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圖/文：陳俊霖 韓增孝 郭江峰
濕空氣透平(HAT)循環是新型先進熱力循環最具代表性的研究方向之一。回熱器作為提高HAT循環效率的關鍵部件之一，對循環效率和成本的影響最大。微通道結構回熱器在質量、體積和換熱性能等方面均表現出突出的優勢，開展兆瓦級HAT 循環技術的新型高效低阻緊湊式微通道回熱器換熱機理研究，是化石能源清潔高效可持續開發利用的重要組成部分，有助于實現“碳達峰、碳中和”的國家戰略目標。
綜合國內外的研究表明，微通道結構PCHE回熱器中，帶有翼型翅片的PCHE具有最優的流動換熱性能。研究團隊在原有翼型翅片的基礎上加以改進，提出了綜合性能更優的結構，因此將帶有新型翼型翅片的PCHE應用于濕化燃機循環回熱器是一個很好的選擇。研究人員采用數值模擬方法，開展了新型翼型流道、傳統翼型流道和之字形流道綜合流動換熱性能的比較研究，基于場協同原理對新型翼型流道的強化換熱機理進行了分析。研究發現，新型翼型流道的火積耗散數和歐拉數比傳統翼型流道小，具有更好的熱工水力特性。基于實驗和數值模擬結果，獲得了新型翼型流道內含濕煙氣流動傳熱關聯式(見圖1)。
圖1 新型翼型流道內含濕煙氣流動傳熱關聯式
濕工質中的含濕量顯著影響微通道回熱器的換熱性能，為了分析含濕量的定量影響，研究人員構建了翼型-直通道新型耦合流動換熱單元三維數理模型，討論了含濕量、流量和溫度等因素對耦合換熱的影響規律，對比了翼型結構與直通道、之字形結構的綜合流動換熱性能。研究表明，增加含濕量可以提高高壓空氣的整體流動換熱特性；在等泵功的條件下，交錯排列的翼型翅片相比較于直通道和之字形通道具有最好的熱工水力特性。基于干工質經驗關聯式，引入含濕量強化換熱因子，建立了高溫含濕煙氣和高壓濕空氣流動換熱特性與含濕量的定量關聯式，定量描述了含濕量對傳熱和壓降特性的影響規律(見圖2)。
圖2 高壓濕空氣流動換熱特性與含濕量的定量關聯式
以上關聯式的獲得，為濕化燃機回熱器的性能預測模型建立奠定了基礎，為最終濕化燃機循環性能整體分析及優化提供了重要的技術支撐。
本研究得到兩機重大專項基礎研究(2017-I-0009-0010)支持。相關研究成果已經在Applied Thermal Engineering期刊上發表(APPL THERM ENG 188 (2021) 116620 & 192 (2021) 116939)。
原標題：濕空氣循環微通道回熱器內含濕工質流動傳熱特性研究進展
