3D打印一次表面换热器流动换热性能试验研究

张声宝 ，郭之强 ，郑 梅 ，董 威 ，于 霄

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

作为间壁式换热器的1种形式，一次表面换热器（Primary Surface Heat exchanger，PSHE） 具有紧凑和高效的特点，较其他形式有很明显的优势。随着3D打印技术日益成熟，加工结构更加复杂精细的PSHE成为可能，这使PSHE在应用中得到更多关注。近年来，有学者提出可以将PSHE应用于航空发动机系统的热管理中，以提高发动机性能。

国内外学者针对一次表面换热器的理论热力设计、数值模拟和试验开展了大量的研究。王斌等[1]提出适用于PSHE的瞬态温度变化物理模型和数学方程式。刘振宇等[2]开发了以流道几何参数和流速为自变量，以换热器质量、传热系数和压力损失为因变量的PSHE优化设计程序。Min等[3]提出燃气轮机中间冷器与回热器的设计方法。王巍等[4]基于场协同理论，计算和分析正弦波截面通道PSHE在不同流动交错角和宽高比下的流动和换热性能。Stasiek等[5]利用Harwell-Flow3D的不同算法，对比不同结构和雷诺数下的PSHE的性能。Vijaya等[6]利用CFX研究波纹板间距对紧凑焊板式PHSE性能的影响。Blomerius等[7]数值模拟了PSHE在层流和过渡流状态下的性能，得到的结论是45°叉流角度对应的流动换热性能最好。Sunden等[8]对比了多种不同结构的PSHE的换热性能和制造难度，结果显示CC型PSHE的换热性能较理想且更易制造。Ciofalo等[9]通过数值模拟和试验，发现当叉流角度在中等范围内时，PSHE的换热能力大幅增强，而压力损失无显著增加。Kanaris等[10]利用响应面法优化PSHE设计，并提出关于换热器努塞尔数和摩擦系数的关系式。Focke等[11]通过试验分析波纹板交错角度换热器性能的影响，提出对PSHE的优化设计方案。杨静等[12]通过试验研究，修正了当量直径为1 mm的PSHE相关准则式。程惠尔等[13]通过试验对比不同通道形状的PSHE的性能，发现通道尺寸比通道形状对PSHE性能的影响更大。聂嵩等[14]通过试验研究了流量变化对PSHE流动阻力和换热性能的影响。在结构创新方面，Kim等[15]提出双波纹CC型结构PSHE，通过在波纹板表面增加二次波纹，进一步增加流体的扰动，从而增强换热。

文献中对复杂结构的PSHE的流动换热性能的试验研究较少，特别是针对叉流PSHE的试验研究更少，对其流动换热特点不甚了解。本文借助3D打印技术设计并加工了5个不同叉流角度的钛合金PSHE，其当量直径为1～2 mm。在上海交通大学的航空紧凑换热器试验台上开展了3D打印的PSHE试验研究，分析了叉流角度和通道大小对PSHE的气体流动和换热的影响。试验结果表明，叉流角度越大，PSHE的换热能力越强，热气压降越大；小通道PSHE的换热能力强于大通道PSHE，但热气压降更大；相对于叉流角度，通道大小对PSHE流动和换热的影响更大。基于以上特点，本文对试验数据进行拟合，提出了考虑叉流角度的PSHE的热气压降相关经验公式，总结了换热系数与通道大小之间的关系。

1 一次表面换热器模型参数

试验所用的一次表面换热器芯体的传热表面波纹板片采用一定角度交错的叠落方式，芯体通道采用类椭圆形的波纹形式，其结构如图1所示。采用椭圆形通道主要是考虑该形状能使通道结构轮廓在各拐点处都比较光滑，有利于减少气体压力损失。

针对3D打印的3个大通道一次表面换热器（叉流角度分别为15°、30°和45°）和2个小通道一次表面换热器（叉流角度分别为0°和15°）开展流动换热性能试验研究。叉流角度为冷流体和热流体在换热器内部流动方向所成角度θ如图2所示。

图1 一次表面换热器芯体通道

图2 一次表面换热器内热流体和冷流体流动

表1 大、小通道换热器芯体尺寸

大通道和小通道的截面参数尺寸见表1。其尺寸是根据刘荫泽等[16-17]基于效率-传热单元数法编写的换热器设计程序，结合一系列设计工况点下的性能要求而设计。冷气通道流过的是发动机外涵气体，为了避免引起外涵压降过大，所设计的大通道换热器和小通道换热器的冷气通道的当量水力直径保持一致，均为2.22 mm，大通道换热器和小通道换热器的主要区别在于热侧的当量水力直径不同，分别为1.10、0.86 mm。

在传统加工工艺中，一次表面换热器主要生产技术是将1卷金属薄板轧成具有特定角度的波纹板表面，轧制完成后在波纹薄板的4个面上加上封条，将若干块带有封条的波纹薄板按一定的角度堆叠，相邻薄片通过焊接固定以防止泄漏，从而形成相互分隔的冷热流体通道。3D打印技术可以将换热器芯体与流体进出口结构一体化设计加工，同时针对复杂的芯体结构进行加工，缩短加工研制周期。试验用的5个钛合金一次表面换热器均采用3D打印技术一体化生成，即将换热器的芯体与其进出气及集配气系统一次性打印生成，如图3所示。其内部冷热流体通道设计如图4所示。

图3 一次表面换热器3D打印成品

图4 一次表面换热器内部流体通道

2 试验系统及参数测量

试验在上海交通大学的航空紧凑换热器试验台上开展，该试验台主要由冷热气供气系统、加热系统、稳定段和试验段组成，如图5所示。在试验中，将一次表面换热器放置于试验段中，将特定温度和压力的冷气和热气同时分别引入冷气和热气通道中换热。在试验段前后分别连接1段长500 mm的稳定段，以使流进和流出试验段的冷气流场稳定，保证稳定的试验段进出口流体的温度和压力参数。在供气系统方面，冷气的气源由2台并联的功率为4.3 kW的高压风机提供，经过1个集气腔和1段稳定段后进入试验段换热；热气由空压机及储气罐提供，压缩空气经冷干机干燥并调节压力，经过2台串联的加热器加热后进入一次表面换热器中换热。试验中采用的加热系统通过PIC控制柜控制2台满载加热功率为35 kW的加热器的启动及运行功率，将热气流加热到不同温度。试验时热气的不同压力通过冷干机后设置的压力调节阀实现；冷气端的压力调节则通过位于冷气出口段的蝶阀实现。

图5 一次表面换热器试验台

为分析一次表面换热器的流动和换热特性，试验中需要采集的主要数据有换热器冷、热气进出口温度、压力和流量。试验中使用多孔平衡流量计测量冷气路的流量，热气路的流量则用热式流量计测量。试验中共有5支PT100温度变送器，其中4支用于测量冷、热气的进口及出口温度，1支用于测量平衡流量计的温度补偿值；同样有5支压力变送器用于测量试验中各部位流体的压力：4支用于测量冷、热气的进出口压力，1支用于测量平衡流量计的压力补偿值。用于测量换热器冷气的进、出口温度和压力的变送器均放置于稳定段中流场较为稳定的位置，试验段前传感器放置于靠近试验段的位置，试验段后传感器放置于离试验段较远的位置。

3 试验参数

为探究叉流角度、热气流速、通道大小等因素对一次表面换热器流动特性和换热能力的影响，试验中对3个大通道换热器、2个小通道换热器进行4种不同热气来流温度、4种不同热气流量组合的试验测试，即每个PSHE要测量16种工况。测量参数见表2，冷气流量固定为85 kg/h，冷气入口温度为42℃。每组试验的时间为5 min，当控制柜上温度和压力等示数稳定时，记录相应试验数据。

表2 试验参数设置

4 一次表面换热器性能试验结果

试验设置不同的换热器的热气进口温度及流量，测得这些工况下换热器热气出口温度及压力、冷气出口温度及压力等参数，通过对各参数进行处理以分析其对一次表面换热器换热能力及流阻特性的影响。换热能力用换热器换热系数K（W/m2/K）衡量，流阻特性用工质进、出口压差ΔPh（bar）表示。分析各因素对换热器性能的影响时，将大通道和小通道换热数据分开进行。

式中：Q为热流体的散热量，也可以用冷流体的吸热量计算；cp为热流体定压比热容；th，in为热气入口温度；th，out为热气出口温度；A为换热器内部的换热总面积；Δtm为热流体与冷流体逆流换热时的平均温差；Φ为平均温差修正系数，当冷热流体叉流换热时，换热器的平均温差需要通过Φ对相同条件下的逆流换热的平均温差修正得到，Φ的数值取决于无量纲参数P和R，P和R值可以在《传热学》[18]的图表中得到。

4.1 换热系数影响因素分析

不同热气入口温度th，in下5个换热器的换热系数K随质量流量的变化如图6～9所示。

图6 th，in=60℃时，各换热器的换热系数对比

图7 th，in=80℃时，各换热器的换热系数对比

图8 th，in=100℃时，各换热器的换热系数对比

图9 th，in=120℃时，各换热器的换热系数对比

从图6～9中可见，叉流角度30°小通道换热器的换热系数试验数据存在波动，具体原因有待进一步分析。对于大通道换热器，随着叉流角度的增大，换热系数K不断增大；对于小通道换热器，30°叉流角度对应的换热系数大于0°换热器的。在叉流角度均为30°的情况下，小通道换热器的换热系数显著大于大通道换热器的，在绝大多数工况下，30°小通道换热器的换热系数要大于45°大通道换热器的，表明通道大小对换热系数的影响程度大于叉流角度对其的影响程度。

图10 th，in=60℃时，各换热器的热气侧压降对比

4.2 压力损失影响因素分析

不同热气入口温度th，in下5个换热器的热气压力损失ΔPh随质量流量的变化如图10～13所示。

图11 th，in=80℃时，各换热器的热气侧压降对比

图12 th，in=100℃时，各换热器的热气侧压降对比

图13 th，in=120℃时，各换热器的热气侧压降对比

从图10～13中可见，不管对于大通道还是小通道换热器，随着叉流角度的增大，热气侧压降呈递增的趋势。同时，通道大小对热气侧压降的影响十分显著：叉流角度同为30°时，小通道换热器的热气侧压降明显大于大通道换热器的，甚至在大多数工况中，30°小通道的热气侧压降还大于45°大通道换热器的；并且当换热器入口热气温度较高时（100℃和120℃），0°小通道换热器在某些流量下的热气侧压降会大于叉流角度为15°和30°的大通道换热器的，说明在压力损失方面，通道大小对换热器性能的影响程度也大于叉流角度的影响程度。

5 一次表面换热器试验数据拟合

根据上节压降ΔPh的特点，进行试验数据拟合，得到ΔPh与热气参数之间的关系式为

式中：B为换热器与冷气状态参数相关的参数，在试验中的单一冷气状态下，该值为10。

式（5）中反映的参数之间的关系为：热气当量直径de1越小，叉流角度θ越大，热气压降ΔPh越大。拟合值与试验值之间的对比如图14～18所示，在多数工况下，二者相差不到5%。

图14 0°小通道换热器热气压降的拟合值与试验值对比

图15 15°大通道换热器热气压降的拟合值与试验值对比

图16 30°小通道换热器热气压降的拟合值与试验值对比

图17 30°大通道换热器热气压降的拟合值与试验值对比

图18 45°大通道换热器热气压降的拟合值与试验值对比

在对换热系数K进行试验数据拟合时，未发现明显的数学关系式。通过对照16个工况点下的换热系数，发现30°大通道PSHE与30°小通道PSHE的传热系数比值与通道大小比值之间的关系为

式中：K30、K'30分别为30°大、小通道PSHE的换热系数；de30、d'e30分别为30°大、小通道 PSHE的热气通道当量直径。

6 结论

（1）不论大通道还是小通道一次表面换热器，随着其叉流角度的增大，冷热流体在换热器流动通道中的扰动不断增强，换热器的换热能力逐渐提高，压降增大。

（2）针对所研究的外涵冷气通道具有相同的当量水力直径的热侧大小通道一次表面换热器，热侧通道当量水力直径大小的改变对换热器换热性能的影响非常显著。小通道换热器内流体在流动单元中的热流体流速较快，扰动更为剧烈，有利于冷热流体的热量交换，因此其换热能力强于大通道换热器的，叉流角度较小（30°）的小通道换热器的换热能力甚至强于叉流角度较大（45°）的大通道换热器的。同时热气在通过小通道换热器后的压力损失也更大，叉流角度较小的小通道换热器热气侧压降在多数工况下大于叉流角度较大的大通道换热器的。因此，与换热器冷热流体的叉流角度相比，换热器的流体通道大小对换热器性能的影响更大。

（3）结合试验数据拟合了热气压降与热气参数及换热器叉流角度之间的关系式；针对不同叉流角度一次表面换热器的换热系数K，从实现数据上未发现明显的数学关系式；通过试验总结了叉流角度为30°的大、小通道一次表面换热器的换热系数K与通道当量直径大小之间的关系。