張聲寶 ，郭之強(qiáng) ，鄭 梅 ，董 威 ，于 霄

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

作為間壁式換熱器的1種形式，一次表面換熱器（Primary Surface Heat exchanger，PSHE） 具有緊湊和高效的特點(diǎn)，較其他形式有很明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著3D打印技術(shù)日益成熟，加工結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜精細(xì)的PSHE成為可能，這使PSHE在應(yīng)用中得到更多關(guān)注。近年來，有學(xué)者提出可以將PSHE應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱管理中，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)一次表面換熱器的理論熱力設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和試驗(yàn)開展了大量的研究。王斌等[1]提出適用于PSHE的瞬態(tài)溫度變化物理模型和數(shù)學(xué)方程式。劉振宇等[2]開發(fā)了以流道幾何參數(shù)和流速為自變量，以換熱器質(zhì)量、傳熱系數(shù)和壓力損失為因變量的PSHE優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。Min等[3]提出燃?xì)廨啓C(jī)中間冷器與回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)方法。王巍等[4]基于場協(xié)同理論，計(jì)算和分析正弦波截面通道PSHE在不同流動(dòng)交錯(cuò)角和寬高比下的流動(dòng)和換熱性能。Stasiek等[5]利用Harwell-Flow3D的不同算法，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)和雷諾數(shù)下的PSHE的性能。Vijaya等[6]利用CFX研究波紋板間距對(duì)緊湊焊板式PHSE性能的影響。Blomerius等[7]數(shù)值模擬了PSHE在層流和過渡流狀態(tài)下的性能，得到的結(jié)論是45°叉流角度對(duì)應(yīng)的流動(dòng)換熱性能最好。Sunden等[8]對(duì)比了多種不同結(jié)構(gòu)的PSHE的換熱性能和制造難度，結(jié)果顯示CC型PSHE的換熱性能較理想且更易制造。Ciofalo等[9]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)叉流角度在中等范圍內(nèi)時(shí)，PSHE的換熱能力大幅增強(qiáng)，而壓力損失無顯著增加。Kanaris等[10]利用響應(yīng)面法優(yōu)化PSHE設(shè)計(jì)，并提出關(guān)于換熱器努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的關(guān)系式。Focke等[11]通過試驗(yàn)分析波紋板交錯(cuò)角度換熱器性能的影響，提出對(duì)PSHE的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。楊靜等[12]通過試驗(yàn)研究，修正了當(dāng)量直徑為1 mm的PSHE相關(guān)準(zhǔn)則式。程惠爾等[13]通過試驗(yàn)對(duì)比不同通道形狀的PSHE的性能，發(fā)現(xiàn)通道尺寸比通道形狀對(duì)PSHE性能的影響更大。聶嵩等[14]通過試驗(yàn)研究了流量變化對(duì)PSHE流動(dòng)阻力和換熱性能的影響。在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，Kim等[15]提出雙波紋CC型結(jié)構(gòu)PSHE，通過在波紋板表面增加二次波紋，進(jìn)一步增加流體的擾動(dòng)，從而增強(qiáng)換熱。

文獻(xiàn)中對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PSHE的流動(dòng)換熱性能的試驗(yàn)研究較少，特別是針對(duì)叉流PSHE的試驗(yàn)研究更少，對(duì)其流動(dòng)換熱特點(diǎn)不甚了解。本文借助3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并加工了5個(gè)不同叉流角度的鈦合金PSHE，其當(dāng)量直徑為1～2 mm。在上海交通大學(xué)的航空緊湊換熱器試驗(yàn)臺(tái)上開展了3D打印的PSHE試驗(yàn)研究，分析了叉流角度和通道大小對(duì)PSHE的氣體流動(dòng)和換熱的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，叉流角度越大，PSHE的換熱能力越強(qiáng)，熱氣壓降越大；小通道PSHE的換熱能力強(qiáng)于大通道PSHE，但熱氣壓降更大；相對(duì)于叉流角度，通道大小對(duì)PSHE流動(dòng)和換熱的影響更大?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了考慮叉流角度的PSHE的熱氣壓降相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，總結(jié)了換熱系數(shù)與通道大小之間的關(guān)系。

1 一次表面換熱器模型參數(shù)

試驗(yàn)所用的一次表面換熱器芯體的傳熱表面波紋板片采用一定角度交錯(cuò)的疊落方式，芯體通道采用類橢圓形的波紋形式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用橢圓形通道主要是考慮該形狀能使通道結(jié)構(gòu)輪廓在各拐點(diǎn)處都比較光滑，有利于減少氣體壓力損失。

針對(duì)3D打印的3個(gè)大通道一次表面換熱器（叉流角度分別為15°、30°和45°）和2個(gè)小通道一次表面換熱器（叉流角度分別為0°和15°）開展流動(dòng)換熱性能試驗(yàn)研究。叉流角度為冷流體和熱流體在換熱器內(nèi)部流動(dòng)方向所成角度θ如圖2所示。

圖1 一次表面換熱器芯體通道

圖2 一次表面換熱器內(nèi)熱流體和冷流體流動(dòng)

表1 大、小通道換熱器芯體尺寸

大通道和小通道的截面參數(shù)尺寸見表1。其尺寸是根據(jù)劉蔭澤等[16-17]基于效率-傳熱單元數(shù)法編寫的換熱器設(shè)計(jì)程序，結(jié)合一系列設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下的性能要求而設(shè)計(jì)。冷氣通道流過的是發(fā)動(dòng)機(jī)外涵氣體，為了避免引起外涵壓降過大，所設(shè)計(jì)的大通道換熱器和小通道換熱器的冷氣通道的當(dāng)量水力直徑保持一致，均為2.22 mm，大通道換熱器和小通道換熱器的主要區(qū)別在于熱側(cè)的當(dāng)量水力直徑不同，分別為1.10、0.86 mm。

在傳統(tǒng)加工工藝中，一次表面換熱器主要生產(chǎn)技術(shù)是將1卷金屬薄板軋成具有特定角度的波紋板表面，軋制完成后在波紋薄板的4個(gè)面上加上封條，將若干塊帶有封條的波紋薄板按一定的角度堆疊，相鄰薄片通過焊接固定以防止泄漏，從而形成相互分隔的冷熱流體通道。3D打印技術(shù)可以將換熱器芯體與流體進(jìn)出口結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)加工，同時(shí)針對(duì)復(fù)雜的芯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，縮短加工研制周期。試驗(yàn)用的5個(gè)鈦合金一次表面換熱器均采用3D打印技術(shù)一體化生成，即將換熱器的芯體與其進(jìn)出氣及集配氣系統(tǒng)一次性打印生成，如圖3所示。其內(nèi)部冷熱流體通道設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 一次表面換熱器3D打印成品

圖4 一次表面換熱器內(nèi)部流體通道

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)測量

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)的航空緊湊換熱器試驗(yàn)臺(tái)上開展，該試驗(yàn)臺(tái)主要由冷熱氣供氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、穩(wěn)定段和試驗(yàn)段組成，如圖5所示。在試驗(yàn)中，將一次表面換熱器放置于試驗(yàn)段中，將特定溫度和壓力的冷氣和熱氣同時(shí)分別引入冷氣和熱氣通道中換熱。在試驗(yàn)段前后分別連接1段長500 mm的穩(wěn)定段，以使流進(jìn)和流出試驗(yàn)段的冷氣流場穩(wěn)定，保證穩(wěn)定的試驗(yàn)段進(jìn)出口流體的溫度和壓力參數(shù)。在供氣系統(tǒng)方面，冷氣的氣源由2臺(tái)并聯(lián)的功率為4.3 kW的高壓風(fēng)機(jī)提供，經(jīng)過1個(gè)集氣腔和1段穩(wěn)定段后進(jìn)入試驗(yàn)段換熱；熱氣由空壓機(jī)及儲(chǔ)氣罐提供，壓縮空氣經(jīng)冷干機(jī)干燥并調(diào)節(jié)壓力，經(jīng)過2臺(tái)串聯(lián)的加熱器加熱后進(jìn)入一次表面換熱器中換熱。試驗(yàn)中采用的加熱系統(tǒng)通過PIC控制柜控制2臺(tái)滿載加熱功率為35 kW的加熱器的啟動(dòng)及運(yùn)行功率，將熱氣流加熱到不同溫度。試驗(yàn)時(shí)熱氣的不同壓力通過冷干機(jī)后設(shè)置的壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)；冷氣端的壓力調(diào)節(jié)則通過位于冷氣出口段的蝶閥實(shí)現(xiàn)。

圖5 一次表面換熱器試驗(yàn)臺(tái)

為分析一次表面換熱器的流動(dòng)和換熱特性，試驗(yàn)中需要采集的主要數(shù)據(jù)有換熱器冷、熱氣進(jìn)出口溫度、壓力和流量。試驗(yàn)中使用多孔平衡流量計(jì)測量冷氣路的流量，熱氣路的流量則用熱式流量計(jì)測量。試驗(yàn)中共有5支PT100溫度變送器，其中4支用于測量冷、熱氣的進(jìn)口及出口溫度，1支用于測量平衡流量計(jì)的溫度補(bǔ)償值；同樣有5支壓力變送器用于測量試驗(yàn)中各部位流體的壓力：4支用于測量冷、熱氣的進(jìn)出口壓力，1支用于測量平衡流量計(jì)的壓力補(bǔ)償值。用于測量換熱器冷氣的進(jìn)、出口溫度和壓力的變送器均放置于穩(wěn)定段中流場較為穩(wěn)定的位置，試驗(yàn)段前傳感器放置于靠近試驗(yàn)段的位置，試驗(yàn)段后傳感器放置于離試驗(yàn)段較遠(yuǎn)的位置。

3 試驗(yàn)參數(shù)

為探究叉流角度、熱氣流速、通道大小等因素對(duì)一次表面換熱器流動(dòng)特性和換熱能力的影響，試驗(yàn)中對(duì)3個(gè)大通道換熱器、2個(gè)小通道換熱器進(jìn)行4種不同熱氣來流溫度、4種不同熱氣流量組合的試驗(yàn)測試，即每個(gè)PSHE要測量16種工況。測量參數(shù)見表2，冷氣流量固定為85 kg/h，冷氣入口溫度為42℃。每組試驗(yàn)的時(shí)間為5 min，當(dāng)控制柜上溫度和壓力等示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，記錄相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

4 一次表面換熱器性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)置不同的換熱器的熱氣進(jìn)口溫度及流量，測得這些工況下?lián)Q熱器熱氣出口溫度及壓力、冷氣出口溫度及壓力等參數(shù)，通過對(duì)各參數(shù)進(jìn)行處理以分析其對(duì)一次表面換熱器換熱能力及流阻特性的影響。換熱能力用換熱器換熱系數(shù)K（W/m2/K）衡量，流阻特性用工質(zhì)進(jìn)、出口壓差ΔPh（bar）表示。分析各因素對(duì)換熱器性能的影響時(shí)，將大通道和小通道換熱數(shù)據(jù)分開進(jìn)行。

式中：Q為熱流體的散熱量，也可以用冷流體的吸熱量計(jì)算；cp為熱流體定壓比熱容；th，in為熱氣入口溫度；th，out為熱氣出口溫度；A為換熱器內(nèi)部的換熱總面積；Δtm為熱流體與冷流體逆流換熱時(shí)的平均溫差；Φ為平均溫差修正系數(shù)，當(dāng)冷熱流體叉流換熱時(shí)，換熱器的平均溫差需要通過Φ對(duì)相同條件下的逆流換熱的平均溫差修正得到，Φ的數(shù)值取決于無量綱參數(shù)P和R，P和R值可以在《傳熱學(xué)》[18]的圖表中得到。

4.1 換熱系數(shù)影響因素分析

不同熱氣入口溫度th，in下5個(gè)換熱器的換熱系數(shù)K隨質(zhì)量流量的變化如圖6～9所示。

圖6 th，in=60℃時(shí)，各換熱器的換熱系數(shù)對(duì)比

圖7 th，in=80℃時(shí)，各換熱器的換熱系數(shù)對(duì)比

圖8 th，in=100℃時(shí)，各換熱器的換熱系數(shù)對(duì)比

圖9 th，in=120℃時(shí)，各換熱器的換熱系數(shù)對(duì)比

從圖6～9中可見，叉流角度30°小通道換熱器的換熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在波動(dòng)，具體原因有待進(jìn)一步分析。對(duì)于大通道換熱器，隨著叉流角度的增大，換熱系數(shù)K不斷增大；對(duì)于小通道換熱器，30°叉流角度對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)大于0°換熱器的。在叉流角度均為30°的情況下，小通道換熱器的換熱系數(shù)顯著大于大通道換熱器的，在絕大多數(shù)工況下，30°小通道換熱器的換熱系數(shù)要大于45°大通道換熱器的，表明通道大小對(duì)換熱系數(shù)的影響程度大于叉流角度對(duì)其的影響程度。

圖10 th，in=60℃時(shí)，各換熱器的熱氣側(cè)壓降對(duì)比

4.2 壓力損失影響因素分析

不同熱氣入口溫度th，in下5個(gè)換熱器的熱氣壓力損失ΔPh隨質(zhì)量流量的變化如圖10～13所示。

圖11 th，in=80℃時(shí)，各換熱器的熱氣側(cè)壓降對(duì)比

圖12 th，in=100℃時(shí)，各換熱器的熱氣側(cè)壓降對(duì)比

圖13 th，in=120℃時(shí)，各換熱器的熱氣側(cè)壓降對(duì)比

從圖10～13中可見，不管對(duì)于大通道還是小通道換熱器，隨著叉流角度的增大，熱氣側(cè)壓降呈遞增的趨勢(shì)。同時(shí)，通道大小對(duì)熱氣側(cè)壓降的影響十分顯著：叉流角度同為30°時(shí)，小通道換熱器的熱氣側(cè)壓降明顯大于大通道換熱器的，甚至在大多數(shù)工況中，30°小通道的熱氣側(cè)壓降還大于45°大通道換熱器的；并且當(dāng)換熱器入口熱氣溫度較高時(shí)（100℃和120℃），0°小通道換熱器在某些流量下的熱氣側(cè)壓降會(huì)大于叉流角度為15°和30°的大通道換熱器的，說明在壓力損失方面，通道大小對(duì)換熱器性能的影響程度也大于叉流角度的影響程度。

5 一次表面換熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)上節(jié)壓降ΔPh的特點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到ΔPh與熱氣參數(shù)之間的關(guān)系式為

式中：B為換熱器與冷氣狀態(tài)參數(shù)相關(guān)的參數(shù)，在試驗(yàn)中的單一冷氣狀態(tài)下，該值為10。

式（5）中反映的參數(shù)之間的關(guān)系為：熱氣當(dāng)量直徑de1越小，叉流角度θ越大，熱氣壓降ΔPh越大。擬合值與試驗(yàn)值之間的對(duì)比如圖14～18所示，在多數(shù)工況下，二者相差不到5%。

圖14 0°小通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖15 15°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖16 30°小通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖17 30°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖18 45°大通道換熱器熱氣壓降的擬合值與試驗(yàn)值對(duì)比

在對(duì)換熱系數(shù)K進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系式。通過對(duì)照16個(gè)工況點(diǎn)下的換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)30°大通道PSHE與30°小通道PSHE的傳熱系數(shù)比值與通道大小比值之間的關(guān)系為

式中：K30、K'30分別為30°大、小通道PSHE的換熱系數(shù)；de30、d'e30分別為30°大、小通道 PSHE的熱氣通道當(dāng)量直徑。

6 結(jié)論

（1）不論大通道還是小通道一次表面換熱器，隨著其叉流角度的增大，冷熱流體在換熱器流動(dòng)通道中的擾動(dòng)不斷增強(qiáng)，換熱器的換熱能力逐漸提高，壓降增大。

（2）針對(duì)所研究的外涵冷氣通道具有相同的當(dāng)量水力直徑的熱側(cè)大小通道一次表面換熱器，熱側(cè)通道當(dāng)量水力直徑大小的改變對(duì)換熱器換熱性能的影響非常顯著。小通道換熱器內(nèi)流體在流動(dòng)單元中的熱流體流速較快，擾動(dòng)更為劇烈，有利于冷熱流體的熱量交換，因此其換熱能力強(qiáng)于大通道換熱器的，叉流角度較?。?0°）的小通道換熱器的換熱能力甚至強(qiáng)于叉流角度較大（45°）的大通道換熱器的。同時(shí)熱氣在通過小通道換熱器后的壓力損失也更大，叉流角度較小的小通道換熱器熱氣側(cè)壓降在多數(shù)工況下大于叉流角度較大的大通道換熱器的。因此，與換熱器冷熱流體的叉流角度相比，換熱器的流體通道大小對(duì)換熱器性能的影響更大。

（3）結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了熱氣壓降與熱氣參數(shù)及換熱器叉流角度之間的關(guān)系式；針對(duì)不同叉流角度一次表面換熱器的換熱系數(shù)K，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上未發(fā)現(xiàn)明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系式；通過試驗(yàn)總結(jié)了叉流角度為30°的大、小通道一次表面換熱器的換熱系數(shù)K與通道當(dāng)量直徑大小之間的關(guān)系。