13.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道的转折角度为115°。
14.如权利要求1所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体，其特征在于，所述螺旋式Z型结构流道的截面形状还选自半椭圆形、梯形、三角形、矩形中的任意一种。
15.一种螺旋式Z型印刷电路板式换热器，其特征在于，所述换热器包含权利要求1～14任一权利要求所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器芯体。
16.如权利要求15所述的螺旋式Z型印刷电路板式换热器，其特征在于，所述换热器还包括热流体进口单元、热流体出口单元、冷流体进口单元和冷流体出口单元、换热器外壳和封头。
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