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:2023-08-25 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:2023-08-25 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

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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

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