曾 濤 秦 婧 方華偉 李沛穎 韓 冰

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都643001）

0 引言

超臨界二氧化碳（SCO2）用作反應(yīng)堆二回路工作介質(zhì)具有密度大，可壓縮性點(diǎn)，黏性低，換熱性能好等特點(diǎn)。SCO2應(yīng)用于反應(yīng)堆，一般采用布雷頓循環(huán)。圖1是簡(jiǎn)單核反應(yīng)堆SCO2布雷頓循環(huán)流程圖。與水蒸氣朗肯循環(huán)比，它具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到更高的效率。

圖1 簡(jiǎn)單反應(yīng)堆SCO2布雷頓循環(huán)流程圖

換熱器是SCO2布雷頓循環(huán)最重要的設(shè)備，數(shù)量最多，體積最大，其成本占整個(gè)體系統(tǒng)成本的50%以上。為了發(fā)揮SCO2布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)高效緊湊的換熱器顯得十分重要。

微通道尺寸能夠增加單位體積內(nèi)的換熱面積，提高換熱器的緊湊度。印刷電路板換熱器（PCHE）是一種高效緊湊的微通道換熱器。與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，體積約為前者1/6。另外，PCHE通過(guò)擴(kuò)散焊技術(shù)，將多個(gè)薄板形成一個(gè)換熱芯體，整體性好，具備耐高溫高壓的優(yōu)點(diǎn)。因此，PCHE非常適用于作為超臨界SCO2布雷頓循環(huán)回?zé)崞骱屠淠鳌?/p>

1 PCHE的流道形狀及結(jié)構(gòu)研究[1-3]

PCHE流道形狀的研究大致經(jīng)歷“平直流道-Z字形流道-S形流道-翼型流道”的發(fā)展順序，并且進(jìn)一步更優(yōu)化的流道形狀還在不斷探索中。表1是中四種典型的流道形狀示意。

表1 四種典型的流道形狀

1.1 平直流道

SCO2在臨界點(diǎn)附近比熱容急劇增加，充分利用這一特點(diǎn)。因而將SCO2應(yīng)用于PCHE時(shí)能表現(xiàn)出良好好的換熱效率。

一些學(xué)者通過(guò)采用平直形通道的PCHE實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了SCO2和水在同等質(zhì)量流量和進(jìn)口工質(zhì)溫度條件的換熱效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SCO2的換熱效率要比水高1.2～1.5倍。

進(jìn)一步針對(duì)平直流道結(jié)構(gòu)特征尺寸對(duì)換熱性能的影響的結(jié)果表明：平直流道PCHE的換熱性能隨著流道幾何寬度的增加而降低，平直流道彼此間的間距對(duì)換熱性能的影響很小。

1.2 Z字形流道

Z字形流道通過(guò)增加換熱面積和通過(guò)流道彎點(diǎn)后的局部加速度增加來(lái)提高換熱性能。另一方面，與平直通道相比，Z字形流道的速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)分布改變，兩場(chǎng)的協(xié)同度更高，換熱得到強(qiáng)化。一些與平直流道的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，Z字形流道換熱器體積能減少約16%，但冷熱側(cè)流體的壓降會(huì)有所增加。

Kim等研究Z字形PCHE的特征結(jié)構(gòu)尺寸（角度，節(jié)距及水利直徑）對(duì)換熱性能和摩擦系數(shù)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并據(jù)此總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

一些學(xué)者對(duì)Z字形流道中SCO2數(shù)值模擬的研究表明：Z字形通道夾角越小，換熱性能越好，但壓力損失越大。Z字形流道夾角在110°～130°范圍內(nèi)，綜合性能最好?？梢圆捎靡环N無(wú)量綱(即換熱器進(jìn)出口溫度的平均值/臨界點(diǎn)溫度)的準(zhǔn)則，來(lái)評(píng)價(jià)Z字形通道的換熱性能，比值越接近1，PCHE的換熱性能越好。充分地利用越靠近臨界點(diǎn)，SCO2比熱容急劇增加的特性，能夠增加其傳熱性能。

1.3 S形流道

日本東京工業(yè)大學(xué)Tsuzuki采用數(shù)值模擬的方法研究了Z字形PCHE，發(fā)現(xiàn)Z字形流道通過(guò)彎角時(shí)會(huì)引起回流和旋渦，阻礙了流體的換熱性能。通過(guò)對(duì)Z字形PCHE優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種非連續(xù)S形通道。將Z字形和S形兩種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：因?yàn)镾形流道下速度分布比較均勻，消除了Z字形流道彎角引起的回流和旋渦。在相同的傳熱性能條件下，S形的壓降僅是Z字形的五分之一。

Ngo研究了用于熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的S形PCHE換熱性能。采用實(shí)驗(yàn)手段比較S形和Z字形PCHE的熱力性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：Z字形的壓降系數(shù)是S形的四到五倍，而S形的努賽爾數(shù)要比Z字形的少S形流道結(jié)構(gòu)參數(shù)由翅片角度，翅片間距，翅片寬度，決定。翅片的末端通常設(shè)計(jì)成尖端以減少壓力損失。Tsuzuki等推算了翅片角度和阻力降之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整翅片角度以及翅片間距，可以明顯的減少阻力。

1.4 翼形流道

KIM等仿照NACA0020翼形結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)一種翼形PCHE。相比S形流道，流線型的翼型通道更加的平滑。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理翼形流道的布置條件下，與Z字形流道比，在兩者相同換熱性能的前提下，翼形流道壓降僅為Z字形流道的1/20。

在翼形流道中，PCHE換熱性能，與翼形流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)(交錯(cuò)節(jié)距，橫向節(jié)距，縱向節(jié)距)相關(guān)。交錯(cuò)節(jié)距越小，換熱面積越大，換熱性能越好，同時(shí)阻力系數(shù)也越大。

合適的翼形形狀和翼形流道的交錯(cuò)布置排列方式能夠減薄流體的邊界層及增加傳熱性能。流體在非連續(xù)的翼型通道中，不斷地被迫改變流動(dòng)姿態(tài)以破壞邊界層，促使流體的 持續(xù)分離，強(qiáng)化傳熱效果。

近年來(lái)，又有學(xué)者翼形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從仿生學(xué)的角度，提出了一種改進(jìn)的翼鰭結(jié)構(gòu)。

2 PCHE的其他研究[4]

PCHE是一種微通道換熱器，PCHE的制造加工包括光化學(xué)蝕刻和擴(kuò)散焊技術(shù)。光化學(xué)蝕刻是通過(guò)一定壓力將蝕刻液噴淋在被蝕刻物體表面，來(lái)獲得高質(zhì)量的 微型通道。辛菲等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在基礎(chǔ)蝕刻液中添加HNO3，可以有效改善蝕刻的表面特性。

目前，PCHE使用的常用材料是奧氏體不銹鋼304和306系列。一些學(xué)者研究了高溫堆下的PCHE選材，候選材料有Alloy 617、Alloy 230、Alloy 800 HT等。研究發(fā)現(xiàn)，Alloy 617具有許用應(yīng)力高，熱物理性能好等優(yōu)點(diǎn)，是最適合的板片材料。

3 結(jié)論與展望

近年來(lái)，應(yīng)用于核反應(yīng)堆SCO2布雷頓循環(huán)的PCHE作為核心部件，受到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛研究。PCHE流道形狀及結(jié)構(gòu)研究經(jīng)歷了平直流道、Z字形流道、S形流道、翼型流道四種。盡管各研究學(xué)者對(duì)介質(zhì)流動(dòng)特性和換熱性能作了大量研究，但目前階段仍存在以下幾點(diǎn)不足，供PCHE進(jìn)一步深入研究提供參考。

（1）與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，缺乏成熟的換熱器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，一些研究表明，基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，在層流條件下能夠較好地吻合，但在湍流條件下，仍存在一定的偏差。

（2）雖然不少學(xué)者的研究表明，S形、翼形流道的PCHE換熱性能強(qiáng)于Z字形和平直形。但基于現(xiàn)階段S形、翼形流道的PCHE制造技術(shù)的復(fù)雜性，從成本經(jīng)濟(jì)的綜合考慮，Z字形或平直形PCHE可能仍是最優(yōu)選擇。因此，低成本的復(fù)雜流道PCHE制造技術(shù)亟待發(fā)展。