本發(fā)明屬于換熱技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)是目前公認(rèn)的最具潛力的先進(jìn)動(dòng)力循環(huán)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(diǎn)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)高效發(fā)電系統(tǒng)可以在620℃溫度范圍內(nèi)達(dá)到常規(guī)蒸汽朗肯循環(huán)700℃的效率，不需要再開發(fā)新型的高溫合金，且設(shè)備尺寸小于同參數(shù)的蒸汽機(jī)組，應(yīng)用前景非常好。

目前，在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，印刷電路板換熱器被普遍認(rèn)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(cè)平板通過擴(kuò)散焊的方式焊接在一起的換熱器，其冷、熱側(cè)換熱平板上的流道均為通過化學(xué)蝕刻方法得到的細(xì)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(tǒng)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)的回?zé)崞骱皖A(yù)冷器。

在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)冷器中，熱側(cè)的超臨界二氧化碳工作在擬臨界溫度點(diǎn)附近(即超臨界流體的大比熱區(qū))，而冷側(cè)的水則處于過冷區(qū)，熱側(cè)工質(zhì)和冷側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容差異非常大。若仍采用傳統(tǒng)的逆流結(jié)構(gòu)或者順流結(jié)構(gòu)的印刷電路板換熱器作為預(yù)冷器，則會出現(xiàn)冷側(cè)通流面積偏大的現(xiàn)象，使得循環(huán)冷卻水可能工作于層流區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)偏低。因此，必須充分考慮超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)預(yù)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(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)換熱器的流道，避免該問題的出現(xiàn)。

然而經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)中超臨界二氧化碳和水換熱的印刷電路板預(yù)冷器。而印刷電路板換熱器作為預(yù)冷器時(shí)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會出現(xiàn)所需的循環(huán)冷卻水量過大或者預(yù)冷器換熱系數(shù)偏低等情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，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(huán)預(yù)冷器中冷熱側(cè)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(shù)的情況下減小循環(huán)冷卻水的流量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)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(cè)平板及若干冷側(cè)平板，其中，各冷側(cè)平板及各熱側(cè)平板自上到下依次交錯(cuò)分布，其中，熱側(cè)平板的底面上開設(shè)有若干熱側(cè)通道，冷側(cè)平板的底面上開設(shè)有若干冷側(cè)通道，其中，所有冷側(cè)通道橫截面的面積之和為所有熱側(cè)通道橫截面的面積之和的1/3。

各熱側(cè)通道從左到右依次平行分布，且每個(gè)熱側(cè)通道均為直線型結(jié)構(gòu)。

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

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

各熱側(cè)通道的橫截面及各冷側(cè)通道的橫截面均為半圓形結(jié)構(gòu)。

熱側(cè)通道的數(shù)量為低溫逆流段冷側(cè)通道的數(shù)量、順流段冷側(cè)通道的數(shù)量及高溫逆流段冷側(cè)通道的數(shù)量之和。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)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(jié)構(gòu)形式，即包括基板以及依次交錯(cuò)設(shè)置于所述基板上的若干熱側(cè)平板及若干冷側(cè)平板，同時(shí)為避免傳統(tǒng)逆流結(jié)構(gòu)或者順流結(jié)構(gòu)的印刷電路板換熱器出現(xiàn)的冷側(cè)流通面積偏大、換熱系數(shù)偏低的問題，本發(fā)明中各冷側(cè)通道橫截面的面積之和為各熱側(cè)通道橫截面的面積之和的1/3，從而有效的避免循環(huán)冷卻水工作于層流區(qū)，保證換熱器足夠的對流換熱系數(shù)，同時(shí)冷卻水的沿程阻力增加較少，并且換熱器的體積較小，循環(huán)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(huán)預(yù)冷器中冷熱側(cè)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(fā)明的截面圖；

圖2為本發(fā)明中熱側(cè)平板1的俯視圖；

圖3為本發(fā)明中冷側(cè)平板2的俯視圖。

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

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)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(cè)平板1及若干冷側(cè)平板2，其中，各冷側(cè)平板2及各熱側(cè)平板1自上到下依次交錯(cuò)分布，其中，熱側(cè)平板1的底面上開設(shè)有若干熱側(cè)通道4，冷側(cè)平板2的底面上開設(shè)有若干冷側(cè)通道，其中，所有冷側(cè)通道橫截面的面積之和為所有熱側(cè)通道4橫截面的面積之和的1/3。

各熱側(cè)通道4從左到右依次平行分布，且每個(gè)熱側(cè)通道4均為直線型結(jié)構(gòu)。

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

各熱側(cè)通道4的橫截面及各冷側(cè)通道的橫截面均為半圓形結(jié)構(gòu)；熱側(cè)通道4的數(shù)量為低溫逆流段冷側(cè)通道8的數(shù)量、順流段冷側(cè)通道10的數(shù)量及高溫逆流段冷側(cè)通道12的數(shù)量之和。

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

本發(fā)明的具體工作過程如下所示：

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

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

本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理如下：

由于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中預(yù)冷器的工作特性，采用傳統(tǒng)逆流結(jié)構(gòu)或者順流結(jié)構(gòu)的印刷電路板換熱器作為預(yù)冷器，則會出現(xiàn)冷側(cè)通流面積偏大的現(xiàn)象，使得循環(huán)冷卻水可能工作于層流區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)偏低。針對該問題，本發(fā)明通過對循環(huán)冷卻水和臨界溫度點(diǎn)附近超臨界二氧化碳的物性和換熱能力進(jìn)行計(jì)算及評估，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷側(cè)通道的橫截面面積為熱側(cè)通道4的橫截面的面積的1/3時(shí)，可以有效的避免循環(huán)冷卻水工作于層流區(qū)，保證循環(huán)冷卻水足夠的對流換熱系數(shù)，并且不會增加大多的沿程阻力。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。