1.1 课题研究目的及意义

近年来，随着新船能效设计指数 (EEDI)的实施，船舶污染问题成为了社会密切关注的话题，通过超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环对船舶主机余热进行回收利用是船舶节能减排的重要途径。SCO₂布雷顿循环由于其在高温下热效率高、简单、紧凑，相比于当前大规模使用蒸汽动力循环，其被普遍认为在未来核电技术领域有良好的应用前景^[1]。SCO₂的临界压力适中、稳定性好、偏惰性、无毒、储量丰富、成本低，并且对其热物理性质已有足够认识，因此被认为是布雷顿循环最佳运行工质^[2]。SCO₂工质的最大优势在于节省压缩功耗，相比于氦气等理想气体工质，SCO ₂循环气体涡轮机械重量约为原来的五分之一，因此可在中等温度下实现较高的效率的同时使压缩机设计简化、换热器和透平结构紧凑^[3]。

换热器是SCO₂布雷顿循环中体积最大的设备^[1]。但船舶上的工程设备因空间有限，往往需要采用尺寸小、重量轻、传热效率高的紧凑式换热器。考虑到该系统属于高温热流运行工况，需要非常大的换热面积来传递热量，常规的管壳式换热器换热效率低，体积大而不能适用。因此，有必要研发高效紧凑式换热器。由英国Heatric公司生产的印刷电路板式换热器(PCHE)是一种传热性能优良的紧凑式换热器^[4]。采用光电化学蚀刻及扩散粘结技术，可使PCHE流道的水力直径控制在lmm左右并具备良好的高压承受能力，如图1所示。

图1 PCHE芯体示意图^[5]

PCHE能够满足换热过程中高温、高压、泄漏少、结构紧凑、高效等要求，被认为是SCO₂布雷顿循环中最具应用潜力的换热器形式，这使得将PCHE用于船舶主机余热进行回收利用成为可能。

1.2 国内外研究现状

PCHE换热通道经历了从“平直通道→Z（人）字形通道→S形通道→翼型通道”的发展过程，由于光化学蚀刻法工艺的限制，横截面形状基本以半圆形结构为主^[6]。因此，一些学者对研究不同通道结构的PCHE内部流动与换热问题产生了兴趣。例如，Nikitin^[7]等对SCO₂在传统的Z字形波纹通道PCHE热工水力性能进行了实验研究，结果表明在PCHE中流体的局部传热系数和压降系数是雷诺数(Re)的函数。Ngo^[8]等设计了一种正弦曲线的S型翅片的PCHE，将二氧化碳侧和水侧的换热简化为一个换热单元并进行数值模拟评估。发现与传统Z字形波纹通道的PCHE相比，其体积可减小3.3倍，二氧化碳侧压降可减少37%，水侧压降可减小为原来的1/l0。Kim^[1]等人利用Fluent商业软件研究了SCO₂在一种新型PCHE内的热工水力性能，该换热器翅片为NACA0020流线型机翼结构。研究结果表明，新型的PCHE可使传热面积增大和流动结构均匀化，其单位体积的总传热率与传统Z字形PCHE基本一致，但压降只有传统Z字形PCHE的5%。Pra^[9]等在研究中指出与直通道相比，波纹通道PCHE在低Re数时几乎没有优势，在转捩雷诺数下其优势最大，Re数继续增大，涡的周期性脱落将使Nu数增加的同时增加压降。文章指出由过渡到湍流的转捩雷诺数约为1200，具体取决于通道的几何形状，转捩区域的混沌对流有助于换热。Tsuzuki^[10]等人提出了一种具有S形翅片结构的新型PCHE，通过数值分析研究翅片结构和翅片角度对压降和传热性能的影响，获得了最佳流道结构。这种新型的通道结构在具有相同的热工水力性能的情况下，压降是传统Z型结构压降的1/5，而压降的减小是得益于均匀的流速分布和拐角处周围涡流和回流的消除。Guo^[11]通过分段法研究了固定热负荷和总热导率下PCHE的局部和整体传热性能。结果表明，物性的急剧变化对换热器的性能有重要影响，在设计SCO₂换热器时必须仔细考虑设计参数，以避免温度交叉，提高其性能。Ke^[12]利用LMTD和分段方法模拟了直流道PCHE中的传热特性和压降。结果表明，由于SCO₂具有显著的物性变化，LMTD不适合PCHE计算，而分段方法可以获得更可靠的结果。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 课题研究内容及目标

1. 拟定以直流道和波浪形流道的PCHE为研究对象，选定PCHE微通道结构参数范围、压力和温度等工作参数范围，选择合适的换热和压降设计关系式。