一种超临界CO2印刷电路板式换热器热工水力特性数值研究胡彧袁宏王海松成翔刘晓波摘要采用商用CFD软件CFX对应用于超临界CO2（S-CO2）布雷顿循环的一种印刷电路板式换热器（PCHE）热工水力特性进行了数值研究。建立三维数值计算模型进行模拟，将数值计算结果与公开发表的实验数据进行对比，验证了数值方法及模型的适用性。对PCHE传统Z字形的半圆形截面流道结构进行了优化，通过将半圆形截面优化成矩形截面使得PCHE传热面积增加，传热性能得到提升。将优化后的结构应用于S-CO2布雷顿循环中的预冷器，基于预冷器的运行条件研究了其CO2侧和水侧的流动传热性能，并依据计算结果拟合了预冷器两侧流体的传热关联式和流动阻力关联式。关键词超临界CO2;印刷电路板式换热器;结构优化;热工水力特性：TK172;TN41：ADOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.001AbstractACFDanalysisisconductedtoreproducethemicrochannelinternalflowinformationintheS-CO2printedcircuitheatexchanger（PCHE）forS-CO2powercyclewithacommercialCFDcodeANSYSCFX.Bycomparingthesimulationresultswiththeexperimentaldatapublishedinathesis，theapplicabilityofthenumericalmethodisverified.InordertoimprovethethermalhydraulicperformanceofPCHE，anewstructureisdevelopedbychangingtheconventionalsemi-circularzigzagflowchannelintorectanglezigzagflowchannelwhichcanoffermoreheattransferareawiththesameheatexchangervolume.ThenewstructureofrectanglezigzagflowchannelisappliedtoPCHEasapre-coolerforS-CO2powersystemwithCO2flowinginhotsidechannelandwaterflowingincoldsidechannel.Thenthehydraulicperformanceofpre-coolerisstudiedundertheoperatingconditionandthefrictionfactorandheattransfercorrelationonbothsidearedeveloped.KeyWordsSupercriticalCO2;Printedcircuitheatexchanger;Structureoptimization;Thermalhydraulicperformance0前言S-CO2布雷顿循环被当作核电领域能够取代目前郎肯循环的可行方案，得到了广泛的研究[1]。S-CO2布雷顿循环同时兼顾了郎肯循环和传统气体布雷顿循环的优点，有着较低的压缩能耗和较高的运行温度，这使得其具有更高的热效率[2]。由于工质运行温度较高，S-CO2布雷顿循环可应用于一些新型的高温核反应堆。同时由于S-CO2的惰性，S-CO2布雷顿循环具有很高的安全性，可与钠冷快堆技术结合，避免钠冷快堆发生钠水反应引发安全事故[3，4]。S-CO2布雷顿循环技术应用前景广阔，但仍存在许多的难点，如预冷器之类的换热设备设计较为困难。预冷器的运行工质为S-CO2和水，通常采用印刷电路板式换热器（PCHE）的结构形式，PCHE是一种传热性能优良的紧凑式换热器，其采用光电-化学刻蚀及扩散粘结技术，可使得流道尺寸控制在毫米级并具备较好的承压的能力，同时具有较宽的温度运行范围[5，6]。图1显示的是应用于核反应堆的S-CO2布雷顿循环流程图，可以看到预冷器的CO2出口参数在临界点附近，CO2的热物性在临界点附近会随温度和压力的微小变化而发生剧烈的变化，如图2所示，传统的基于常物性的对数平均温度差设计方法将不适用，同时也会使得数值分析十分地困难。目前对CO2在临界点附近的热工水力特性认识还不足，此外有不少学者也提出微通道中流体的流动传热特性与传统尺寸流道中流体的流动传热特性存在差异，因此不能直接套用传统的传热及流动阻力经验式对预冷器进行热工水力设计[7]。本文将采用数值计算方法对预冷器的热工水力特性进行研究，以此为预冷器设计提供理论依据。2三维数值分析传热流动特性是换热器设计最重要的考虑因素，采用实验方法难以直接测量和获得微型流道中局部位置的热工水力参数。因此计算机数值计算分析将是一种有效的手段帮助我们研究预冷器流动传热特性。2.1模型验证2.1.1计算模型常见的PCHE由多层带有Z字形流道的平板堆叠而成，Z字形流道横截面一般采用半圆形结构。图3所示为文献[9]中PCHE实验研究所采用的结构及尺寸，该PCHE由多层Z字形半圆截面流道的316L不锈钢平板堆叠而成，1个CO2流道层与1个水流道层堆叠成PCHE的一个基本单元...