研究论文
具有不同翅片结构的SCO2- PCHE的热力与
水力性能
Muhammad Saeed，Man-Hoe Kim
PII：S1359-4311（17）32186-5
DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.08 .113
参考：ATE 10996
出现地点：Applied Thermal Engineering
收稿日期：2017年4月2日
修订日期：2017年7月23日
接受日期：2017年8月18日
请引用此文：M. Saeed，M-H Kim，Thermal Thermal Engineering（2017），doi：http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2017.08.113
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具有不同翅片结构的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器的热力与水力性能
Muhammad Saeed，Man-HoeKim
庆北国立大学机械工程系，大邱41566，韩国
摘要：
（应用）超临界二氧化碳的印刷电路板式换热器（PCHE）的热力和水力性能的数值研究已经使用发表的实验数据进行实施和验证。一项域优化的研究已经开始实施，在不影响结果精度的情况下能有效减少计算时间，最终确定一个印刷电路板式的域。这种域优化被用来评估具有宽范围雷诺数和不同几何结构的换热器的热力和水力性能。与亚临界区域不同的是，CO2的热物理特性经过急剧变化到超临界点。为了能够捕捉CO2热物理性质的迅速变化,，并准确预测换热器的热力和水力性能，使用REFPROP来计算SCO2的性能。MATLAB通过脚本链接到REFPROP，生成RGP文件并提供给商业程序ANSYS-CFX进行数值模拟。
关键词：超临界CO2热交换器、印刷电路板式换热器（PCHE）、热力与水力性能、努塞尔数、摩擦系数
术语
|
符号 |
名称 |
备注 |
|
Cp |
比热容 |
J·Kg-1·K-1 |
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DH |
水力直径 |
mm |
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f |
摩擦因子 |
|
|
k |
导热系数 |
W·m-1·K-1 |
|
m |
质量流速 |
Kg·s-1 |
|
Nu |
努谢尔数 |
|
|
PCHE |
印刷电路板式换热器 |
|
|
p |
压强 |
Pa |
|
Re |
雷诺数 |
|
|
n |
表面法向 |
m |
|
T |
温度 |
K |
|
V |
速度矢量 |
m·s-1 |
|
希腊字母 |
名称 |
单位 |
|
alpha; |
通道段纵横比 |
|
mu; |
运动粘度 |
Kg·m-1·s-1 |
|
rho; |
密度 |
Kg·m-3 |
|
П |
雷诺应力张量 |
Kg·m-1·s-2 |
|
tau; |
应力张量 |
Kg·m-1·s-2 |
|
简写 |
全称 |
名称 |
|
ave |
average |
平均值 |
|
c |
cold side |
冷流端面 |
|
ci |
cold side inlet |
冷流端面入口 |
|
cf |
cell face |
晶胞面 |
|
f |
fluid |
流体 |
|
h |
hot side |
热流端面 |
|
hi |
hot side inlet |
热流端面入口 |
|
i |
interface plate |
交界面 |
|
l |
local |
局部的 |
|
nw |
near wall |
近壁面 |
|
s |
solid |
固体 |
|
t |
turbulent |
震荡的 |
|
w |
wall |
壁面 |
目录
具有不同翅片结构的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器的热力与水力性能 2
4.1 带有不同翅片结构的SCO2-PCHE的热力和水力性能 12
第一章 前言
全球不断增长的能源需求加剧了人们之前对于类似于温室效应、空气污染和臭氧层空洞这样的环境担忧。因此，对高效、绿色能源转换系统的需求已经出现。因此，热动力循环领域的研究近期已经转向超临界二氧化碳-巴顿循环系统。SCO2-BC的主要优势在于它结合了朗肯循环和布雷顿循环的最佳特性。由于超临界点附近的低密度变化和透平入口的高温度影响，巴顿循环系统有着更小的压缩功。上述的两个特性都有利于系统的高效运转。此外，巴顿系统还可以在CO2工质的临界压力下运行，这一功特性取消了对冷凝系统的需求，简化了动力装置的布局。同时，高的运行循环压力意味着系统组件和总体尺寸必须非常小。
Kim等人[1]发表了基础的进程和系统设计问题，包括了对CO2性能和特点的讨论。在SCO2-BC的表现和循环系统的设计规模上，印刷电路板式换热器（PCHEs）起到了重要的作用。除了PCHEs的高性能表现外，使用光刻技术可以使PCHEs的水力直径保持非常小的数值。通过保持相同的科本因子[2]，小的水力直径减小了换热器的有效长度，同时反过来也减小了动力装置的尺寸[3]。
近年来，大量的研究开始将CO2作为换热器的流动工质。Ishizuka等人[4]进行了一项实验研究，以评估PCHE的热力性能和水力性能。他们改善了局部传热系数，总传热系数和摩擦系数的经验方程，它们的局部系数基于变量值从入口到出口线性变化的假设。
Ngo等人[2]提出了一种带有S形翅片的新型PCHE，并从数值上计算了它的热力和水力性能。
Tsuzuki等人[5]考虑了基于压力降和传热性能的换热器的性能，提出和优化了带有S形翅片的换热器的结构。他们总结了在相同传热情况下，带有S形翅片换热器的压力降是传统Z形翅片换热器的五分之一。
Kim等人[6]提出了一种带有翼形（NACA 0020）翅片的PCHE并计算了这种换热器和传统Z形翅片换热器的热力和水力直径。他们声称与Z形微型换热器相比，翼型翅片换热器在实现相同传热性能情况下，损耗更少的压力降，仅为Z形的二十分之一。
Abel等人[7]从数值上研究了PCHE的压降和局部传热特性并将结果与实验数据进行了比较。他们还通过改变锯齿形PCHE的拐角半径进行了参数研究并发表了其压力降结果。
Lee等人[8]对不同通道类型和结构进行了数值研究并对不同结构的科本因子、雷诺数和摩擦因子进行了比较。
Khan等人[9]对换热器的不同结构进行了数值计算，以雷诺数评估了它们的热力和水力性能。
Kim等人[10]在大范围的雷诺数变化的情况下，预测PCHE的热力和水力性能。他们通过扩大各种现有相关性的范围比较结果。在大范围雷诺数变化下，他们也优化了自己的经验方程。
目前的研究主要集中在对宽范围雷诺数的SCO2-PCHE的数值研究上，不同类型几何结构的热流道和冷流道的雷诺数范围分别为2500~30000和5000~30000。
原稿共被划分为三部分。第一部分涉及到Ishizuka等人使用的标准几何长度换热器的热水力性能的数值研究[4]。这一部分用于验证研究所采用的数值模型。此外，对于当前研究的第二、第三部分减小换热器长度的性能模拟，标准几何长度的验证结果可提供边界条件。尽管在标准
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