近日，一項(xiàng)受自然啟發(fā)的創(chuàng)新研究為微通道熱交換器的性能提升開辟了新路徑。通過模仿江河中沙洲的形態(tài)，研究人員設(shè)計(jì)出一種3D打印的新型仿生通道，解決了傳統(tǒng)鋸齒形通道在傳熱與流阻之間難以兼顧的固有矛盾。

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124309

摘要

鋸齒形通道印刷電路板式熱換熱器因其良好的傳熱性能，被廣泛應(yīng)用于核能、太陽能及航空航天領(lǐng)域。然而，鋸齒形通道的高流動阻力會導(dǎo)致泵送功耗增大，從而限制了其整體性能。盡管先前的改進(jìn)型通道能夠降低印刷電路板式熱換熱器的流動阻力，但同時也導(dǎo)致了傳熱效率的下降。

受江河中沙洲的啟發(fā)，來自西安交通大學(xué)等高校的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型仿生通道。研究人員通過3D打印技術(shù)制備了該仿生通道換熱器與傳統(tǒng)鋸齒形通道換熱器。高溫空氣-空氣流動與傳熱實(shí)驗(yàn)表明：仿生通道換熱器在平均傳熱率提升1.5%的同時，顯著降低了34.85%的壓降。在轉(zhuǎn)角處增設(shè)的翼型翅片有效緩解了因流動分離、再附著和碰撞產(chǎn)生的流動阻力，從而實(shí)現(xiàn)了更高的努塞爾數(shù)和更低的范寧摩擦因子。與傾斜角為15°的鋸齒形通道相比，仿生通道的努塞爾數(shù)高出59%。本研究表明，相較于傳統(tǒng)鋸齒形通道，仿生通道能在保持高傳熱效率的同時顯著降低流動阻力。

效率與阻力的博弈

微型通道換熱器與印刷電路板式換熱器

微型通道換熱器因其高緊湊度而被廣泛應(yīng)用于熱能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。印刷電路板式換熱器（PCHE）是一種典型的微型通道換熱器，適用于高溫高壓的工作條件。它采用化學(xué)蝕刻工藝，可以在金屬板上加工出直徑為0.5毫米至2毫米的半圓形通道或特定設(shè)計(jì)的翅片。隨后，將多塊帶有通道或翅片的金屬板堆疊起來，通過高溫高壓下的擴(kuò)散焊接技術(shù)連接成一個整體。

這一制造工藝使得設(shè)計(jì)具有不同特性的通道以滿足特定性能需求成為可能。微小的通道和翅片尺寸顯著增加了傳熱面積，而擴(kuò)散焊接技術(shù)則保證了連接強(qiáng)度接近母材，從而增強(qiáng)了其耐壓性能。若采用如鎳基高溫合金和金屬陶瓷復(fù)合材料等特種材料，還能進(jìn)一步強(qiáng)化PCHE的耐高溫和耐腐蝕性能。得益于這些優(yōu)越特性，PCHE被廣泛應(yīng)用于高溫高壓傳熱過程，例如用于高溫超臨界二氧化碳（SCO?）布雷頓循環(huán)以提高發(fā)電系統(tǒng)效率，在甚高溫氣冷堆（VHTR）中作為中間換熱器，以及應(yīng)用于聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)以提高傳熱效率。

PCHE的性能平衡與優(yōu)化挑戰(zhàn)

為了提升整個系統(tǒng)的性能，換熱器必須具備高傳熱效率和低流動阻力，以最小化泵送功率。當(dāng)前關(guān)于PCHE的研究主要集中于通過增加流動擾動來減薄邊界層厚度，從而提高換熱器效率。然而，這種方法通常會導(dǎo)致壓降增加。因此，在微型通道換熱器的設(shè)計(jì)中，必須在效率與壓降之間取得平衡。

主要通道類型的特性與局限

PCHE的常見通道類型包括直通道、鋸齒形通道、翼型翅片和S形翅片。直通道PCHE表現(xiàn)出最低的阻力系數(shù)，但由于缺乏邊界層擾動，其傳熱效率也相對較低。鋸齒形通道通過在拐角處引入擾動，有效增強(qiáng)了傳熱，但導(dǎo)致了顯著的壓降。針對鋸齒形通道的優(yōu)化研究（如改變傾斜角）表明，傳熱效率和壓降會同時增加。然而，鋸齒形通道，尤其是在采用大傾斜角時，表現(xiàn)出高流動阻力。因此，這類通道進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵是在保持高傳熱效率的同時降低壓降。一些基于鋸齒形通道的改進(jìn)設(shè)計(jì)（如插入直通道或采用蜂窩狀排列）被提出，但它們在維持高傳熱效率的同時有效降低阻力的能力有限。

對于翼型翅片等連續(xù)通道PCHE，其主要特點(diǎn)是流動阻力較低，但機(jī)械性能較差，原因在于翅片與板片之間的接觸面積較小。當(dāng)前研究側(cè)重于翅片形狀的優(yōu)化。研究表明，翼型翅片PCHE可以大幅降低壓降，不同的翅片排列方式會影響其傳熱性能。S形翅片和正弦翅片等新型結(jié)構(gòu)也被提出，并顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)鋸齒形通道的熱工水力性能。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已被用于預(yù)測PCHE性能和優(yōu)化其形狀，以顯著減少計(jì)算時間。

綜上所述，連續(xù)通道與非連續(xù)通道換熱器均存在特定問題：連續(xù)通道換熱器常因接觸面積小而導(dǎo)致機(jī)械性能較差；而如鋸齒形通道之類的高效非連續(xù)通道則面臨顯著的流動阻力問題。傳熱的強(qiáng)化往往以壓降的增加為代價(jià)，因此，有必要開發(fā)新的結(jié)構(gòu)，以在效率與壓降之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。

3D打印結(jié)合仿生設(shè)計(jì)：博弈制勝的新路徑

近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展為制造具有復(fù)雜通道結(jié)構(gòu)的微型通道換熱器提供了新的可能性，這有助于實(shí)現(xiàn)兼具高傳熱效率和低流動阻力的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有研究表明，3D打印技術(shù)為制造幾何形狀復(fù)雜的換熱器通道提供了一種更為便捷的途徑。本研究利用3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種新型的仿生通道結(jié)構(gòu)，旨在解決高傳熱效率與低流動阻力難以同時實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

本研究介紹了一種結(jié)合鋸齒形通道與翼型翅片的新型仿生換熱器。該換熱器采用3D打印技術(shù)制造，并通過對比實(shí)驗(yàn)研究其熱工水力性能。具體而言，在流體流動方向發(fā)生改變的通道轉(zhuǎn)角處，布置了高升阻比的翼型翅片，以降低壓力損失。同時，在這些對流換熱系數(shù)較高的轉(zhuǎn)角區(qū)域，增加了額外的翼型翅片，以有效增大傳熱面積。這種設(shè)計(jì)方法旨在顯著降低流動阻力的同時，保持可比的傳熱性能。

研究采用高溫空氣作為工質(zhì)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，以探究該仿生換熱器的熱工水力特性?；趯?shí)驗(yàn)研究，推導(dǎo)出了該仿生換熱器的傳熱與流動阻力關(guān)聯(lián)式。

圖文解析

圖1. 仿自然通道設(shè)計(jì)。

圖2. 換熱器總體布局及板片結(jié)構(gòu)。

圖3. 采用3D打印技術(shù)制作的板片及換熱器整體。

從左到右，從上到下依次為：

圖5. 不同質(zhì)量流速下鋸齒形通道和仿自然通道換熱器的傳熱速率變化。

圖6. 不同質(zhì)量流速下鋸齒形通道和仿自然通道換熱器的效率變化。

圖7. 不同質(zhì)量流速下鋸齒形通道和仿自然通道換熱器的壓降。

圖8. 不同質(zhì)量流速下鋸齒形通道和仿自然通道換熱器的壓降比。

從左到右，從上到下依次為：

圖9. 不同熱側(cè)入口溫度下鋸齒形通道和仿自然通道換熱器的傳熱性能。

圖 10. 鋸齒形通道和自然通道換熱器在不同冷側(cè)入口溫度下的傳熱性能。

圖 11. 鋸齒形通道和自然通道換熱器的努塞爾特?cái)?shù)隨雷諾數(shù)的變化。

圖 12. 鋸齒形通道和自然通道換熱器的傳熱關(guān)聯(lián)式比較。

從左到右，從上到下依次為：

圖 13. 鋸齒形通道和自然通道換熱器的范寧摩擦因子隨質(zhì)量流量的變化。

圖 14. 鋸齒形通道和自然通道換熱器的范寧摩擦因子的變化。

圖 15. 不同通道類型努塞爾特?cái)?shù)的比較。

圖 16. 不同通道類型范寧摩擦因子的比較。

結(jié)論

本研究以自然界中河流彎道上形成的河島為靈感，提出了一種新型自然通道換熱器。該設(shè)計(jì)有效解決了鋸齒形通道中流動阻力大的問題，同時保持了較高的傳熱效率。該換熱器與一臺對比的鋸齒形通道換熱器均采用3D打印技術(shù)制造。開展了高溫空氣-空氣流動與傳熱實(shí)驗(yàn)，比較了兩種換熱器在不同流量和入口溫度條件下的流動和傳熱性能。獲得了兩種換熱器的傳熱和摩擦因子關(guān)聯(lián)式，并將其性能與不同類型的換熱器進(jìn)行了比較。研究得出以下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)的鋸齒形通道換熱器相比，自然通道換熱器的傳熱性能略有提高，平均傳熱速率提高了1.5%。自然通道換熱器的壓降顯著降低，平均降低了34.85%。自然通道在保持傳熱性能的同時，顯著降低了流動阻力。

(2)獲得了矩形截面鋸齒形通道換熱器和仿自然通道換熱器的整體傳熱和摩擦因子關(guān)聯(lián)式。隨著雷諾數(shù)的增加，兩種換熱器的努塞爾特?cái)?shù)均增加，范寧摩擦因子降低。然而，仿自然通道換熱器的努塞爾特?cái)?shù)略高，范寧摩擦因子低得多。這主要是因?yàn)樵谛滦头伦匀煌ǖ赖墓战翘幵黾恿艘硇统崞行У鼐徑饬肆鲃臃蛛x、再附著和碰撞造成的阻力。翼型翅片增加了對流換熱面積，有效利用了拐角處的強(qiáng)化傳熱，使其努塞爾特?cái)?shù)高于傳統(tǒng)的鋸齒形換熱器。

(3)將仿自然通道換熱器與五種常見通道類型進(jìn)行了比較。在相同傾斜角度下，新型仿自然通道更具優(yōu)勢，具有更高的努塞爾特?cái)?shù)和更低的范寧摩擦因子。與傾斜角度較小的通道相比，自然啟發(fā)式通道的努塞爾特?cái)?shù)比傾斜角度為15°的通道高出59%。自然啟發(fā)式通道可以顯著提高換熱器的功率密度，或大幅降低其泵送功率。這兩項(xiàng)改進(jìn)均可有效提升系統(tǒng)效率。

本文參考來源：

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