劉凱， 明楊， 胡朝營(yíng)， 趙富龍， 余霖， 田瑞峰

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

隨著核科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，核電所占發(fā)電總份額越來(lái)越多。其中超臨界二氧化碳(S-CO2)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)作為一種新型高效熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在氣冷堆中占比越來(lái)越大。核反應(yīng)堆內(nèi)換熱器的換熱能力對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的熱效率有著明顯的影響，而印刷電路板式換熱器(printed circuit heat exchanger，PCHE)作為一種新型微通道緊湊型換熱器在高溫高壓、高熱流條件下相比于普通換熱器換熱性能更加顯著[1]。除在流動(dòng)換熱方面，超臨界二氧化碳在萃取、噴涂、清洗、藥物制備等領(lǐng)域已得到廣泛研究、發(fā)展和應(yīng)用[2-3]。二氧化碳在臨界區(qū)附近物性會(huì)發(fā)生劇烈變化，尤其是其比熱、熱導(dǎo)率、粘度和密度等物性在跨臨界區(qū)域有極大梯度的變化，工質(zhì)物性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行壓力、溫度較為敏感，給超臨界二氧化碳換熱研究帶來(lái)了很大困難和挑戰(zhàn)[4]。學(xué)者已經(jīng)對(duì)超臨界二氧化碳印刷電路板換熱器的換熱特性做了許多的實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算。徐向陽(yáng)等[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)超臨界工況下PCHE的傳熱和阻力性能進(jìn)行了研究，探討了數(shù)值模型在兩側(cè)變物性流體共軛換熱工況下的準(zhǔn)確性，同時(shí)重點(diǎn)研究了不同工況下流體物性導(dǎo)致的壓力和溫差變化差異。Marchionni等[6]提出了一種用于超臨界二氧化碳電力系統(tǒng)中的PCHE建模方法?？梢詫CHE模型嵌入完整SCO2功率模塊的模型中，以進(jìn)行優(yōu)化、瞬態(tài)仿真和控制。結(jié)果表明，2種建模方法的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好，證實(shí)了一維方法可以用于PCHE的快速仿真和分析。徐哲等[7]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了跨擬臨界點(diǎn)超臨界二氧化碳在印刷電路板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)換熱特性。結(jié)果表明SCO2溫度達(dá)到擬臨界溫度時(shí)，流通截面內(nèi)流體溫度分布最均勻，因?yàn)榇藭r(shí)流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)最大；SCO2側(cè)對(duì)流換熱熱阻在總熱阻中占比最大。相夢(mèng)如等[8]采用數(shù)值模擬方法對(duì)PCHE通道內(nèi)SCO2-H2O的耦合特性進(jìn)行了分析，得出了二氧化碳h、Nu隨流量的變化趨勢(shì)。Liu等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了直通道PCHE內(nèi)SCO2-H2O的換熱特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)SCO2從類氣體區(qū)冷卻到擬臨界區(qū)時(shí)，對(duì)流傳熱增強(qiáng)。Chu等[10]通過(guò)SCO2-H2O實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究了不同SCO2工作壓力下PCHE的傳熱率和壓力損失，結(jié)果表明PCHE在較高壓力條件下運(yùn)行時(shí)具有更好的綜合性能。Chen等[11]以氦氣作為工質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)直通道PCHE的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了模擬和分析，結(jié)果表明該響應(yīng)受入口溫度變化、氦氣質(zhì)量流量變化以及兩者組合的影響。李瑋哲[12]分別研究了超臨界甲烷在PCHE中的流動(dòng)換熱特性；曾豪等[13]、劉貴軍等[14]分別研究了不同通道形狀的PCHE換熱性能。一些學(xué)者也提出了PCHE流動(dòng)特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。李雪[15]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)多種角度的Z型通道在Re≤2 000范圍內(nèi)流體的傳熱與流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了綜合考慮Re、Pr和Zigzag通道角度3因素的傳熱與流動(dòng)準(zhǔn)則式。

雖然近年來(lái)對(duì)印刷電路板式換熱器的研究不斷深入，但對(duì)以兩側(cè)均為超臨界二氧化碳為工質(zhì)的研究仍不夠充分，且研究都集中在較低的雷諾數(shù)范圍內(nèi)。本文研究的直通道印刷電路板式換熱器冷熱兩側(cè)均以超臨界二氧化碳為工質(zhì)，在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)采用數(shù)值計(jì)算的方法探究不同工況下印刷電路板式換熱器換熱特性的變化。

1 S-CO2傳熱模型及計(jì)算方法

1.1 幾何模型

本文采用平直通道的印刷電路板式換熱器作為研究對(duì)象，冷熱通道分層布置逆流換熱，流動(dòng)工質(zhì)皆為超臨界二氧化碳，如圖1所示。PCHE實(shí)際結(jié)構(gòu)中還需要在兩側(cè)通道連接接口和支架來(lái)導(dǎo)入導(dǎo)出工質(zhì)，在本模型中已經(jīng)省略，只考慮了芯體部分。該換熱器由100個(gè)板片組成，每個(gè)板片有80個(gè)通道；單個(gè)管道直徑2 mm，板片厚度1.5 mm，管道總長(zhǎng)度740 mm。

圖1 印刷電路板式換熱器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic form of printed circuit heat exchanger

本文以一個(gè)換熱單元為研究對(duì)象，上部為熱側(cè)通道，下部為冷側(cè)通道，上下左右壁面為周期性邊界條件，模型尺寸為3 mm×3 mm×740 mm。

1.2 數(shù)學(xué)物理模型

文獻(xiàn)[16-17]針對(duì)微通道內(nèi)超臨界流體的熱工水力特性研究成果表明SSTk-ω模型強(qiáng)化壁面處理方法較好，能夠?qū)ΤR界流體給出更準(zhǔn)確的流動(dòng)與換熱結(jié)果預(yù)測(cè)，更適用于解決湍流問(wèn)題。同時(shí)，SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，即k-ε模型能夠?qū)h(yuǎn)離壁面的區(qū)域給出精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，而標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型對(duì)近壁面處給出精確的預(yù)測(cè)，以及模型能夠?qū)Ψ磯毫μ荻认铝黧w分離做出高度精確的預(yù)測(cè)。因此，本文選擇SSTk-ω模型進(jìn)行直通道PCHE流動(dòng)與換熱研究。

CO2物性是基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提出的制冷劑及其混合物熱力學(xué)和傳輸特性數(shù)據(jù)庫(kù)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。CO2在擬臨界區(qū)內(nèi)物性變化劇烈，尤其是密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度系數(shù)靠近擬臨界區(qū)時(shí)有劇烈的陡增或陡降。超臨界CO2在類氣區(qū)和類液區(qū)分別符合常規(guī)流體性質(zhì)，在類液區(qū)運(yùn)動(dòng)粘度及導(dǎo)熱系數(shù)與溫度成反比，類氣區(qū)運(yùn)動(dòng)粘度及導(dǎo)熱系數(shù)與溫度成正比。

由于兩側(cè)通道壓力不同，CO2物性需要分開(kāi)設(shè)置?？紤]到本研究中CO2在PCHE最大壓降不超過(guò)0.1 MPa，可以將CO2物性作為溫度的函數(shù)通過(guò)分段線性方式輸入到FLUENT中，物性分辨率見(jiàn)表1。為了進(jìn)一步證明分段線性方法得到準(zhǔn)確性，將8.5±0.1 MPa和15.5±0.1 MPa在工作溫度范圍內(nèi)的物性作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大誤差不超過(guò)2.19%，平均誤差在0.25%以內(nèi)，即分段物性方法合理可行。

表1 物性插入點(diǎn)分布表Table 1 Physical property insertion point distribution

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選用ANSYS ICEM軟件對(duì)三維直通道模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算精度以及充分捕獲邊界層流動(dòng)信息，需要對(duì)直通道邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。因兩側(cè)通道邊界層最大不超過(guò)0.01 mm所以在劃分邊界層網(wǎng)格時(shí)將兩側(cè)通道邊界層設(shè)置為10層網(wǎng)格，第1層網(wǎng)格高度為0.001 mm，增長(zhǎng)因子為1.1。

采用ANSYS FLUENT對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，換熱器固體材料設(shè)置為不銹鋼，考慮重力影響，運(yùn)行壓力設(shè)置為8.0 MPa以保證CO2處于超臨界狀態(tài)。計(jì)算過(guò)程中冷熱兩通道CO2雷諾數(shù)Re>4 000，呈湍流狀態(tài)。

網(wǎng)格數(shù)量會(huì)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此為了節(jié)約計(jì)算資源以及提高計(jì)算精度與效率，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。針對(duì)構(gòu)建的幾何模型，共劃分4種不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別為480 700、1 019 900、2 832 500和5 491 300。在驗(yàn)證過(guò)程中，保持所有模擬工況的邊界條件均相同，分別對(duì)不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，得到冷熱通道壓降的變化情況，如圖2所示?？梢钥吹剑W(wǎng)格數(shù)量大于2 832 500時(shí)，熱通道出口溫度和通道壓降基本保持不變。因此為了節(jié)約計(jì)算資源和提高計(jì)算效率，選擇網(wǎng)格數(shù)量為2 832 500的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，選用秦娜[18]等計(jì)算水平管內(nèi)SCO2的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。其實(shí)驗(yàn)裝置為長(zhǎng)400 mm的正六棱柱形水平管道，通過(guò)管外冷卻水逆流與交叉流動(dòng)換熱研究了入口壓力、質(zhì)量流量和熱流密度等參數(shù)對(duì)SCO2換熱的影響，本文對(duì)其實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了建模。進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算時(shí)入口溫度、管道表面熱流密度及出口壓力的選取與實(shí)驗(yàn)條件保持一致。通過(guò)計(jì)算得到管道壁面熱流密度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖所示。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致吻合較好，最大誤差低于10%，證明了本文采用的模型及計(jì)算方法是可信的。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental and simulation results

數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)存在一定誤差的原因：1)由于fluent中CO2的物性采用分段線性方法，并不能完全模擬真實(shí)物性；2)實(shí)驗(yàn)條件下的熱流密度并不是絕對(duì)穩(wěn)定不變的，而是存在小幅度偏離。

2 工況變化對(duì)PCHE換熱器換熱影響

2.1 溫度分布

分別改變冷熱通道入口溫度進(jìn)行計(jì)算，熱側(cè)出口壓力8.5 MPa，冷側(cè)出口壓力15.5 MPa，兩側(cè)入口流量均為0.001 4 kg/s，其他參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 溫度變化工況的計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters for temperature change conditions K

圖4為工況5條件下PCHE熱側(cè)通道沿軸向的溫度云圖，由于入口段效應(yīng)，局部傳熱系數(shù)比其他部分的要高(圖5所示)，所以在最靠近入口處截面的中心主流溫度范圍較廣，從壁面到中心的溫度梯度較陡；隨著流動(dòng)發(fā)展換熱進(jìn)行，截面主流中心溫度范圍變小，從壁面到中心的溫度梯度變緩。

圖4 熱側(cè)通道沿軸向溫度變化云圖Fig.4 Contour of temperature change along the axis of the hot side channel

圖5 熱側(cè)通道換熱系數(shù)沿軸向的變化Fig.5 Variation of the heat transfer coefficient along the axial direction of hot side channel

2.2 工質(zhì)溫度變化對(duì)PCHE換熱器換熱影響

2.2.1 熱側(cè)通道入口工質(zhì)溫度變化

以工況5為基礎(chǔ)保持冷側(cè)入口條件不變，改變熱側(cè)通道入口溫度進(jìn)行計(jì)算得到對(duì)流換熱系數(shù)h和Nu隨熱側(cè)入口溫度變化的曲線，如圖6、7。由圖可以看出，隨著熱側(cè)通道入口工質(zhì)溫度的升高，冷熱兩側(cè)管道換熱系數(shù)和Nu呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖6 對(duì)流換熱系數(shù)隨熱側(cè)入口溫度變化曲線Fig.6 Variation curves of heat transfer coefficient with inlet temperature of hot side

圖7 努塞爾數(shù)隨熱側(cè)入口溫度變化曲線Fig.7 Variation curves of Nusselt number with inlet temperature of hot side

由于溫度增加使CO2熱導(dǎo)率上升，流量一定，使得Re減小，因此Nu呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，冷熱兩側(cè)溫差變大使得PCHE熱功率增大。在8.5 MPa和15.5 MPa的壓力下，熱側(cè)和冷側(cè)的超臨界二氧化碳溫度幾乎全部在低密度類氣體區(qū)，呈現(xiàn)類氣體狀態(tài)，熱流密度增加，壁面與工質(zhì)溫差變大(圖8)，對(duì)流換熱減弱[19]。

圖8 SCO2與壁面溫差隨熱流密度變化曲線Fig.8 Variation curves of temperature difference between SCO2 and wall surface with heat flux density

2.2.2 冷側(cè)通道入口工質(zhì)溫度變化

以工況5為基礎(chǔ)保持熱側(cè)入口條件不變，改變冷側(cè)通道入口溫度進(jìn)行計(jì)算得到h和Nu隨冷側(cè)入口溫度變化的曲線，如圖9、10。由圖可以看出，隨著冷側(cè)通道入口溫度的升高，冷側(cè)管道換熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，Nu呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；熱側(cè)通道換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖9 對(duì)流換熱系數(shù)隨冷側(cè)入口溫度變化曲線Fig.9 Variation curves of heat transfer coefficient with inlet temperature of cold side

圖10 努塞爾數(shù)隨冷側(cè)入口溫度變化曲線Fig.10 Variation curves of Nu with inlet temperature of cold side

在15.5 MPa下整個(gè)冷側(cè)通道內(nèi)二氧化碳動(dòng)力粘度隨入口溫度的增加而降低，使得Re增大，且Pr減小，Nu呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；冷熱兩側(cè)工質(zhì)都處于超臨界類氣區(qū)，入口溫度增加，熱流密度減小，壁面與工質(zhì)溫差變大，對(duì)流換熱減弱；在8.5 MPa壓力下，二氧化碳熱導(dǎo)率隨溫度升高而變大，使得熱側(cè)Nu呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且冷熱兩側(cè)溫差降低使得PCHE換熱功率減小。

2.3 工作壓力變化對(duì)PCHE換熱器換熱影響

2.3.1 熱側(cè)通道入口工質(zhì)壓力變化

以工況5為基礎(chǔ)保持冷側(cè)入口條件不變，改變熱側(cè)通道工作壓力進(jìn)行計(jì)算得到h和Nu隨熱側(cè)壓力變化的曲線，如圖11、12。由圖11、12可以看出，隨著熱側(cè)通道壓力的升高，熱側(cè)通道h呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，Nu隨壓力升高先增大后減小；冷側(cè)通道h、Nu都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖11 對(duì)流換熱系數(shù)隨熱側(cè)壓力變化曲線Fig.11 Variation curves of heat transfer coefficient with pressure on the hot side

圖12 努塞爾數(shù)隨熱側(cè)壓力變化曲線Fig.12 Variation curves of Nu with pressure on the hot side

隨著熱側(cè)通道壓力升高，熱側(cè)通道對(duì)流換熱系數(shù)遞增，CO2熱導(dǎo)率上升，二者共同作用，使得熱側(cè)通道Nu隨壓力先升高后降低。熱側(cè)通道換熱增強(qiáng)使冷側(cè)工質(zhì)溫度上升，隨著溫度的上升，CO2導(dǎo)熱系數(shù)增加，且對(duì)流換熱系數(shù)隨壓力升高而減小，因此冷側(cè)通道Nu與對(duì)流換熱系數(shù)呈現(xiàn)了相同的變化趨勢(shì)。

2.3.2 冷側(cè)通道入口工質(zhì)壓力變化

以工況5為基礎(chǔ)保持熱側(cè)入口條件不變，改變冷側(cè)通道工作壓力進(jìn)行計(jì)算得到h和Nu隨冷側(cè)壓力變化的曲線，如圖13、14。由圖可以看出，在熱通道一側(cè)Nu隨壓力增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)流換熱系數(shù)先升高再降低；在冷通道一側(cè)隨著壓力的升高對(duì)流換熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，Nu呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖13 對(duì)流換熱系數(shù)隨冷側(cè)壓力變化曲線Fig.13 Variation curves of heat transfer coefficient with pressure on the hot side

圖14 努賽爾數(shù)隨冷側(cè)壓力變化曲線Fig.14 Variation curves of Nu with pressure on the hot side

隨著冷側(cè)通道壓力升高，冷側(cè)通道對(duì)流換熱系數(shù)升高，CO2熱導(dǎo)率隨壓力升高而增加但努塞爾數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。CO2熱導(dǎo)率對(duì)努塞爾數(shù)的影響中占主導(dǎo)地位。冷側(cè)通道換熱增強(qiáng)使熱側(cè)工質(zhì)出口溫度降低，CO2熱導(dǎo)率減小，Nu增加使得h出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)，即在此過(guò)程中對(duì)流換熱系數(shù)和熱導(dǎo)率的主導(dǎo)地位發(fā)生了改變。

對(duì)流換熱系數(shù)和熱導(dǎo)率主導(dǎo)地位的變化說(shuō)明流體層的導(dǎo)熱阻力與對(duì)流傳熱阻力的強(qiáng)弱是變化的，增強(qiáng)對(duì)流換熱及始終讓對(duì)流換熱系數(shù)在計(jì)算中占主導(dǎo)地位對(duì)增強(qiáng)PCHE換熱具有重要意義。

根據(jù)典型D-B公式，隨著熱側(cè)通道壓力升高，熱側(cè)通道內(nèi)二氧化碳運(yùn)動(dòng)黏度減小，Re增大，Pr也增大，熱側(cè)通道努塞爾數(shù)應(yīng)隨壓力升高而增加，但計(jì)算結(jié)果正與其相反。此類情況說(shuō)明經(jīng)典D-B公式并不再適用于超臨界CO2，應(yīng)當(dāng)作出修正，即考慮壁面溫度對(duì)傳熱的影響，引入壁面溫度作為相關(guān)參數(shù)的定性溫度。

將溫度、壓力變化工況的4組計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于工作壓力不同，部分工質(zhì)工況從類液區(qū)向類氣區(qū)過(guò)渡。超臨界二氧化碳在類氣區(qū)和類液區(qū)分別符合常規(guī)流體性質(zhì)，在類液區(qū)運(yùn)動(dòng)粘度及導(dǎo)熱系數(shù)與溫度成反比，類氣區(qū)運(yùn)動(dòng)粘度及導(dǎo)熱系數(shù)與溫度成正比，使得在PCHE換熱通道入口溫度變化相同大小時(shí)h和Nu呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

2.4 工質(zhì)流速變化對(duì)PCHE換熱器換熱影響

2.4.1 熱側(cè)通道入口工質(zhì)流速變化

以工況5為基礎(chǔ)保持冷側(cè)入口條件不變，改變熱側(cè)通道入口流量進(jìn)行計(jì)算得到h和Nu隨熱側(cè)流量變化的曲線，如圖15、16所示。由圖可以看出，隨著熱側(cè)通道入口流量的增大，熱側(cè)通道h遞增，冷側(cè)通道h遞減，隨著流量進(jìn)一步增大冷側(cè)通道h減小速率放緩。兩側(cè)通道Nu也同h一樣呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。

圖15 對(duì)流換熱系數(shù)隨熱側(cè)流量變化曲線Fig.15 Variation curves of heat transfer coefficient with the flow rate on the hot side

圖16 努賽爾數(shù)隨熱側(cè)流量變化曲線Fig.16 Variation curves of Nu with hot side flow

隨著熱側(cè)入口流量增加，工質(zhì)雷諾數(shù)增速較快占主導(dǎo)地位，使熱側(cè)Nu呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；熱側(cè)工質(zhì)出口溫度隨流量的增加而上升，工質(zhì)熱導(dǎo)率升高，導(dǎo)致熱側(cè)通道h增加。熱側(cè)通道流量增加使得冷側(cè)工質(zhì)溫度上升，工質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度增加，Re減小，Pr占主導(dǎo)地位，使冷側(cè)Nu呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；冷側(cè)工質(zhì)溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)降低，通道換熱系數(shù)減小。

2.4.2 熱側(cè)通道入口工質(zhì)流速變化

以工況5為基礎(chǔ)保持熱側(cè)入口條件不變，改變冷側(cè)通道入口流量進(jìn)行計(jì)算得到h和Nu隨冷側(cè)流量變化的曲線，如圖17、18所示。由圖可以看出，隨著冷側(cè)通道入口流量的增加，冷熱兩側(cè)通道Nu、h均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但熱側(cè)通道增速較緩。

圖17 對(duì)流換熱系數(shù)隨冷側(cè)流量變化曲線Fig.17 Variation curves of heat transfer coefficient with the flow rate on the cold side

圖18 努塞爾數(shù)隨冷側(cè)流量變化曲線Fig.18 Variation curves of Nu with cold side flow

隨著冷側(cè)入口流量增加，冷側(cè)工質(zhì)Re增速較快占主導(dǎo)地位，使Nu呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；冷側(cè)工質(zhì)出口溫度隨流量的增加而降低，工質(zhì)熱導(dǎo)率降低，熱側(cè)通道h增加。冷側(cè)通道流量增加使得熱側(cè)工質(zhì)溫度降低，工質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度降低，Re增加，Pr升高，使熱側(cè)Nu呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；熱側(cè)工質(zhì)溫度降低，導(dǎo)熱系數(shù)減小，通道換熱系數(shù)增加。

在增加冷側(cè)入口流量條件下，熱側(cè)通道的換熱系數(shù)和Nu并沒(méi)有像增加熱側(cè)入口流量條件下的冷側(cè)通道一樣呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這主要是由于CO2在冷熱側(cè)不同工作壓力下熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)是不同的。熱側(cè)流量增加使冷側(cè)出口工質(zhì)溫度升高，整體運(yùn)動(dòng)黏度升高，從而Nu、h減小；冷側(cè)流量增加使熱側(cè)出口工質(zhì)溫度降低，整體運(yùn)動(dòng)黏度降低，從而Nu、h升高，呈現(xiàn)出2種不同的趨勢(shì)。

2.5 各因素變化對(duì)PCHE換熱器換熱影響程度

圖19為冷熱兩側(cè)通道單獨(dú)改變?nèi)肟跍囟取⑼ǖ缐毫?、工質(zhì)流量的條件下PCHE熱功率的變化情況。

圖19 PCHE換熱功率變化曲線Fig.19 PCHE heat transfer power change curves on the hot and cold side

由圖19可以看出，工作壓力和流量一定時(shí)改變冷側(cè)入口溫度比改變熱側(cè)入口溫度對(duì)PCHE熱功率的影響更大；而當(dāng)入口溫度一定改變工作壓力和工質(zhì)流量時(shí)，改變熱側(cè)通道的工作壓力和工質(zhì)流量要比改變冷側(cè)通道工作壓力和工質(zhì)流量對(duì)PCHE換熱功率的影響更大。

3 結(jié)論

1) 在工作壓力范圍內(nèi)S-CO2類液態(tài)和類氣態(tài)共存時(shí)，PCHE換熱通道入口溫度變化相同大小對(duì)流換熱系數(shù)和壁面努塞爾呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

2)保持PCHE換熱通道入口溫度及流量不變，單獨(dú)改變一側(cè)通道相同大小工作壓力對(duì)換熱通道的h和Nu影響趨勢(shì)不完全相同，需要根據(jù)不同入口溫度來(lái)判斷。保持PCHE換熱通道入口溫度及工作壓力不變，單獨(dú)改變某一側(cè)通道的流量對(duì)換熱通道的h和壁面Nu影響也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，具體需要根據(jù)工作壓力判斷。

3)保持超臨界二氧化碳工作壓力和流量一定時(shí)改變冷側(cè)入口溫度比改變熱側(cè)入口溫度對(duì)PCHE換熱功率的影響更大；而對(duì)于改變工作壓力和工質(zhì)流量而言，改變熱側(cè)通道的壓力或流量要比改變冷側(cè)通道的壓力或流量對(duì)PCHE熱功率的影響更大。