一種超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器的制作方法

本發明屬于換熱技術領域，涉及一種超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器。

背景技術：

超臨界二氧化碳布雷頓循環是目前公認的最具潛力的先進動力循環之一。由于超臨界二氧化碳具有能量密度大、傳熱效率高等特點，超臨界二氧化碳布雷頓循環高效發電系統可以在620℃溫度范圍內達到常規蒸汽朗肯循環700℃的效率，不需要再開發新型的高溫合金，且設備尺寸小于同參數的蒸汽機組，應用前景非常好。

目前，在超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統中，印刷電路板換熱器被普遍認為是最適用的換熱器。印刷電路板換熱器是一種新型高效的緊湊式換熱器，是將交替布置的冷、熱側平板通過擴散焊的方式焊接在一起的換熱器，其冷、熱側換熱平板上的流道均為通過化學蝕刻方法得到的細小通道。在相同換熱量的條件下，印刷電路板換熱器的尺寸只有傳統管殼式換熱器尺寸的1/5-1/10。因此，印刷電路板換熱器可以很好的用作超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統的回熱器和預冷器。

在超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統的預冷器中，熱側的超臨界二氧化碳工作在擬臨界溫度點附近(即超臨界流體的大比熱區)，而冷側的水則處于過冷區，熱側工質和冷側工質的定壓比熱容差異非常大。若仍采用傳統的逆流結構或者順流結構的印刷電路板換熱器作為預冷器，則會出現冷側通流面積偏大的現象，使得循環冷卻水可能工作于層流區，導致換熱系數偏低。因此，必須充分考慮超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統預冷器中的超臨界二氧化碳和冷卻水在工作條件下的物性特點，合理的設計換熱器的流道，避免該問題的出現。

然而經調研，目前國內外均鮮有公開成果和專利介紹涉及用于超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統中超臨界二氧化碳和水換熱的印刷電路板預冷器。而印刷電路板換熱器作為預冷器時，若設計不當，則會出現所需的循環冷卻水量過大或者預冷器換熱系數偏低等情況。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器，該換熱器能夠有效的解決超臨界二氧化碳布雷頓循環預冷器中冷熱側流體物性極大差異帶來的流量匹配問題，并且能夠保證換熱系數的情況下減小循環冷卻水的流量。

為達到上述目的，本發明所述的超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器包括基板及以及位于基板上的若干熱側平板及若干冷側平板，其中，各冷側平板及各熱側平板自上到下依次交錯分布，其中，熱側平板的底面上開設有若干熱側通道，冷側平板的底面上開設有若干冷側通道，其中，所有冷側通道橫截面的面積之和為所有熱側通道橫截面的面積之和的1/3。

各熱側通道從左到右依次平行分布，且每個熱側通道均為直線型結構。

各冷側通道均呈折線型且等間距分布，各冷側通道均包括依次相連通的冷側入口、冷側入口引流段、低溫逆流段冷側通道、第一叉流段冷側通道、順流段冷側通道、第二叉流段冷側通道、冷側出口匯集段及熱側出口。

冷側入口引流段及第二叉流段冷側通道位于冷側平板位于前側，第一叉流段冷側通道及冷側出口匯集段位于冷側平板的后側，低溫逆流段冷側通道、順流段冷側通道及高溫逆流段冷側通道均呈直線型分布。

各熱側通道的橫截面及各冷側通道的橫截面均為半圓形結構。

熱側通道的數量為低溫逆流段冷側通道的數量、順流段冷側通道的數量及高溫逆流段冷側通道的數量之和。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器采用印制電路板換熱器的結構形式，即包括基板以及依次交錯設置于所述基板上的若干熱側平板及若干冷側平板，同時為避免傳統逆流結構或者順流結構的印刷電路板換熱器出現的冷側流通面積偏大、換熱系數偏低的問題，本發明中各冷側通道橫截面的面積之和為各熱側通道橫截面的面積之和的1/3，從而有效的避免循環冷卻水工作于層流區，保證換熱器足夠的對流換熱系數，同時冷卻水的沿程阻力增加較少，并且換熱器的體積較小，循環冷卻水的用量較少，從而有效的解決超臨界二氧化碳布雷頓循環預冷器中冷熱側流體物性極大差異帶來的流量匹配問題。

附圖說明

圖1為本發明的截面圖；

圖2為本發明中熱側平板1的俯視圖；

圖3為本發明中冷側平板2的俯視圖。

其中，1為熱側平板、2為冷側平板、3為熱側入口、4為熱側通道、5為冷側出口匯集段、6為冷側出口、7為冷側入口引流段、8為低溫逆流段冷側通道、9為第一叉流段冷側通道、10為順流段冷側通道、11為第二叉流段冷側通道、12為高溫逆流段冷側通道。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發明所述的超臨界二氧化碳和水換熱的緊湊式換熱器包括基板及以及位于基板上的若干熱側平板1及若干冷側平板2，其中，各冷側平板2及各熱側平板1自上到下依次交錯分布，其中，熱側平板1的底面上開設有若干熱側通道4，冷側平板2的底面上開設有若干冷側通道，其中，所有冷側通道橫截面的面積之和為所有熱側通道4橫截面的面積之和的1/3。

各熱側通道4從左到右依次平行分布，且每個熱側通道4均為直線型結構。

各冷側通道均呈折線型且等間距分布，各冷側通道均包括依次相連通的冷側入口6、冷側入口引流段7、低溫逆流段冷側通道8、第一叉流段冷側通道9、順流段冷側通道10、第二叉流段冷側通道11、冷側出口匯集段5及熱側出口3；冷側入口引流段7及第二叉流段冷側通道11位于冷側平板2位于前側，第一叉流段冷側通道9及冷側出口匯集段5位于冷側平板2的后側，低溫逆流段冷側通道8、順流段冷側通道10及高溫逆流段冷側通道12均呈直線型分布。

各熱側通道4的橫截面及各冷側通道的橫截面均為半圓形結構；熱側通道4的數量為低溫逆流段冷側通道8的數量、順流段冷側通道10的數量及高溫逆流段冷側通道12的數量之和。

參見圖1，相鄰熱側平板1與冷側平板2之間通過擴散焊的工藝進行焊接；熱側平板1上的熱側通道4和冷側平板2上的冷側通道均通過化學蝕刻方法得到；熱側通道4及冷側通道的通道節距等于通道直徑的1.2-1.4倍，熱側平板1與冷側平板2的厚度均為通道半徑的1.3-1.5倍。

本發明的具體工作過程如下所示：

熱側平板1上的各熱側通道4左到右依次平行分布，超臨界二氧化碳由各熱側通道4的熱側入口進入各熱側通道4中，再將熱量傳遞給冷側工質，然后再將各熱側通道4的熱側出口流出。

冷側通道的數量為熱側通道4數量的1/3，循環冷卻水依次流經冷側入口6、冷側入口引流段7、低溫逆流段冷側通道8、第一叉流段冷側通道9、順流段冷側通道10，第二叉流段冷側通道11、高溫逆流段冷側通道12及冷側出口匯集段5，并最后經冷側通道的熱側出口3流出，并在流通過程中與超臨界二氧化碳進行換熱升溫。

本發明的設計原理如下：

由于超臨界二氧化碳布雷頓循環中預冷器的工作特性，采用傳統逆流結構或者順流結構的印刷電路板換熱器作為預冷器，則會出現冷側通流面積偏大的現象，使得循環冷卻水可能工作于層流區，導致換熱系數偏低。針對該問題，本發明通過對循環冷卻水和臨界溫度點附近超臨界二氧化碳的物性和換熱能力進行計算及評估，發現當冷側通道的橫截面面積為熱側通道4的橫截面的面積的1/3時，可以有效的避免循環冷卻水工作于層流區，保證循環冷卻水足夠的對流換熱系數，并且不會增加大多的沿程阻力。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。