文|李保龄
编辑|李保龄
前言
内燃机余热回收技术在节能减排方面具有重要意义，其中超临界二氧化碳动力循环系统以其成本低、环境友好等优点越来越受到人们的关注。
废气换热器是S-CO2发电循环系统的关键部件，其换热性能直接影响循环的整体效率。
印刷电路板换热器具有换热效率高、结构紧凑等特点，但很少用于回收内燃机的余热。
据此，我们对一台印刷电路板废气换热器进行了结构设计和优化工作，设计了三款具有S-CO侧流道结构的废气换热器，通过数值模拟对比了不同流道结构，并在内部进行了效果对比。换热器流量和换热性能。
实验结果表明，空心油炉烟气换热器的单位质量传热量和Kv值均远高于矩形油通道换热器和圆形油通道换热器，表明空心油炉烟气换热器的传热量和单位质量Kv值均远高于矩形油通道换热器和圆形油通道换热器。烟气换热器可以更好地满足小型化、小型化的要求。
内燃机由于具有能量密度高、成本低、热效率高、可靠耐用等优点，被广泛用作大型卡车、船舶、飞机等移动设备的动力部件。
相关研究表明，内燃机燃烧过程中，燃料中所含能量的30-40%随烟气一起排放到环境中。如果回收利用，可以大大提高内燃机的效率。
从内燃机废气中回收废热能的系统称为内燃机废热回收系统，而在众多内燃机废热回收系统中，超临界二氧化碳动力循环系统日益受到关注。采用有机工质，二氧化碳具有无、不易燃、用途广泛、成本低廉等优点。
废气热交换器是S-CO2发电循环系统的关键部件，负责吸收内燃机废气中的热量。
如果能够设计合适的烟气换热器，可以大大提高余热回收系统的效率，烟气换热器是集特殊类型的换热介质和复杂的换热于一体的高温换热器。结构。这种装置的设计和制造非常困难。
国外研究人员对三种套筒式废气换热器的换热性能进行了对比分析，发现立式翅片套筒式换热器效果，因此设计制造了套筒式废气换热器。该热交换器可从内燃机废气中吸收426kW的热量。
国外学者设计制造了带有强化翅片的管壳式烟气换热器，最大传热能力为36kW，目前传统的换热器和传统的强化换热方式传热效率较低。废气换热器的体积和质量过大。
为满足烟气换热器小型化、轻量化的要求，迫切需要一种高效、紧凑的换热改进方法。
印刷电路板换热器是典型的小型换热器，是由水力直径为mm的小通道组成的新型耐高温、耐高压换热器。
目前，印刷电路板换热器广泛应用于需要高效传热的领域，如核发电、电子冷却、航空航天等，但其在内部余热回收废气换热器中的应用研究很少。内燃机。
对此，我们为某重型卡车柴油机S-CO2动力系统设计了三种不同流道结构的印刷电路板废气换热器，并通过数值模拟对不同流道结构进行了对比和比较。换热器性能内部流动和换热性能的影响可为小型、紧凑型烟气换热器的设计提供参考。
本实验建立了换热器模型和印刷电路板换热器结构，包括废气出口连接件、二氧化碳出口连接件、换热器内芯和换热器外壳，如图1所示。ETC。换热器的结构参数如表1所示。
换热器内部核心结构如图2所示，换热板按照废气板、二氧化碳板、废气板的顺序周期性排列，共35个排列周期。温度扩散焊用于将板焊接在一起。
换热器流道设计时，充分考虑了各种工质的物理性质和工况要求，烟气侧流道采用直流道结构，原因是烟气侧接热。没看到。发动机排气管对降低压力损失高度敏感，并采用直流通道结构，最大限度地减少压力损失。
二氧化碳侧流路采用Z形结构，超临界二氧化碳具有类似于液体的高密度和类似于气体的低粘度，因此在设计流路时必须更加注重改善传热，使用起来比较复杂。流道结构。
由于印刷电路板换热器具有许多流道和非常复杂的结构，将它们作为一个整体进行建模会导致网格过多和计算成本较高。
为了对模型进行适当简化，同时避免计算结果出现较大误差，考虑换热器内部核心结构的周期性，决定对数值模型进行简化，选择一个阵列循环作为计算域。
计算域包括两个烟气板层和围绕它们的二氧化碳板层。为了简化上面的思路，我们需要忽略一些对计算结果影响较小的次要因素。具体假设如下
1)工作流体从每个入口连接器均匀分布到每个微通道。
2）忽略换热器与周围环境之间的自然对流换热和热辐射损失。
3）工作流体处于稳定的湍流状态。也就是说，在流动过程中，各位置的流动变量不随时间变化。
三种印刷电路板换热器的烟气侧均采用直流流道。即在厚的金属板材基板上蚀刻出深度为15mm、宽度为2mm的矩形流道。2mm排气板采用流侧和流道，并采用侧扣式焊接连接在一起。
在二氧化碳侧，设计了三种不同的流路结构直角流路、圆形流路和空心流路，目的是利用控制变量方法去除无关变量，比较不同流路的性能。三种类型。二氧化碳流道热交换器。三种二氧化碳流道结构的比较如图3所示。
直角通道为深度为1mm、宽度为2mm的矩形通道，在15mm厚的金属板基板上将角部蚀刻成90，为宽度为2mm的圆形矩形通道。半径为3毫米的拐角；
中空流道为1mm厚的金属板底座，蚀刻有1mm深、2mm宽的流道，边角处固定有厚度为0.15mm的加强筋。
钢筋布置如图4所示。加固计算需要单独的网格细化和建模分析。
为了提高模拟的精度，在模拟过程中，采用分段多项式方法定义物性参数。
根据实验室现有发动机排气参数，排气出口压力约为05kPa，系统二氧化碳侧设计压力为12MPa。
除了确定发动机的排气参数外，它还设置各种进气的边界条件。
1）废气侧入口边界条件设置为质量流量入口，具体变量如表2所示。
2）二氧化碳侧入口边界条件设置为质量流量入口，具体变量见表2。
3）废气侧出口边界条件设置为压力出口，根据实验数据设置出口压力为08kPa。
4）二氧化碳侧出口边界条件设置为压力出口，根据实验数据设置出口压力为12MPa。
5）工作流体与换热器壁的接触面固定、防滑，表面粗糙度设定为05级。
6)将换热器壳体设置为隔热墙，并选择固定防滑墙条件。
为保证模拟的准确性，本文的CFD模拟结果与数据中CO2的经典传热关联式进行了对比，发现传热趋势基本一致，误差较小。努塞尔数Nu的误差为172。更适合现有微通道换热器通道的计算，能够满足计算精度要求。
在减少实验中可能出现的误差后，我们比较了压降不可忽略的各种换热器的流动性能。
压降是评价换热器性能的重要指标，三种换热器二氧化碳侧压降对比如图6所示。
如图6所示，随着二氧化碳流量增大，二氧化碳侧压降增大，相同流量下，中空流路换热器二氧化碳侧压降最大，其次是最高的。圆角直角流道换热器流道换热器二氧化碳一侧的压降最小。
这是因为，在中空油炉换热器中，内置阻挡块的存在增加了二氧化碳流体撞击内置阻挡块的局部阻力，同时占据了加强筋。流道流通面积急剧变化，导致流道截面积急剧变化，压力损失增大。
选用圆形流道换热器，在流道边缘设计圆形结构，可以有效减少流体通过边缘时产生的局部阻力，从而减少压力损失。Re为24447，空心流道的压力损失比直角流道高32%，比圆形流道高61%。
当Re=24447时，三种换热器二氧化碳侧通道的速度场分布如图8所示。在图8中，很容易看出，与圆角相比，直角对流体的干扰更大。很糟糕。
中空流路的平均流速明显低于矩形流路和圆形流路的平均流速，并且中空流路的加强部分中流体速度变化显着。通道强化可以增强流体扰动但降低流体流速。
三个换热器的传热能力随二氧化碳流量的变化而变化，如图9所示。从图9可以看出，直角流道换热器的换热能力略强于其他两种换热器。热交换器的类型。当二氧化碳流量为061kg/s时，该换热器最多可从烟气中吸收366kW的热量。
当Re=24447时，三个换热器二氧化碳侧流道温度分布如图10所示。从图10可以看出，三个流道的温度分布基本相同，各流道内温度变化均匀。
这是因为移动机组对烟气换热器的体积和质量要求非常严格，所以采用单位质量换热器和Kv值两个指标来评价。传输比较如图11所示。
如图11所示，随着二氧化碳流量的增加，单位质量的传热量增大，在相同的二氧化碳流量下，中空通道换热器的单位质量的传热量要高得多。其他两种类型的热交换器。由于中空流道换热器的冷板质量远小于直角、圆形流道换热器，因此中空流道换热器更符合轻量化要求。
三种换热器的Kv值比较如图12所示。
从图12可以看出，在相同的二氧化碳流量下，中空流道换热器单位体积的传热量远高于其他两种换热器。
当二氧化碳流量为061kg/s时，Kv值最大，达到65kW/，因为空心二氧化碳板的体积比矩形和圆形二氧化碳板的体积小得多。中空流道换热器更加紧凑。
我们搭建了三种具有三种S-CO2侧流道结构的烟气换热器，并对这些换热器进行了比较，得到以下结论。
1）不同的二氧化碳侧流道结构对印刷电路板换热器的传热性能影响不大，但对流动性能有显着影响。
在所有工况下，循环流道换热器的摩擦系数最小，流动性最优，而空心流道由于加强筋的存在，流动性最差。
2）中空流道换热器的加强筋对换热能力影响不大，但对流动性能有较大的负面影响，因此中空流道设计时必须保证部件的可靠性热交换器。尽量减少使用钢筋。
3）中空流道换热器的传热量和单位质量K值均远高于其他两种换热器，这表明中空流道换热器能够更好地满足内燃机余热需求。对热交换器小型化和轻量化的要求，对回收循环系统和烟气产生积极影响。
一、ggh换热器什么意思？
GGH换热器是一种烟气换热器。
GGH是烟气脱硫系统的主要装置之一。其作用是利用原始烟气对脱硫洁净烟气进行加热，使废气温度达到露点以上，减少进口烟道和烟囱的腐蚀，增加污染物的扩散能力。减少进入吸收塔的污染物量，烟气温度降低了塔内防腐的工艺和技术要求。
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