CN116817646A - 交叉流混合式印刷电路板式换热器 - Google Patents
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Abstract
一种交叉流混合式印刷电路板式换热器,包括:由上而下依次设置的顶部支撑板、至少两组热侧微通道板以及具有微型翅片的冷侧板翅片和底部支撑板,本发明将冷热两侧的流动方向调整为互相垂直,热侧微通道板片与带有微型翅片的冷侧板翅片交错叠加,使用精密扩散焊接工艺进行焊接,在冷测使用带有微型翅片结构的板翅片,在确保换热性能与结构紧凑的前提下,显著降低了冷侧工质的流动压降,从而使驱动风扇的功率大幅降低,提高了布雷顿循环的净输出功和小型可移动式反应堆的机动性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种核反应堆冷却领域的技术,具体是一种交叉流混合式印刷电路板式换热器(PCHE)。
背景技术
微型核反应堆的布雷顿循环***中的换热器一般采用印刷电路板式换热器(PCHE),组成该种换热器的板片制作过程与电路板类似,通过化学腐蚀在换热板片上蚀刻出半圆形的流道,再通过扩散焊接技术将多层换热板堆叠在一起。但对于空气冷却的布雷顿循环***,使用该种换热器作为预冷器存在空气流动压降过大的问题,要求驱动空气的风扇功率巨大,既不利于提高核电源的输出净功也不利于核电源的运输。
发明内容
本发明针对现有逆流式布置预冷器空气侧流动压降过大、驱动风扇功率要求高的不足,以及现有板式换热技术针对液态工质,无法适用于空气工质所特有的两侧工质不同的换热问题以及冷侧空气阻力导致的压力损失问题,无法改善空气的流动阻力特性的不足,提出一种交叉流混合式印刷电路板式换热器,将冷热两侧的流动方向调整为互相垂直,热侧微通道板片与带有微型翅片的冷侧板翅片交错叠加,使用精密扩散焊接工艺进行焊接,在冷测使用带有微型翅片结构的板翅片,在确保换热性能与结构紧凑的前提下,显著降低了冷侧工质的流动压降,从而使驱动风扇的功率大幅降低,提高了布雷顿循环的净输出功和小型可移动式反应堆的机动性。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种交叉流混合式印刷电路板式换热器,包括:由上而下依次设置的顶部支撑板、至少两组热侧微通道板以及具有微型翅片的冷侧板翅片和底部支撑板,其中:垂直于热侧微通道板、冷侧板翅片的两端方向上设有热侧进口封头和热侧出口封头用于连接至布雷顿循环回路,热侧流体沿换热器长度方向流过热侧微通道板,冷侧空气由外部风扇驱动,沿换热器宽度方向流过冷侧板翅片上的微型翅片。
所述的热侧微通道板片中的热侧流体的流通路径为多次通过式。
所述的至少两组热侧微通道板以及具有微型翅片的冷侧板翅片是指:交错设置的热侧微通道板和冷侧板翅片为一组,共设置N组的方式进行配置,N为自然常数。
技术效果
本发明将PCHE微通道板与板翅片结合,在板翅片侧的通道内引入微型翅片结构,采用交叉流布置,冷侧流动沿距离较短的宽度方向,热侧流动沿换热器长度方向。
相比现有技术,本发明保留了PHCE的紧凑结构,加强换板翅片通道内的换热的同时,避免换热体积显著增大,改善冷侧空气流动阻力特性,大幅度降低空气的流动压降和风扇所需的驱动功率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图;
图2为本发明整体结构配置示意图,(a)二组板配置;(b)四组板配置
图3为热侧板片示意图,(a)一次通过;(b)多次通过;
图4为热侧通道几何示意图;
图5为冷侧板片示意图;
图6为冷侧通道几何示意图;
图7为二维离散模型示意图;
图8为温度场分布图示意图,(a)热侧流体;(b)空气侧;
图中:顶部支撑板1、第一热侧微通道板2、第一冷侧板翅片3、第二热侧微通道板4、第二冷侧板翅片5、底部支撑板6、热侧进口封头7、热侧出口封头8、成形板9、支撑板10、微型翅片11。
具体实施方式
如图1和图2a所示,为本实施例涉及一种交叉流混合式换热器使用印刷电路板式换热器,包括:由上而下依次设置的顶部支撑板1、第一热侧微通道板2、具有微型翅片的第一冷侧板翅片3、第二热侧微通道板4、具有微型翅片的第二冷侧板翅片5和底部支撑板6,其中:垂直于热、冷侧微通道板两端方向上设有热侧进口封头7和热侧出口封头8用于连接至布雷顿循环回路,热侧流体沿换热器长度方向流过第一和第二热侧微通道板2、4,冷侧空气由外部风扇驱动,沿换热器宽度方向流过第一和第二冷侧板翅片3、5。
如图2b所示,在其他场合下也可以设置四组热侧微通道板和冷侧板翅片。
如图3所示,所述的热侧微通道板的结构采用示例性的直通道半圆型板片,其采用但不限于化学腐蚀在换热板上蚀刻出流道形状,在具体其他场合下也可替换为ZigZag、S型等其他常见PCHE流道形式。
如图4所示,所述的热侧微通道板中的热侧流体的流通路径为一次通过式或多次通过式,多次通过式结构更紧凑但增加了额外压降,适用于热侧流体粘性更小的情况,且需要借助额外的封头或板片实现热侧流体转弯,本实施例中优选为三次通过式。
如图4所示,所述的热侧微通道板上设有若干并列设置的微通道结构,该微通道结构中任一位置的总应力应小于材料在该压力温度下的许用应力σt<σmax,在壁面处,总应力为膜应力与弯曲应力之和其中:P为热侧流体的工作压力,Dc为通道直径,中性轴到最外层的距离cw=tw/2,惯性矩/>tw为通道处板厚。
所述的微通道的直径Dc为1.5~2mm。
相邻两个微通道结构之间的脊线处,由于结构的对称性,弯曲应力为0,总应力等于膜应力其中:tr为脊线厚度。
在热侧微通道板的边缘处,总应力为膜应力与弯曲应力之和其中:ce为中性轴到最外层的距离,Ie为惯性矩。
所述的热侧微通道板的应力校核计算采用但不限于ZHU,Qingzi,等在《Designofa 2MW ZrC/W-based molten-salt-to-sCO2 PCHE for concentrated solar power》(Applied Energy,2021,300:117313.)中记载的技术实现。
如图5所示,所述的冷侧板翅片包括:成形板9和支撑板10,其中:成形板9上并行设置若干垂直于支撑板10的微型翅片11,从而显著增加冷侧板翅片的换热面积,进一步提高换热器的紧凑性。
所述的成形板9和支撑板10在两侧边缘处使用密封条等措施进行密封,优选采用一次通过式且流动方向沿换热器宽度方向,与热侧流动方向垂直,由于换热器宽度方向更短,进一步降低了冷侧空气的流动压降。
所述的成形板9为矩形通道结构,其宽度S与高度H在分别取为6mm与4mm。
如图6所示,所述的冷侧板翅片中支撑板10的截面上的正应力沿截面高度线性分布,中性轴上正应力为0,最大应力位于支撑板10的截面上下边缘处其中:翅片内间距a等于成形板9的矩形通道的宽度S与成形板9的厚度tf的两倍之和,ts为支撑板板厚。
所述的冷侧板翅片的应力校核计算采用但不限于孙伟松,高嵩,石凤涛等在《板翅结构应力分析》([J].石油化工设备,2010,39(B08):4.DOI:10.3969/j.issn.1000-7466.2010.z1.002)中记载的技术实现。
由于交叉流换热器热侧流体在入口位置遭遇到的冷侧流体具有不同的温度,位于冷侧下游位置时遭遇到的平均温度更低,因而,不再适用不同换热通道换热量相等的假设,但不同的换热板间仍可以认为其换热量相等,所以热设计计算使用二维的温度场针对一对冷热板开展。
如图7所示,为计算交叉流换热器温度压力分布时使用的二维离散模型,计算假设每一个传热板的换热量相等,只针对一对冷热板开展计算。对于微通道板,沿流动方向上离散N个计算单元,对于板翅片,其离散单元数由热侧通道数目决定。对于每一个传热单元,使用节点的平均物性进行计算,直至全场计算收敛为止。
如表1所示,为使用二维离散模型计算的本实施例的入口条件参数,其中热侧工质为超临界二氧化碳,冷侧工质为空气。
表1入口仿真参数
温度[℃] | 压力[MPa] | |
热侧微通道板入口 | 89.6 | 7.635 |
冷侧板翅片入口 | 30 | 0.103 |
如图8所示,为热侧与冷侧的温度场分布,计算实例中热侧为三通道设计,可以看出其温度的降低幅度在进口的第一个通道最大。
如表2所示,为本发明与现有的PCHE和翅片管换热器在尺寸与压降等方面的信息。
表2换热器参数对比表
现有PCHE | 现有翅片管换热器 | 本发明 | |
热功率 | 11.4MW | 11.4MW | 11.4MW |
单模块尺寸 | 0.53×1.54×1.54m | 7.18×4.572×0.72m | 2.44×0.2×0.6m |
并联模块数 | 1 | 3 | 30 |
占地面积 | 0.8123m2 | 98.55m2 | 14.62m2 |
换热器体积 | 1.25m3 | 70.95m3 | 8.77m3 |
空气侧压降 | 9.94kPa | 129Pa | 190Pa |
驱动风扇功率 | 571.5kWe | 31.0kWe | 48.8kWe |
如上表所示,对于同样的热负荷设计,现有的PCHE虽然可以实现最紧凑的结构设计,但对于空气冷却的预冷器,其冷侧压降接近10kPa,对应需要的风扇功率达到571.5kWe;而对于现有翅片管换热器,虽然其空气的压降大大降低,驱动风扇功率仅为31.0kWe,但其换热器体积巨大,达到70.95m3,占地面积98.55m2,显然不符合可移动式微型反应堆电源的设计需求。本发明在保持了现有PCHE较为紧凑的结构的同时大幅度降低了空气侧压降,其在11.4MW热负荷下,换热器体积为8.77m3,驱动风扇功率为48.8kWe。
与现有传统PCHE相比,本发明在冷侧采用了板翅片结构,增大冷侧空气的流通面积,同时采用交叉流布置,使空气沿距离更短的换热器宽度方向流动,其压降性能大大提高,由现有传统PCHE的9.94kPa降低到本发明的190Pa,和现有翅片管换热器的压降水平190Pa相当。同现有的翅片管换热器相比,由于本发明在整体上保留了PCHE紧凑的换热结构,虽然为了降低空气的压降在冷测采用了板翅片结构,但其通道内内引入了微型翅片的结构,强化换热性能,故而本发明的换热器结构的紧凑性相较于现有PCHE有所下降,同样换热功率下,换热器体积从PCHE的1.25m3增加到本发明的8.77m3,但仍显著低于现有传统翅片管换热器的体积70.95m3。故而,本发明提出的新结构设计,在没有显著牺牲PCHE换热器结构紧凑性的前提下,大幅改善了空气侧流动的阻力特性,降低了压损和响应的驱动风扇功率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (7)
1.一种交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征在于,包括:由上而下依次设置的顶部支撑板、至少两组热侧微通道板以及具有微型翅片的冷侧板翅片和底部支撑板,其中:垂直于热侧微通道板、冷侧板翅片的两端方向上设有热侧进口封头和热侧出口封头用于连接至布雷顿循环回路,热侧流体沿换热器长度方向流过热侧微通道板,冷侧空气由外部风扇驱动,沿换热器宽度方向流过冷侧板翅片上的微型翅片。
2.根据权利要求1所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的热侧微通道板片中的热侧流体的流通路径为多次通过式。
3.根据权利要求1所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的至少两组热侧微通道板以及具有微型翅片的冷侧板翅片是指:交错设置的热侧微通道板和冷侧板翅片为一组,共设置N组的方式进行配置,N为自然常数。
4.根据权利要求1-3中任一所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的冷侧板翅片包括:成形板和支撑板,其中:成形板上并行设置若干垂直于支撑板的微型翅片,从而显著增加冷侧板翅片的换热面积,进一步提高换热器的紧凑性。
5.根据权利要求1-3中任一所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的热侧微通道板上设有若干并列设置的微通道结构,该微通道结构中任一位置的总应力应小于材料在该压力温度下的许用应力σt<σmax,在壁面处,总应力为膜应力与弯曲应力之和其中:P为热侧流体的工作压力,Dc为通道直径,中性轴到最外层的距离cw=tw/2,惯性矩/>tw为通道处板厚;
相邻两个微通道结构之间的脊线处,由于结构的对称性,弯曲应力为0,总应力等于膜应力其中:tr为脊线厚度;
在热侧微通道板的边缘处,总应力为膜应力与弯曲应力之和 其中:ce为中性轴到最外层的距离,Ie为惯性矩。
6.根据权利要求4所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的成形板和支撑板在两侧边缘处使用密封条等措施进行密封,采用一次通过式且流动方向沿换热器宽度方向,与热侧流动方向垂直,由于换热器宽度方向更短,进一步降低了冷侧空气的流动压降。
7.根据权利要求4所述的交叉流混合式印刷电路板式换热器,其特征是,所述的冷侧板翅片中支撑板的截面上的正应力沿截面高度线性分布,中性轴上正应力为0,最大应力位于支撑板的截面上下边缘处其中:翅片内间距a等于成形板的矩形通道的宽度W与成形板的厚度tf的两倍之和,ts为支撑板板厚。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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