大温差下印刷电路板式换热器起动过程建模与实验

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27893

流体力学与飞行力学

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大温差下印刷电路板式换热器起动过程建模与实验

王子豪¹, 杜家磊¹^,², 梁国柱¹(), 王浩泽²^,³, 蔡震宇²^,³, 马晓秋²^,³

^1.北京航空航天大学宇航学院，北京　102206
^2.北京航天动力研究所，北京　100076
^3.北京航天动力研究所低温液体推进技术实验室，北京　100076

收稿日期:2022-08-03 修回日期:2022-08-15 接受日期:2022-12-23 出版日期:2023-01-14 发布日期:2023-01-12
通讯作者: 梁国柱 E-mail:lgz@buaa.edu.cn

Modelling and experimental investigation into starting process of printed circuit heat exchangers at large temperature difference

Zihao WANG¹, Jialei DU¹^,², Guozhu LIANG¹(), Haoze WANG²^,³, Zhenyu CAI²^,³, Xiaoqiu MA²^,³

^1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 　102206，China
^2.Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 　100076，China
^3.Laboratory of Science and Technology on Cryogenic Liquid Propulsion，Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 　100076，China

Received:2022-08-03 Revised:2022-08-15 Accepted:2022-12-23 Online:2023-01-14 Published:2023-01-12
Contact: Guozhu LIANG E-mail:lgz@buaa.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对大温差下的印刷电路板式换热器（PCHE）的起动过程，提出了一种一维瞬态换热计算模型，该模型考虑了印刷电路板式换热器固体结构的内部导热过程，可计算起动过程中换热介质和印刷电路板式换热器的温度响应。同时以N₂为换热介质，开展了印刷电路板式换热器的瞬态换热实验，N₂的最高、最低温度分别为450、103 K，将模型计算结果与实验结果进行对比，冷侧N₂出口温度的模型计算值与实验值之间的平均误差为11.3 K，实验结束时热、冷侧换热量的计算偏差均在7%以内，该结果证明了所提出的计算模型的有效性。在上述计算模型的基础上，对起动过程中印刷电路板式换热器工作参数的空间分布和时域变化特征进行了计算和分析，结果表明换热器的外侧盖板与固体核心区之间的传热过程非常重要，在进行大温差下的瞬态换热过程计算时不应被轻易忽略，同时增大两侧换热介质的流量和减小换热器外侧盖板的厚度是缩短印刷电路板式换热器起动过程响应时间的有效方法，且在一定的流量比范围内，两侧换热介质入口雷诺数之积是影响响应时间的重要因素。

关键词: 印刷电路板式换热器, 起动过程, 一维模型, 大温差, 传热

Abstract:

A one-dimensional transient heat transfer model is developed in this study for the starting process of Printed Circuit Heat Exchangers （PCHE） at large temperature difference. The model considers the internal heat conduction process of the solid material of the printed circuit heat exchanger and is able to predict the temperature behavior of both fluid and solid materials. Transient heat exchanger experiments using N₂ as the medium on the printed circuit heat exchanger are conducted. The maximum and minimum temperature of N₂ are 450 K and 103 K， respectively. Comparison of the model prediction results with the experiment results proves the validity of the model. The average deviation of the outlet temperature at the cold side during the starting process is 11.3 K and the calculation deviations of heat transfer on both sides are within 7%. Furthermore， the model is applied to the calculation and analysis of the spatial distribution and time domain variation characteristics of the operating parameters of the printed circuit heat exchanger. The results indicate that the heat transfer between the cover plate and the core region of the printed circuit heat exchanger is important and cannot be easily ignored in the simulation of the transient process at large temperature difference. The results also show that increasing mass flow rates of fluid at both sides and decreasing the thickness of the cover plate are effective methods to shorten the response time of the starting process. Moreover， in a certain range of the mass flow rate ratio， the product of the Reynolds Number at the inlet of the printed circuit heat exchanger on both sides is an important factor affecting the response time.

Key words: printed circuit heat exchanger, starting process, one-dimensional model, large temperature difference, heat transfer

中图分类号:

V432

王子豪, 杜家磊, 梁国柱, 王浩泽, 蔡震宇, 马晓秋. 大温差下印刷电路板式换热器起动过程建模与实验[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 127893-127893.

Zihao WANG, Jialei DU, Guozhu LIANG, Haoze WANG, Zhenyu CAI, Xiaoqiu MA. Modelling and experimental investigation into starting process of printed circuit heat exchangers at large temperature difference[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 127893-127893.

图/表 19

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参考文献 37

1	邓帆，谭慧俊，董昊，等. 预冷组合动力高超声速空天飞机关键技术研究进展［J］. 推进技术， 2018， 39（1）： 1-13.
	DENG F， TAN H J， DONG H， et al. Progress on key technologies of hypersonic aerospace plane with pre-cooled combined propulsion［J］. Journal of Propulsion Technology， 2018， 39（1）： 1-13 （in Chinese）.
2	马海波，张蒙正. 预冷空气类动力系统发展历程浅析［J］. 火箭推进， 2019， 45（2）： 1-8.
	MA H B， ZHANG M Z. Preliminary analysis on development course of pre-cooling propulsion system［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2019， 45（2）： 1-8 （in Chinese）.
3	蔡伊雯，金志光，周建兴，等. 一种多热力循环组合发动机进气道设计方案［J］. 航空学报， 2020， 41（11）： 123745.
	CAI Y W， JIN Z G， ZHOU J X， et al. Design scheme of combined multiple thermodynamic cycle engine inlet［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（11）： 123745 （in Chinese）.
4	邹正平，王一帆，额日其太，等. 高超声速强预冷航空发动机技术研究进展［J］. 航空发动机， 2021， 47（4）： 8-21.
	ZOU Z P， WANG Y F， ERI Q T， et al. Research progress on hypersonic precooled airbreathing engine technology［J］. Aeroengine， 2021， 47（4）： 8-21 （in Chinese）.
5	左林玄，张辰琳，王霄，等. 高超声速飞机动力需求探讨［J］. 航空学报， 2021， 42（8）： 525798.
	ZUO L X， ZHANG C L， WANG X， et al. Requirement of hypersonic aircraft power［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（8）： 525798 （in Chinese）.
6	马晓秋. 预冷吸气组合发动机研究进展与关键技术分析［J］. 科技导报， 2020， 38（12）： 85-95.
	MA X Q. Research progress of pre-cooled air-breathing combined engines and analysis of the key technology［J］. Science & Technology Review， 2020， 38（12）： 85-95 （in Chinese）.
7	罗佳茂，杨顺华，张建强，等. 换热预冷发动机预冷特性和发动机性能数值研究［J］. 航空学报， 2019， 40（5）： 122652.
	LUO J M， YANG S H， ZHANG J Q， et al. Numerical investigation of pre-cooling characteristics of heat exchange pre-cooling engine and engine performance［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（5）： 122652 （in Chinese）.
8	DONG P C， TANG H L， CHEN M， et al. Overall performance design of paralleled heat release and compression system for hypersonic aeroengine［J］. Applied Energy， 2018， 220： 36-46.
9	MYLAVARAPU S K， SUN X D， CHRISTENSEN R N， et al. Fabrication and design aspects of high-temperature compact diffusion bonded heat exchangers［J］. Nuclear Engineering and Design， 2012， 249： 49-56.
10	Website of Heatric Division of Meggitt （UK） Ltd［EB/OL］. ［2022-07-15］. .
11	DONG P C， TANG H L， CHEN M. A trade-off analysis on the paralleled heat release and compression system of a hypersonic aeroengine［J］. Energy Procedia， 2019， 158： 1530-1536.
12	WEBBER H， FEAST S， BOND A. Heat exchanger design in combined cycle engines［J］. Journal of the British Interplanetary Society， 2009， 62： 122-130.
13	HEMPSELL M， BOND A， VARVILL R， et al. Progress on the SKYLON and SABRE development programme［C］∥62nd International Astronaut Congress 2011. Paris： International Astronautical Federation， 2011： 7519-7525.
14	SEO J W， KIM Y H， KIM D， et al. Heat transfer and pressure drop characteristics in straight microchannel of printed circuit heat exchangers［J］. Entropy， 2015， 17（5）： 3438-3457.
15	MYLAVARAPU S K， SUN X D， GLOSUP R E， et al. Thermal hydraulic performance testing of printed circuit heat exchangers in a high-temperature helium test facility［J］. Applied Thermal Engineering， 2014， 65（1-2）： 605-614.
16	SHIN J H， YOON S H. Thermal and hydraulic performance of a printed circuit heat exchanger using two-phase nitrogen［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 168： 114802.
17	KWON D， JIN L X， JUNG W， et al. Experimental investigation of heat transfer coefficient of mini-channel PCHE（printed circuit heat exchanger）［J］. Cryogenics， 2018， 92： 41-49.
18	LI H， LIU H X， ZOU Z P. Experimental study and performance analysis of high-performance micro-channel heat exchanger for hypersonic precooled aero-engine［J］. Applied Thermal Engineering， 2021， 182： 116108.
19	LIU B H， LU M J， SHUI B， et al. Thermal-hydraulic performance analysis of printed circuit heat exchanger precooler in the Brayton cycle for supercritical CO₂ waste heat recovery［J］. Applied Energy， 2022， 305： 117923.
20	KIM W， BAIK Y J， JEON S， et al. A mathematical correlation for predicting the thermal performance of cross， parallel， and counterflow PCHEs［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 106： 1294-1302.
21	ZHAO Z C， ZHANG X， ZHAO K， et al. Numerical investigation on heat transfer and flow characteristics of supercritical nitrogen in a straight channel of printed circuit heat exchanger［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 126： 717-729.
22	李玮哲. 超临界甲烷在印刷电路板换热器中加热过程模拟［D］. 上海：上海交通大学， 2019： 53-58.
	LI W Z. Numerical investigation on the heating of supercritical methane in a printed circuited heat exchanger［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2019： 53-58 （in Chinese）.
23	ZHOU Y L， YIN D D， GUO X T， et al. Numerical analysis of the thermal and hydraulic characteristics of CO₂/propane mixtures in printed circuit heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2022， 185： 122434.
24	DENG T R， LI X H， WANG Q W， et al. Dynamic modelling and transient characteristics of supercritical CO₂ recompression Brayton cycle［J］. Energy， 2019， 180： 292-302.
25	CHEN M H， KIM I H， SUN X D， et al. Transient analysis of an FHR coupled to a helium Brayton power cycle［J］. Progress in Nuclear Energy， 2015， 83： 283-293.
26	CHEN M H， SUN X D， CHRISTENSEN R N， et al. Experimental and numerical study of a printed circuit heat exchanger［J］. Annals of Nuclear Energy， 2016， 97： 221-231.
27	CHEN K Q， PU W H， ZHANG Q， et al. Thermal performance analysis on steady-state and dynamic response characteristic in solar tower power plant based on supercritical carbon dioxide Brayton cycle［J］. Energy Sources， Part A： Recovery， Utilization， and Environmental Effects， 2020， doi： 10.1080/15567036.2021.183800 .
28	JIANG Y， LIESE E， ZITNEY S E， et al. Design and dynamic modeling of printed circuit heat exchangers for supercritical carbon dioxide Brayton power cycles［J］. Applied Energy， 2018， 231： 1019-1032.
29	MARCHIONNI M， CHAI L， BIANCHI G， et al. Numerical modelling and performance maps of a printed circuit heat exchanger for use as recuperator in supercritical CO₂ power cycles［J］. Energy Procedia， 2019， 161： 472-479.
30	DESHMUKH A， KAPAT J， KHADSE A. Transient thermodynamic modeling of air cooler in supercritical CO₂ Brayton cycle for solar molten salt application［J］. Journal of Energy Resources Technology， 2021， 143（2）： 022103.
31	杨光，邵卫卫. 印刷电路板换热器结构及传热关联式研究进展［J］. 化工进展， 2021， 40（）： 13-26.
	YANG G， SHAO W. Review of optimization and heat transfer correlations of printed circuit heat exchanger［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2021， 40（S1）： 13-26 （in Chinese）.
32	王子豪，梁国柱. 微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究［J］. 推进技术， 2022， 43（5）： 21007.
	WANG Z H， LIANG G Z. Theoretical study on flow and heat transfer characteristics of gas at low Mach number in microchannels［J］. Journal of Propulsion Technology， 2022， 43（5）： 21007 （in Chinese）.
33	HESSELGREAVES J E. Compact heat exchangers： selection， design and operation［M］. Amsterdam： Pergamon， 2001： 226.
34	TRAN T N， WAMBSGANSS M W， FRANCE D M. Small circular- and rectangular- channel boiling with two refrigerants［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1996， 22（3）： 485-498.
35	杨世铭，陶文铨. 传热学［M］. 4版. 北京：高等教育出版社， 2006： 257-258.
	YANG S M， TAO W Q. Heat transfer［M］. 4th ed. Beijing： Higher Education Press， 2006： 257-258 （in Chinese）.
36	NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database［EB/OL］. ［2022-07-15］. .
37	ZHAO Z C， ZHANG Y， CHEN X D， et al. Experimental and numerical investigation of thermal-hydraulic performance of supercritical nitrogen in airfoil fin printed circuit heat exchanger［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 168： 114829.

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Re	C	n
4×10^-1~4×10⁰	0.989 0	0.330
4×10⁰~4×10¹	0.911 0	0.385
4×10¹~4×10³	0.683 0	0.466
4×10³~4×10⁴	0.193 0	0.618
4×10⁴~4×10⁵	0.026 6	0.805

参数	数值
通道长度L_a/mm	714
通道直径D_h/mm	0.7
平板厚度t_p/mm	0.8
翅片厚度t_f/mm	0.3
热侧换热通道个数	2 000
冷侧换热通道个数	2 000

[1]	郑梅, 冯丽娟, 秦娜, 尹金鸽. 短舱防冰系统三维内外流耦合计算方法[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627425-627425.
[2]	李信卿, 赵清海, 龙凯, 张洪信. 考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 425964-425964.
[3]	赵瑾, 孙向春, 张俊, 唐志共, 文东升. 热防护材料气固界面传热传质问题研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527577-527577.
[4]	肖光明, 张超, 桂业伟, 杜雁霞, 刘磊, 魏东. 基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 625710-625710.
[5]	童自翔, 李明佳, 李冬. 导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 625729-625729.
[6]	张云光, 李志强, 王耀奇, 李红, 李淑慧. 2060铝锂合金冷模热成形界面换热系数确定的实验与算法[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 423805-423805.
[7]	伍恒, 李本威, 张赟, 杨欣毅. 基于QPSO-ELM的某型涡轴发动机起动过程模型辨识[J]. 航空学报, 2018, 39(11): 322251-322261.
[8]	饶宇, 刘宇阳, 万超一. 具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能[J]. 航空学报, 2018, 39(1): 121418-121418.
[9]	赵璧, 宣益民. 航空发动机间冷器及回热器发展研究综述[J]. 航空学报, 2017, 38(9): 520934-520934.
[10]	高杰, 郑群, 岳国强, 董平, 姜玉廷. 燃气轮机涡轮叶顶间隙气热技术研究进展[J]. 航空学报, 2017, 38(9): 521019-521019.
[11]	雷桂林, 郑梅, 董威, 周志翔, 董奇. 航空发动机进气支板电热防冰试验[J]. 航空学报, 2017, 38(8): 121066-121066.
[12]	李映坤, 韩珺礼, 陈雄, 周长省, 巩伦昆. 基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟[J]. 航空学报, 2017, 38(4): 120409-120409.
[13]	张晓晨, 夏新林, 林朝光, 王振峰, 谈和平. 热辐射对高超飞行器天线罩热评估的影响[J]. 航空学报, 2017, 38(10): 120916-120916.
[14]	牛涛, 张艳苓, 侯红亮, 王耀奇, 何铎. 高温热管性能分析与试验[J]. 航空学报, 2016, 37(S1): 59-65.
[15]	石友安, 贺立新, 邱波, 曾磊, 耿湘人, 魏东. 碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究[J]. 航空学报, 2016, 37(4): 1207-1217.

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