阅读说明：本技术 印刷电路板式回热器及布雷顿循环系统 (Printed circuit board type heat regenerator and Brayton cycle system ) 是由 肖刚 纪宇轩 倪明江 岑可法 骆仲泱 于 2019-04-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种印刷电路板式回热器,包括换热核心以及外接管路,外接管路至少包括冷流体进口、冷流体出口、热流体进口和热流体出口；换热核心包括换热板片,以及用于封装的顶板和底板；换热板片为单面刻蚀有多个流动通道,流动通道包括多个弯折单元,并且弯折单元为梯形。采用上述的设计方式能够减小换热板片的尺寸,从而有效地减小印刷电路板式回热器的体积。并且,流动通道弯折成多个梯形使得印刷电路板式回热器的内部流动混乱程度增加,从而具有更大的换热系数,并增大了换热板片的换热面积,从而提高印刷电路板式回热器的回热效率。(The invention relates to a printed circuit board type heat regenerator, which comprises a heat exchange core and an external pipeline, wherein the external pipeline at least comprises a cold fluid inlet, a cold fluid outlet, a hot fluid inlet and a hot fluid outlet; the heat exchange core comprises heat exchange plates, a top plate and a bottom plate for packaging; the heat exchange plate is provided with a plurality of flow channels etched on a single surface, each flow channel comprises a plurality of bending units, and each bending unit is trapezoidal. By adopting the design mode, the size of the heat exchange plate can be reduced, so that the size of the printed circuit board type heat regenerator is effectively reduced. And, the flow channel is buckled into a plurality of trapezoids and is made the inside of printed circuit board formula regenerator flow chaotic degree increase to have bigger heat transfer coefficient, and increased the heat transfer area of heat transfer plate, thereby improved printed circuit board formula regenerator's backheat efficiency.)

印刷电路板式回热器及布雷顿循环系统

技术领域

本发明涉及换热设备领域，具体而言涉及一种印刷电路板式回热器以及布雷顿循环系统。

背景技术

21世纪以来，能源危机越来越成为全世界共同关注的问题。开发利用清洁能源和发展可再生能源技术已成为缓解世界能源问题的必要举措。在太阳能、地热能、核能等能源的利用过程中，采用具有优异的热量传输和能量转换特性的工作介质是提高发电效率的关键手段之一。

超临界二氧化碳(S-CO₂)是近年来动力循环系统领域研究的热点，作为一种能量传输和动力转换的工质，超临界二氧化碳具有以下优势：1)临界温度和压力参数低，容易达到超临界状态，便于工程应用；2)密度较常规气体大两个数量级，做功能力强；3)临界点附近密度大、压缩性好，减少外部耗功，系统循环效率高；4)系统设备结构紧凑、体积小，减少设备投资；5)无毒、不可燃、性质稳定、廉价易得。

由于超临界二氧化碳在不同温度范围内的热物理性质差异较大，为提高系统效率，通常需要配合回热设备。传统的管壳式回热器存在比表面积小、换热效率不高、设备体积庞大以及承受高压性能差等问题。为满足超临界二氧化碳系统回热量大、结构紧凑以及温度压力较高等要求，需要开发新型的高效紧凑式回热器。

印刷电路板换热器通过刻蚀技术，在金属板上刻出微小的流动通道，其通道当量直径一般在几十微米至几个毫米范围内。在相同体积下，印刷电路板换热器极大地提高了换热面积，因此具有优异的换热性能。另外，板片之间通过扩散焊接形式结合，焊缝强度高，可以满足超临界二氧化碳系统高温高压的要求。

目前已有的印刷电路板换热器，流动通道多以直线型为主，换热器内流动状态相对简单，换热效果有待进一步提升。而一部分新型的Z字形和S形流动通道结构，虽然改变了流过流动通道的循环工质的流动状态，通过产生旋流和二次流来强化换热，但由于单位流量的换热面积不高，因此回热器的出口参数不够理想，整体回热效果不佳。另一方面，考虑到超临界二氧化碳在较大温度范围内和不同压力条件下特殊的热物理性质变化，还需要在回热器的整体设计上作出针对性设计和优化，这是目前已有的回热器未能实现的。

本发明的目的是提供一种印刷电路板式回热器以及使用了该回热器的雷顿循环系统，从而解决现有技术中存在的上述问题。

本发明提供一种印刷电路板式回热器，适用于超临界二氧化碳环境，包括换热核心以及外接管路，外接管路至少包括冷流体进口管、冷流体出口管、热流体进口管和热流体出口管；换热核心包括换热板片，以及用于封装的顶板和底板；在换热板片的一侧面上设置有流动通道，流动通道包括多个连续的弯折单元；弯折单元包括：第一弯折部、第二弯折部以及直流段，第一弯折部和第二弯折部朝向彼此倾斜，并通过直流段连接在一起；流动通道的弯折单元形成为梯形，第一弯折部与第二弯折部为梯形的两条腰，直流段为梯形的上底。

相较于现有技术而言，本发明中的换热板片的设计方法有利于减小换热板片的尺寸，从而有效地减小印刷电路板式回热器的体积。并且，流动通道弯折成多个梯形使得印刷电路板式回热器具有更大的换热系数，增大了换热板片的换热面积，从而提高印刷电路板式回热器的回热效率。

作为优选，冷流体进口管和热流体出口管布置于换热板片的同一侧边，冷流体出口管和热流体进口管布置在换热板片的另一侧边；其中，与冷流体进口管和冷流体管道连通的换热板片为冷板，与热流体进口管和热流体出口管连通的换热板片为热板。

通过将冷流体进口管和冷流体出口管以及热流体进口管和热流体出口管与不同的换热板片连通，使得换热板片分为冷板和热板。通过冷板和热板之间的热量交换，使得布雷顿循环中高温流体的能量传递给冷流体，提高布雷顿循环的系统效率。

进一步地，作为优选，热板与冷板的个数比大于1，且每个冷板的两侧至少分别设置1个热板。

通过设置冷板和热板的比例，从而确保在不同的工况下冷板和热板之间能够充分换热，降低由于冷板和热板内的循环工质的流速差异而导致的换热损失。

进一步地，作为优选，流动通道为多条设置于换热板片表面的凹槽，凹槽的截面形状为半圆形。

当换热板片组合到一起之后，换热板片上的凹槽与另一换热板片未设置凹槽的一面形成流动通道，并且流动通道的截面为半圆形。

进一步地，作为优选，流动通道采用化学刻蚀的方法形成，并且流动通道沿流动方向贯穿换热板片。

采用化学刻蚀的方法形成流动通道，能够通过刻蚀液在换热板片上的喷淋而刻蚀形成有多处弯折的流动通道，并且流动通道形成多个连续的梯形，从而增加流动过程中的扰动和涡旋，进而提高流动通道的换热系数，增强印刷电路板式回热器的换热效果。

作为优选，凹槽的刻蚀深度为板厚的1/2-2/3。

凹槽的刻蚀深度即流动通道截面的半径，将半圆的半径设置在换热板片的板厚的1/2-2/3之间，既能够确保流动通道内的工质流速和较大的换热面积，从而增强换热效果，又能够防止由于流动通道的孔径过小而导致的冷板和热板内的二氧化碳的流动速度差异增大，以及带来的压降损失增加等问题。更重要的是，选取上述的半径能够确保换热板片的结构强度，从而确保换热板片的使用寿命。

进一步地，作为优选，第一弯折部与直流段之间形成的夹角A的角度为120°-150°，第二弯折部与直流段之间形成的夹角B的角度为120°-150°。

由于超临界二氧化碳的流动方向和混乱程度会随着流动通道的弯折角度(即梯形的凹槽的底角)变化而变化，因此，将流动通道的弯折角度控制在30°-50°(即∠A和∠B处于120°-150°之间)的范围内，折角处的流动涡旋增加，提高换热板片的换热能力。

另外，作为优选，第一弯折部与第二弯折部形成为弧形过渡。

采用弧形过渡作为第一弯折部和第二弯折部有利于增加换热长度以及换热面积，从而提高印刷电路板式回热器的换热效果。

进一步地，作为优选，换热板片之间通过扩散焊接的形式结合在一起。

采用扩散焊接技术将换热板片接合在一起，无需其他焊接填料，并且能够确保焊缝强度可达基体强度，确保换热板片能够承受较高的温度和压力，从而使得印刷电路板式回热器能够满足超临界二氧化碳工质的温度和压力要求。

本申请还提供了一种布雷顿循环系统，循环工质为超临界二氧化碳，布雷顿循环系统内设置有上述的印刷电路板式回热器。

附图说明

图1是本发明所述的适用于超临界二氧化碳的印刷电路板式回热器的立体示意图；

图2是本发明所适用的超临界二氧化碳的物理性质图；

图3是本发明所适用的布雷顿简单循环系统的结构流程图；

图4是本发明的实施例中的印刷电路板式回热器换热核心中热板的示意图；

图5是本发明的实施例中的印刷电路板式回热器换热核心中冷板的立体示意图；

图6是本发明的实施例中弯折结构单元的示意图；

图7是本发明的实施例中的换热层单元的结构示意图。

附图标记

1a-冷流体进口管，1b-冷流体出口管；1c-热流体进口管；1d-热流体出口管；

2-换热核心，2a-换热板片；2a1-冷板；2a2-热板；

3-弯折单元；3a-第一弯折部；3b-第二弯折部；3c-直流段；

4-流动通道；4a-冷流动通道；4b-热流动通道；

5-凹槽。

具体实施方式

鉴于上述技术问题，本申请提供了一种印刷电路板式回热器及布雷顿循环系统。

实施例一

在本实施例中，以循环工质为超临界二氧化碳的布雷顿循环为例，对印刷电路板式回热器的结构等进行说明。

首先，需要说明的是：二氧化碳的临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.38MPa，而水的临界温度和临界压力分别为374.14℃和22.12MPa，显然二氧化碳更容易达到超临界状态。在临界温度附近，参见图2所示，二氧化碳的物理性质会随其温度和压力发生剧烈的变化。可以看到，在临界点处二氧化碳的密度、导热系数、黏度急剧下降，而定压比热容显著升高。另外，超临界二氧化碳在密度、黏度和热扩散率方面都更加接近于液态。

其次，布雷顿循环(Brayton Cycle)是典型的热力学循环，包括两个等压和两个绝热过程(即，绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却四个过程)，工质在循环中不发生相变。通常布雷顿循环存在压缩功耗高、排气热损失大、部分负荷时效率低等不足。而在以超临界二氧化碳为循环工质的布雷顿循环中，由于在冷板接近临界点，使得二氧化碳发挥优秀的压缩和换热特性，可以降低压缩机耗功，提高冷却器、回热器内换热系数，因而具有较高的循环效率。

图3示出的是简单布雷顿循环系统流程图。超临界二氧化碳在热源处吸收能量，变为高温高压的循环介质，进入透平设备。在透平设备中，超临界二氧化碳膨胀做功，带动发电设备对外输出电功，自身温度降低，压力减小，流向回热器。在回热器中，超临界二氧化碳的温度进一步降低，通过换热将其能量传递给冷板的二氧化碳，达到能量回收利用的目的。换热后的超临界二氧化碳经冷却器冷却至临界点温度附近后，送入压缩机。经压缩机压缩升压后，二氧化碳重新获得较高压力，经过回热器升温后，再次回到热源处吸热，完成一次系统循环。

在循环过程中，回热器连接循环系统的高温部分和低温部分，是实现热板工质能量回收和冷板工质升温预热的主要设备。在工业应用中，对提高系统效率和系统经济性具有至关重要的作用。

本领域技术人员能够理解的是，只要将工业应用中的动力循环系统，如火力发电蒸汽朗肯循环系统、核电循环系统、燃气布雷顿循环系统等，设备中的回热器替换为本发明的印刷电路板式回热器，更具体地将换热板片流动通道结构设计为梯形或基本为梯形，均属于本发明意图提出的发明构思。在本说明书中提出的印刷电路板式回热器的例子仅仅作为示意性举例，用于说明本发明回热器及使用该回热器的超临界二氧化碳布雷顿循环系统可能的实现方式，而不应理解为是对发明保护范围的限制。

在本实施例的印刷电路板式回热器中，流动通道是起到换热作用的核心。这些流动通道的直径小，且形成有大量的弯折单元，使得超临界二氧化碳在其中流动时具有较高流速。并且，当超临界二氧化碳流动到弯折处时能够产生更多涡旋，使得流动通道内的超临界二氧化碳的流动更加紊乱，从而达到强化换热的效果。

本发明的目的是提供一种印刷电路板式回热器以及使用了该回热器的雷顿循环系统，从而解决现有技术中存在的上述问题。

本发明提供的印刷电路板式回热器，参见图1和图6所示，适用于超临界二氧化碳环境，包括换热核心2以及外接管路。外接管路至少包括冷流体进口管1a、冷流体出口管1b、热流体进口管1c和热流体出口管1d。换热核心2包括换热板片2a以及用于封装的顶板和底板；换热板片2a为导热性良好的金属板；并且，在换热板片2a的一侧面上均设置有流动通道4，流动通道4包括多个连续的弯折单元3，循环工质能够通过流动通道4流通。

并且，参见图4和图5所示，冷流体进口管1a和热流体出口管1d布置于换热板片2a的同一侧边，冷流体进口管1b和热流体进口管1c布置在换热板片2a的相对的另一侧边。与冷流体进口管1a和冷流体出口管1b连通的换热板片2a为冷板2a1，与热流体进口管1c和热流体出口管1d连通的换热板片2a为热板2a2。并且，在冷板2a1上，冷流体进口管1a和冷流体出口管1b通过流动通道4连通；在热板2a2上，热流体进口管1c和热流体出口管1d通过流动通道4连通。其中，冷板2a1中流过的循环工质的温度低于热板2a2中流过的循环工质的温度。

并且，在本实施例中的换热片板2a上，流动通道4为设置于换热板片2a的一侧表面上的凹槽5，且所述凹槽5的截面形状为半圆形。

当多个换热板片2a层叠组合到一起后，换热板片2a上的凹槽5与另一换热板片2a未设置凹槽5的一面形成流动通道4，并且流动通道4的截面为半圆形。当然，半圆形只是本发明中的流动通道4的一种截面形状，在本发明的其他实施例中，流动通道4的截面还可以为其他形状，如弧形或圆角矩形等。

进一步地，在本实施例中，流动通道4采用化学刻蚀的方法形成，并且流动通道4沿流向贯穿换热板片2a。

采用化学刻蚀的方法形成流动通道4，能够通过刻蚀剂在换热板片2a内的流动刻蚀形成有多处弯折的流动通道4，并且流动通道4形成多个连续的梯形，从而提高流动通道4的换热系数，进而增强印刷电路板式回热器的换热效果。

进一步地，为了强化换热效果，凹槽5的刻蚀深度为换热板片2a的板厚的1/2-2/3。在本实施例中，以换热板片2a的厚度为1.5mm、流动通道4的截面为半圆形为例，则流动通道4的半径为0.75mm-1mm。

此外，在本实施例中，第一弯折部3a与第二弯折部3b形成为弧形过渡(未图示)。采用弧形过渡作为第一弯折部3a和第二弯折部3b有利于增加换热长度以及换热面积，从而提高印刷电路板式回热器的换热效果。

具体来说，在本实施例中，流动通道4包括多个弯折单元3，并且弯折单元3的形状为梯形。其中，弯折单元3包括第一弯折部3a、第二弯折部3b以及直流段3c，第一弯折部3a与第二弯折部3b为梯形的两条腰，直流段3c为梯形的上底。与现有的S形流动通道4和Z形流动通道4相比，在一个弯折单元3内，本申请中的流动通道4具有的弯折数量更多、弯折程度更高，因此更有利于循环工质在流动时形成涡旋和二次流，从而强化换热效果。

进一步地，本发明的发明人发现，流动通道4的换热系数不随换流动通道4的长度发生改变，但改变梯形的弯折单元3的特征参数，可以影响流动通道4的换热效果，具体模拟过程如下。

具体来说，在相同的质量流量下，并且流动通道4的入口雷诺数相同时，改变流量通道的长度(即流动通道4所包含的弯折单元3的个数)后，本实施例中的印刷电路板式回热器的换热系数基本维持恒定，而不随换热段长度发生变化。模拟条件如下。

流动通道截面：半圆形，直径1mm；冷热通道间距：0.5mm。

梯形弯折单元：周期：10mm；梯形底角：45°；梯形上底：3mm；梯形下底：5mm；梯形高：1mm。

流动通道长度：270mm；350mm；430mm；510mm。

流动通道质量流量：1.45×10^-3kg/s；9.63×10^-4kg/s；7.23×10^-4kg/s；5.78×10^{- 4}kg/s；4.82×10^-4kg/s；

这里的质量流量是代表某一个流动通道4内的质量流量，其选取依据是，保持回热器总流量恒定，通过改变冷板2a1和热板2a2上的流动通道4数量，得到不同的单通道质量流量。

首先，选取某一固定流动通道长度，如270mm，分别在不同的冷板2a1和热板2a2进口流量条件下进行流动和换热的数值模拟，得到流动通道4出口的温度。这里假设热板2a2超临界二氧化碳的热量全部传输到冷板2a1，并被冷板2a1临界二氧化碳吸收，即忽略两端之间固体的导热损失，认为换热量全部由对流换热形式完成。根据换热公式：

Q_conv＝hA(T_hot,bulk-_cold,bulk)；

可以计算得到不同流量下的对流换热系数h。这里，Q_conv，T_hot,bulk，T_cold,bulk，A，分别是换热量(W)，热流体平均温度(K)，冷流体平均温度(K)，换热面积(m²)，可在数值模拟软件内直接读出。最小流量对应的对流换热系数约为800W/(m²·K)，对应雷诺数11000；最大流量对流换热系数约为1500W/(m²·K)，对应雷诺数34000。随后，改变所选流动通道长度，每次增加8个梯形的弯折单元，重复上述数值模拟。结果发现，对于同一质量流量或入口雷诺数，不同流动通道长度下的对流换热系数基本保持不变。

上述模拟结论为本发明的实际应用提供了依据。在回热器理论设计过程中，可以根据所需回热量对流量和回热器几何尺寸进行匹配，从而满足不同系统等级的回热器需求。

本发明的发明人还发现，合理地调节梯形的弯折单元3的特征参数，例如梯形的弯折单元3的上底段(直流段3)长度、梯形底角，可以带来换热系数的变化，从而使得印刷电路板式回热器获得更高的换热能力。对本发明而言，由于冷板2a1一侧超临界二氧化碳密度较大，在相同的质量流量下其流动速度较低，为了提高冷板2a1的换热效果，即可采用本实施例改变弯折单元3的直流段3c和底角的大小的方式进行设计。数值模拟研究过程如下。

梯形底角：30°；35°；40°；45°；50°。

梯形直流段3c长度：1.5mm；2.0mm；2.5mm；3.0mm。

流动通道质量流量：1.45×10^-3kg/s。

流动通道截面形状和梯形高保持不变。

首先选取某一底角度数，进行梯形直流段3c长度的对比模拟。在本实施例中，先选取梯形底角为45°，直流段3c长度梯度增加0.5mm，保持流动25弯折单元3。结果表明，直流段3c长度越短的模拟工况，其换热系数越大。其中，直流段3c的长度为1.5mm时，其换热系数可以达到1673W/(m²·K)；而当直流段3c长度增加至3mm时，其换热系数只有1490W/(m²·K)，两者相差约180W/(m²·K)。造成上述现象的原因在于，由于直流段3c长度减少会使得直流段3c前后的弯折处流动紊乱程度增加，因此能够提高印刷电路板式回热器的换热能力。

随后选取适当的直流段3c长度，改变梯形底角进行模拟。在本实施例中，以选取直流段3c长度为3.0mm的梯形弯折单元3进行说明。梯形底角从30°梯度增加至50°。模拟结果显示，弯折单元3中，梯形底角越大，换热系数越大。当梯形底角为50°时，换热系数达到1567W/(m²·K)，而底角为30°时，换热系数为1347W/(m²·K)，相差220W/(m²·K)。造成上述现象的原因在于，由于底角增大后，超临界二氧化碳的流动弯折程度更大，在折角处的流动涡旋增加，因此能够改善换热效果。

根据上述模拟结论，本发明应对不同的使用需求，在质量流量恒定的情况下，可以通过增加梯形底角和较小梯形直流段3c长度来强化换热。

面对不同的工况，本实施例中的印刷电路板式回热器可以改变自身的弯折单元3的参数以适应不同的需求。

与比以往的直线型流动通道、S型流动通道以及Z型流动通道等相比，本实施例中的梯形弯折单元3的流动通道的弯折程度更高，流动更加混乱，因此，在闭式循环系统中，更需要对本发明的压降损失进行优化。

具体来说，在实际工程应用中，特别是超临界二氧化碳布雷顿循环这样的闭式循环系统中，对系统压降损失有较高的要求，通常需要将压降损失控制在整个系统最高运行压力的0.5％左右。对于系统中的印刷电路板式回热器而言，特别是冷板2a1，压降损失应尽可能减小，从而确保循环介质在保持较高压力参数的前提下进入涡轮透平。

在本实施例中，由于流动通道4结构微小，弯折较多，流动紊乱程度较高，因此压降损失比传统回热器大出许多。

进行优化的数值模拟研究过如下。

梯形底角：30°；35°；40°；45°；50°。

梯形直流段长度：1.5mm；2.0mm；2.5mm；3.0mm。

流动通道质量流量：1.45×10^-3kg/s。

流动通道的截面形状和梯形高保持不变。

首先选取某一底角度数，进行梯形直流段3c长度的对比模拟。在本实施例中，先选取底角的角度为45°，直流段3c长度梯度增加0.5mm，保持流动25个弯折单元3为初始工况。结果显示，随着直流段3c长度越大，流动的压降损失越小。在直流段3c长度为3.0mm时，本发明的冷板2a1压降损失为42.6kPa，热板2a2压降损失为154.8kPa，其中，热板2a2损失更多的原因是：在相同的质量流量下，高温超临界二氧化碳的密度较小，因此热板2a2的流动速度是冷端的8倍，导致压损也较大。在长度为1.5mm时，冷板2a1压降损失为57.8kPa，热板2a2压降损失为238.3kPa，明显升高，且热板2a2升高更多。因为直流段3c长度较大时，在折角处产生的涡旋可以在直流段3c内得到一定的流动稳定，而随着直流段3c的长度减小，这种流动稳定也逐渐减少，因此造成了更多的压降损失。

随后选取适当的直流段3c长度，改变梯形底角进行模拟。在本实施例中，选取3.0mm梯形直流段3c，梯形底角从30°为初始工况，随后梯形底角每次增加5°，直至梯形底角为50°。模拟结果显示，随着梯形底角越大，压降损失也越大。当梯形底角为30°时，冷板2a1压降损失为23.6kPa，热板2a2压降损失为80.4kPa，而当底角增大到50°时，冷板2a1压降损失变为49.3kPa，热板2a2压降损失变为192.4kPa，与底角为30°时相比，冷板2a1和热板2a2的降压损失均升高了一倍以上。

随着梯形底角的增加，降压损失增强的原因在于：当梯形的底角增大时，对于流动通道4内的流体而言，在折角处的弯折角度在逐渐变小，例如在梯形底角为30°时，流动折角为150°，而当梯形底角为50°时，流动折角减小为130°，折角越小，对流动方向的改变越大，产生的漩涡和压力损失也就越多。

因此，根据上述模拟结论，当本实施例中的印刷电路板式回热器应用于对压降损失要求较严格的工况时，可以通过增大直流段3c的长度和减小梯形结构底角来降低压降损失。

实施例二

本发明的第二实施例是对第一实施例的进一步改进，主要改进之处在于，在第一实施例中，由于冷热两端超临界二氧化碳的密度差异较大，导致在相同质量流量下，冷板2a1和热板2a2流动速度相差8倍，因此既不利于两端的换热，也增加了热板2a2的压降损失。为此，本实施例提供了一种回热器整体的优化方案，通过冷板2a1和热板2a2的配合布置来解决上述问题。

在本实施例中，以印刷电路板式回热器两端的流量相同、均为循环的总流量，不存在旁路分流的简单布雷顿循环为例进行说明。

为了降低冷热两侧因为密度差异带来的流动速度差别，在本实施例中，参见图7所示，将热流动通道4b板片与冷流动通道4a板片采取2：1的方式进行组合，即两片热流板之间***一片冷流板，三片换热板片2a共同组成一个换热层单元。采用上述的结构，在相同的冷测流量下，热板2a2每个通道内的质量流量变为原来的一半，从而减小了冷热两侧的流速差异，使得换热更加充分。

具体地，采用数值模拟的方式进行优化模拟，模拟条件如下。

流动通道截面：半圆形，直径1mm；冷热通道间距：0.5mm。

弯折单元：周期：10mm；梯形底角：45°；梯形上底(直流段3c)：3mm；梯形下底：5mm；梯形高：1mm。

流动通道长度：270mm。

流动通道质量流量：1.45×10^-3kg/s；9.63×10^-4kg/s；7.23×10^-4kg/s。

在本实施例中，选取三组质量流量进行验证，每次选同一流量，模拟的差别即在双通道和三通道的布置。结果发现，在热通道内流速减小为原来的一半后，带来了较好的效果。

本实施例中的印刷电路板式回热器能够改善换热效果的原因在于：热板2a2流速减小后，换热更加充分，从而能够使得换热量的提升。具体地，在之前的双通道布置模拟中，270mm长度下的换热量为360W，而在三通道的布置下，相同长度的换热量为403W，提高了11％。其次，换热更加充分后，回热器出口端的参数更加接近设计所需的理想值，带来了回热度的提高，模拟结果发现，相同的工况条件下，三通道布置的回热度平均比双通道高5％-6％。最后，热通道内的流动速度降低，带来了压降损失的减小。由于流速降低明显，压降损失的减小也很显著，平均减小到原来双流动通道4布置下的四分之一。以1.45×10^-3kg/s流量下为例，双通道布置下热板2a2的压降损失为154.8kPa，而相同条件下三通道布置压降损失仅为38.4kPa。

分析模拟得到的结果，可以得出，采用三通道的布置方式对于回热器整体性能起到了很好的优化效果，既提高了换热量和回热度，又能有效减小印刷电路板式回热器的压降损失问题。

实施例三

本发明的第三实施例是对第一和第二实施例的进一步改进，主要改进之处在于，通过调节本实施例中的印刷电路板式回热器的流动通道4水力直径(与流动通道4的截面的半径有关)、板片刻蚀深度、流动通道的粗糙度等，能够对本实施例中印刷电路板式回热器的性能进行调节。

首先，在工程实践中，出于提高换热系数的考虑，希望回热器尽可能将热板2a2流体的热量换给冷板2a1流体，对于常见的逆流换热情况，冷板2a1出口的流体温度越接近于热板2a2进口，则回热器的回热度越高，回热效果越好。对于一般的流体，其热物理性质对温度和压力的变化相对较小，计算回热度时，可以直接利用进出口的温度进行计算。而对于超临界二氧化碳，由于其热物性随温度和压力的变化明显，故本实施例中，进行回热度计算时，采用进出口的焓值替换温度，即：

η＝(H_in-H_out)_max/(H_hotin-H_coldout)；

本实施例的印刷电路板式回热器，在冷板2a1和热板2a2温度压力参数分别为35℃、20MPa和500℃、7.6MPa的范围内，可实现回热度(基于焓值计算)78.5％，回热度提升重点在于提高单位质量流量的超临界二氧化碳的换热面积，可用下式表示：

A_unit＝A_total/m；

为提高A_unit的值，可串联相同的印刷电路板式回热器来延长流动方向长度，或减小单个通道质量流量，进而提高回热度η，对于本发明所述的梯形结构印刷电路板式回热器，A_unit的值每提高1m²·s/kg，回热度可提升5％。

为了控制本实施例中的印刷电路板式回热器的压降损失，本实施例根据模拟实验，提供了如下的解决办法。对于工程应用中的管壳式回热器，其流动状态较为简单，流动通道4水力直径较大，流速不高，因而压降损失的问题并不严重，而对于印刷电路板式回热器，其压降损失较为严重，特别是针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统，系统为全闭式循环，流量大，做功压力高，更需要将压降损失控制在非常低的范围内，尤其是回热器冷板2a1，经回热后直接进行吸热和做功，一般对本发明所述范围的系统，其回热器压降损失要小于0.1MPa。

影响本发明所述印刷电路板式回热器压降损失的主要因素包括流动方向长度和入口雷诺数。这两个因素与压降损失之间均表现为二次关系。以回热器冷板2a1压降损失为例，与雷诺数之间的关系可用下式进行估计：

ΔP＝1×10^-5Re²+0.1571Re-375.75；

与流动方向长度之间的关系可用下式进行估计：

ΔP＝0.1887l²-8.7258l+34624；

其中ΔP为回热器冷板2a1的沿程压降损失。需要注意的是，上述两式通过数值模拟近似估算得出，仅在一定范围内适用，如在雷诺数低于2300的层流状态下，压降损失将不能再用上述第一式估计；又如在流动方向长度较小时，梯形结构带来的旋流扰动不够剧烈，压降损失与直线型差异不大时，也无法用上述第二式的估计。

考虑到实际的印刷电路板加工制造技术，还有必要对本发明的一些工艺方法进行优化。这里主要选取流动通道4当量直径、板片刻蚀深度和流动通道4粗糙度进行说明。

对于现有刻蚀技术，印刷电路板的流动通道4直径最小可以达到50微米，最大可达2毫米。本发明的发明人通过对不同流动通道4直径进行相同边界条件的数值模拟后发现，通道直径越小时，超临界二氧化碳的流动速度越高，换热效果越好。但流动通道4的量直径的减小也会带来相应缺点，例如冷热两端二氧化碳的流动速度差异更大，压降损失增加较多(尤其是冷板2a1)。具体地，以冷板2a1为例，当通道直径由2毫米减小到1毫米时，冷板2a1压降损失由0.013MPa增大到了0.26MPa，已经严重超过超临界二氧化碳循环系统的回热器允许压降范围。推荐的通道直径为1.5-2毫米之间。

对于板片刻蚀深度，不同的刻蚀板片其厚度有所差别，本发明所研究的是厚度1.5毫米的304不锈钢板。经过对比研究发现，刻蚀深度过深时，金属板强度不高，在高温高压超临界二氧化碳系统内可靠性降低；刻蚀深度过浅时，冷热流动通道4b间的金属材料较多，导热损失增加，较小的通道截面在扩散焊接过程中挤压变形更严重，流动通道4的几何参数变化显著，不利于流动换热。推荐的板片刻蚀深度为金属板厚度的二分之一至三分之二，对于本发明所述，优选的刻蚀深度为0.75-1毫米。

有关流动通道4的粗糙度的数值模拟研究表明，改***糙度因子对回热器的回热影响并不显著。对此可以理解为，一般钢材的粗糙度为0.046毫米，而本发明所述流动通道4的水力直径较小，超临界二氧化碳在湍流状态下的层流底层厚度小于粗糙度，因而层流底层被破坏，对换热影响很小。

在本实施例中，提出了适用于本发明所述梯形结构超临界二氧化碳回热器的设计和优化方法，对主要的回热器设计参数和回热器加工制造工艺进行了优化方式的说明。为实际工程应用中不同的系统和工艺制造要求进行参数选取提供了方案。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施例的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施例作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。