一种循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器的制作方法

本发明属于印刷电路板式高效紧凑型换热器领域，涉及一种循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器。

背景技术：

超临界二氧化碳布雷顿循环是目前公认的最具潜力的先进动力循环之一。由于超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，超临界二氧化碳布雷顿循环高效发电系统可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，不需要再开发新型的高温合金，且设备尺寸小于同参数的蒸汽机组，应用前景非常好。

目前，在超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，印刷电路板换热器被普遍认为是最适用的换热器。印刷电路板换热器是一种新型高效的紧凑式换热器，是将交替布置的冷、热侧平板通过扩散焊的方式焊接在一起的换热器，其冷、热侧换热平板上的流道均为通过化学蚀刻方法得到的微小通道。在相同换热量的条件下，印刷电路板换热器的尺寸只有传统管壳式换热器尺寸的1/5～1/10。因此，印刷电路板换热器可以很好的用作超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的回热器和预冷器。

预冷器是超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的核心部件之一，它的作用是将完成回热的废气(超临界二氧化碳)进一步冷却，向环境排出废热，并将废气温度降低到压缩机入口的设计温度。而压缩机入口设计温度通常选取为入口压力对应的拟临界温度，如：入口设计压力为7.6mpa时，入口设计温度约为32℃；入口设计压力为7.9mpa时，入口设计温度约为34.2℃。这意味着由预冷器中废气到除盐水、由除盐水到循环冷却水、再由循环冷却水到环境的总换热温差非常有限，预冷器需要有足够的换热效率和庞大的换热面积才能实现工艺要求。这对预冷器的换热性能、结构设计提出了十分苛刻的要求，同时成本造价也非常高昂。

如果能够将循环冷却水直接引入预冷器冷侧通道，并克服相应的水侧微通道堵塞问题，将废气到除盐水、除盐水到循环冷却水的换热过程简化为从废气到循环冷却水的直接换热，则可以有效提高预冷器冷热两侧的换热温差，大幅降低预冷器所需的换热面积，进而显著降低预冷器的制造成本。

然而经调研，目前国内外涉及用于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中超临界二氧化碳和水换热的印刷电路板预冷器的公开成果和专利较少，更没有循环冷却水直接进入预冷器冷侧进行换热的成果。因此，还需要大量的原创性工作：首先，从超临界二氧化碳布雷顿循环的特点考虑，结合二氧化碳和水的物性变化规律，通过优化流道布置方案，确保冷、热侧通流面积设计合理，实现预冷器的高效换热；另外，合理设计冷侧换热通道，通过流道结构上的合理选型和优化布置，在降低流阻的同时，实现水侧通道的防堵塞。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器，该预冷器能够实现超临界二氧化碳的冷却，同时避免传统印制电路板预冷器水侧通道容易堵塞的问题，换热效果较好，制造成本低。

为达到上述目的，本发明所述的循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器包括若干热侧单元及若干冷侧平板，其中，各热侧单元与各冷侧平板自上到下依次交错固定连接；

所述热侧单元包括自上到下依次固定连接的热侧上部平板、加强平板及热侧下部平板，其中，热侧上部平板的下表面上蚀刻有若干第一凹槽，所述第一凹槽与加强平板的上表面围成上部换热流道，热侧下部平板的上表面上蚀刻有若干第二凹槽，所述第二凹槽与加强平板的下表面围成下部换热流道；

冷侧平板内设置有冷侧流道，其中，所述冷侧流道为仿生结构。

第一凹槽的横截面及第二凹槽的横截面均为半圆形结构。

上部换热流道及下部换热流道均为z形结构。

上部换热流道及下部换热流道均包括热侧平板入口流道、热侧平板主流道及热侧平板出口流道，其中，热侧平板入口流道经热侧平板主流道与热侧平板出口流道相连通。

热侧平板入口流道及热侧平板出口流道均水平分布，热侧平板主流道竖直分布。

相邻热侧单元与冷侧平板之间通过扩散焊相焊接，同一热侧单元内的热侧上部平板、加强平板及热侧下部平板之间通过扩散焊相焊接。

上部换热流道及下部换热流道内流通的工质均为超临界二氧化碳，冷侧平板中冷侧流道内流通的工质为循环冷却水。

冷侧平板中冷侧流道内工质的流通方向与上部换热流道中工质的流通方向及下部换热流道中工质的流通方向均相反。

冷侧流道为雨点形通道。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器在具体操作时，冷侧平板内设置有冷侧流道，在使用时，循环冷却水流过所述冷侧流道对超临界二氧化碳进行降温，其中，所述冷侧流道为仿生结构，因此，可以有效减小水的流通阻力，避免冷侧流道堵塞，从而有效的解决了传统印制电路板预冷器水侧通道容易堵塞的问题，在使用时，可以将循环冷却水送入冷侧流道内，通过循环冷却水直接与上部换热通道及下部换热通道内的超临界二氧化碳进行换热，减少通过除盐水中间换热的过程，从而增大预热器冷热侧的换热温差，大幅降低预冷器所需的换热面积，进而显著降低预冷器的制造成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中热侧上部平板1a的结构示意图；

图3为本发明中热侧下部平板1b的结构示意图；

图4为本发明中冷侧平板2的结构示意图。

其中，1为热侧单元、2为冷侧平板、1a为热侧上部平板、1b为热侧下部平板、1c为加强平板、11为热侧平板入口流道、12为热侧平板主流道、13为热侧平板出口流道、21为冷侧流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，本发明所述的循环冷却水直接换热的高效超临界二氧化碳预冷器包括若干热侧单元1及若干冷侧平板2，其中，各热侧单元1与各冷侧平板2自上到下依次交错固定连接；所述热侧单元1包括自上到下依次固定连接的热侧上部平板1a、加强平板1c及热侧下部平板1b，其中，热侧上部平板1a的下表面上蚀刻有若干第一凹槽，所述第一凹槽与加强平板1c的上表面围成上部换热流道，热侧下部平板1b的上表面上蚀刻有若干第二凹槽，所述第二凹槽与加强平板1c的下表面围成下部换热流道；冷侧平板2内设置有冷侧流道21，其中，所述冷侧流道21为仿生结构。

第一凹槽的横截面及第二凹槽的横截面均为半圆形结构；上部换热流道及下部换热流道均为z形结构；上部换热流道及下部换热流道均包括热侧平板入口流道11、热侧平板主流道12及热侧平板出口流道13，其中，热侧平板入口流道11经热侧平板主流道12与热侧平板出口流道13相连通；热侧平板入口流道11及热侧平板出口流道13均水平分布，热侧平板主流道12竖直分布。

相邻热侧单元1与冷侧平板2之间通过扩散焊相焊接，同一热侧单元1内的热侧上部平板1a、加强平板1c及热侧下部平板1b之间通过扩散焊相焊接；上部换热流道及下部换热流道内流通的工质均为超临界二氧化碳，冷侧平板2中冷侧流道21内流通的工质为循环冷却水；冷侧平板2中冷侧流道21内工质的流通方向与上部换热流道中工质的流通方向及下部换热流道中工质的流通方向均相反；冷侧流道21为雨点形通道。

热侧平板入口流道11及热侧平板出口流道13分别起到流量分配及汇集的作用，同时可将热侧单元1的进口及出口分别布置在换热芯体的左右两侧，从而简化冷侧流道21进出口通道设计的复杂性，降低冷侧流道21堵塞的可能性。

冷侧平板2的冷侧流道21为通过化学蚀刻方法得到的雨滴形结构，在减小水侧流阻的同时，有效的防止冷热流道堵塞。此外，冷侧流道21内的雨滴型扰流导叶呈错列布置，可以增加冷侧工质的扰动，进一步提高冷侧的对流换热系数，进而提升预冷器的整体换热能力。

冷热侧流道采用逆流布置，热侧换热板的片数为冷侧换热板片数的2倍。由于超临界二氧化碳工作在拟临界温度点附近，而冷侧的水则处于过冷区，热侧工质和冷侧工质的定压比热容差异非常大，采用上述布置，可有效的提高冷侧和热侧的对流换热系数，进而实现预冷器的低流阻高效换热。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。