一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法

1.本发明专利涉及印刷电路板式换热器领域，具体涉及一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法。


背景技术：

2.印刷电路板式换热器是一种高效、紧凑式换热器，这种换热器具有换热效率高、耐高温、耐高压等优点，是深海浮式液化设备中主换热器的首选，也在核电、火电等领域有广泛的应用。
3.在此背景下，近些年来印刷电路板式换热器受到了广泛关注。但针对这种类型的换热器并没有优秀的流程化、模块化设计方法。目前在换热性能设计时没有形成准确的经验公式，且换热器芯体通道数量巨大，难以进行完整的有限元分析，因此通常参考板式换热器经验公式结合局部有限元法进行计算，但局部模型无法对流道均匀性进行评估，进而对由边缘流道冷却流量不足和局部过热等安全隐患无法预测。并且由于结构形式和加工工艺的特点，该方法原理上只能粗略获得如换热面积等换热器通用参数，无法直接得到换热器芯体结构如流道尺寸、间距等直接参数，结果上时常导致出口温度不准确，温度分布存在偏差。同时温度分布的不确定性也会导致结构设计保守，并使设计方通过使用更大尺寸的芯体和更厚的壁厚以保证换热性能和结构安全，最终使换热器失去了其高效、紧凑的优势，同时也造成了原材料和空间的浪费。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，在实现换热性能准确、结构安全的前提下，保证设计的经济性和高效性，本发明提供了一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，从芯体结构出发，创新性的提出了标准单元法，对换热板组进行单元化建模，并对其单元内的流动换热关系给出了数值解，实现温度分布计算的实时性、流程化、模块化。基于数值结果，该方法可以方便地从设计需求出发，根据输入参数对换热器性能及结构尺寸进行逐一对应设计，并验证其安全性。
5.为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
6.一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，采用标准单元法对换热器的温度分布进行数值计算；采用多孔介质法对换热器流动分布与压降进行计算；给出了换热器热应力最大值的具体位置及评估方法；
7.该方法设计对象换热器结构包括一次侧换热板1、二次侧换热板2、上盖板3、下盖板4、一次侧入口5、一次侧出口6、二次侧入口7及二次侧出口8；其中一次侧换热板1与二次侧换热板2交替布置，流动方向呈90
°
夹角，形成叠加方向周期性变化的温度分布，上盖板3和下盖板4作为边缘承压件，一次侧入口5及一次侧出口6结构相同，采用对称设计作为热侧压力边界，二次侧入口7及二次侧出口8结构相同，采用对称设计作为冷侧压力边界；一次侧换热板1与二次侧换热板2采用半圆形流道；
8.进行设计时，已知或能够初步评估以下参数：换热器所选结构材料，一次侧与二次侧流体工质设计压力p1和p2、一次侧与二次侧流体工质流量u1和u2、一次侧与二次侧流体工质进口温度t10和t20、一次侧与二次侧流体工质出口温度t1
∞
和t2
∞
，一次侧与二次侧换热板厚度d1与d2，换热器所处空间对一次侧换热板长度的限制尺寸l10，二次侧换热板长度的限制尺寸l20和高度的限制尺寸h0；
9.采用设计方法后得到的计算结果包括：一次侧与二次侧换热板温度分布数值结果，一次侧与二次侧工质在各自流道内的分布均匀性，一次侧与二次侧的工质压降，换热器整体热应力分布，一次侧与二次侧换热板流道长度l1和l2，一次侧与二次侧流道数n1和n2，一次侧与二次侧流道半径r1和r2，一次侧与二次侧流道间距d1和d2，上盖板、下盖板、一次侧与二次侧进口和一次侧与二次侧出口作为压力边界所需的结构厚度e；
10.设计方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编号具有以下规则：英文字母与其表达的定义为一一对应关系，对于流量u，英文字母后的1，2分别表示一次侧与二次侧，u1表示一次侧流量，u2表示二次侧流量；下角标0表示入口或初始值，则u10表示一次侧入口流量，下角标
∞
表示最终值或出口值，则u1
∞
表示一次侧出口流量；
11.对于下述步骤中的标准单元，其命名规则如下：编号no.ij表示一次侧第i条管道和二次侧第j条管道形成的标准单元，与进出口无关的参数：对流换热系数表示为h
ij
，与进出口有关的参数：一次侧入口流量表示为u1
ij-1
，一次侧出口流量为u1
ij
，二次侧入口流量为u2
i-1j
，二次侧出口流量为u2
ij
，编号u1
ij-1
也表示no.i j-1单元一次侧出口流量，但由于标准单元具备连续性，no.i j-1单元一次侧出口与no.ij单元一次侧入口为同一位置，因此两者使用同一编号；
12.所述正向设计方法具体包括以下步骤：
13.步骤1，选取标准单元及其尺寸：标准单元为具有一对交叉流动的一次侧流道和二次侧流道上下叠加所形成的单元结构，单个一次侧热板和二次侧热板形成的换热板组结构为多个标准单元正交组合而成；具体尺寸为一次侧流道半径r1＝α1*d1，二次侧流道半径r2＝α2*d2，取l1＝β1*r2作为标准单元一次侧流道截取长度，取l2＝β2*r1作为单元二次侧流道截取长度，纵向高度h＝d1+d2；其中α1、α2和β1、β2分别为标准单元尺寸系数，取值范围为1/2《α1，α2《1，2《β1，β2《5；
14.步骤2，建立标准单元流动换热模型：取no.11单元，根据空间限制的一次换热板长度l10，二次侧换热板长度l20，高度h0，且每个标准单元包括一个一次侧流道，一个二次侧流道，则计算初始一次侧流道数n10＝l10/l1，初始一次侧流道数n20＝l20/l2，初始换热板组层数为c0＝h0/h，由此得一次侧流量u1
10
＝u1/(n10*c0)，二次侧流量u2
01
＝u2/(n20*c0)，并且对于no.11单元，一次侧与二次侧入口工质温度、压力和物性即为换热器的入口工质温度、压力和物性，以此分别求出一次侧和二次侧入口位置雷诺数re1和re2，由于工质物性在单个标准单元内变化小，此处做均匀性假设，即入口位置雷诺数为标准单元内雷诺数，对后续无量纲参数做相同处理；同理求得一次侧和二次侧的普朗特数pr1和pr2，依据雷诺数与普朗特数数值范围，选取合适的对流换热系数公式，求得一次侧与二次侧的努塞尔数nu1和nu2，进而依据努塞尔数与对流换热系数公式求得一次侧与二次侧对流换热系数h1
11
与h2
11
；总体来看对流换热系数为关于标准单元入口温度t
ij
、标准单元流道半径r，标准单元流道截取长度l，入口流量u
ij
的函数式，即h
ij
＝f(t
ij
，r，l，u
ij
)；将对流换热系数带入热阻公
式计算得到一次侧与二次侧热阻r1
11
与r2
11
，此处同样采用均匀性假设，并根据选取结构材料导热系数计算得到一次侧与二次侧流道间结构热阻rm
11
；根据换热平衡关系得到一次侧与二次侧的壁面温度tw1
11
＝t1
10-(t1
10-t2
01
)*r1
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
)(结构热阻在上文提及),tw2
11
＝t2
01-(t2
01-t1
10
)*r2
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
)；根据对流换热公式q＝hs(t-tw)计算得到标准单元内一次侧与二次侧换热量，并根据均匀性假设采用入口温度下的定压比热容c
p
和能量公式q＝uc
p
δt得到工质流经标准单元后温度变化量，即可得到t1
11
＝t1
10
+δt1
11
，t2
11
＝t2
01
+δt2
11
；
15.步骤3，建立标准单元组成的换热板组平面流动换热模型：对于no.12单元，一次侧入口温度为no.11单元一次侧出口温度，二次侧入口温度为t2
01
，也就是说，对于no.ij单元，一次侧入口温度为no.ij-1的一次侧出口温度，即t1
ij-1
，二次侧入口温度为no.i-1j的二次侧出口温度，即t2
i-1j
，对于整个标准单元组成的换热板组，任意已知入口温度情况即能求出出口温度；由于t1
10
和t2
01
已知，采用递归法得t1
ij
和t2
ij
，即任意流道数目下整个平面上每个标准单元一次侧与二次侧的出口温度，也就是换热板组完整的温度分布数值结果；接下来根据温度分布数值结果计算换热器参数流道长度l，流道数n，流道半径r，流道间距d，假设经过i个一次侧流道，j个二次侧流道后，两侧出口温度符合设计要求，那么得到一次侧流道数n1＝i，流道尺寸l1＝l1*i，二次侧流道数目n2＝j，流道尺寸l2＝l2*j,流道间距d1＝l2，d2＝l1；由于所有温度都为已知量的数值迭代算式，因此实时调整所有已知量，并根据当前流量下的温度分布实现对流道数、流道尺寸和层数的设计；
16.步骤4：芯体热应力迭代优化：根据已得到的换热板组温度分布，建立热固耦合模型对换热板组进行热应力验证，由于no.11为一次侧与二次侧温差最大处，因此需计算no.11至no.ij，共i*j个标准单元组成的结构的热应力，如出现热应力超标，在不改变标准单元尺寸的条件下单独改变一次侧与二次侧流道半径r1和r2，调整流道间壁厚，由此带来的流量变化通过调节换热板组层数c抵消；由于温度分布为已知量的代数式，因此能够即时完成计算并进行迭代优化，直至得到符合应力标准的一次侧与二次侧流道半径r1和r2；
17.步骤5：工质流动分布均匀性与压降计算：根据多孔介质原理，压降δp＝av2+bv，式中a＝c2*0.5*ρ*δn，其中c2为惯性阻力系数，ρ为流体密度，δn为多孔介质区域厚度即流道尺寸l；式中b＝δn*μ/α，其中1/α为粘性阻力系数，μ为动力粘度；由于流道分布均匀，根据计算已知的换热器结构，选取部分入口面积进行阻力验证，计算中需先假设多个速度v进行试算，得到δp与速度v之间的多项式关系，通过线性回归求出惯性阻力系数和粘性阻力系数；其中速度v在取值时应采用与芯体入口速度相同数量级并将入口速度包含在取值范围内，以减少流动特性改变引起的误差；对堆芯一次侧与二次侧建立完整尺寸三维流体模型，三维流体模型阻力系数采用计算得到的惯性阻力系数和粘性阻力系数，并通过计算流体动力学方法cfd计算得到流体工质在流道内的分流均匀性和堆芯压降；
18.步骤6：换热器整体热应力计算：采用有限元法基于换热板组温度分布对换热器整体结构进行热应力计算，确定上盖板(3)和下盖板(4)以及一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)和二次侧出口(8)壁厚，确保整体结构热应力符合标准。
19.步骤1中α1＝2/3，α2＝2/3，β1＝3，β2＝3。
20.步骤5中部分入口面积为10％-50％入口面积。
21.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
22.1、本发明从流体传热原理出发，不借助传统换热器经验公式，以换热器结构为基础，通过数值计算得到换热器芯体温度场，避免了原理性误差，计算精度高，结果准确，减少了工程材料与空间的浪费，具备更强的经济型。
23.2、本发明采用多孔介质模型，解决了经验公式与局部有限元计算无法得到完整流场的问题，避免的流量分配不均和局部温度过高导致的安全隐患。
24.3、本发明设计流程短、效率高、计算流程化可操作性强，很大程度缩短了分析与设计的时间。
附图说明
25.图1为一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法流程示意图；
26.图2为设计对象整体结构示意图；
27.图3为设计对象芯体结构示意图；
28.图4a为标准单元结构示意图，图4b为图4a的局部放大图；
29.图5为局部热应力示意图；
30.图6为流场均匀性示意图；
31.图7为整体应力示意图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，采用标准单元法对换热器的温度分布进行数值计算；采用多孔介质法对换热器流动分布与压降进行计算；给出了换热器热应力最大值的具体位置及评估方法；
34.该方法设计对象换热器结构如图2所示，包括一次侧换热板1、二次侧换热板2、上盖板3、下盖板4、一次侧入口5、一次侧出口6、二次侧入口7及二次侧出口8；其中换热器热板排布如图3所示，一次侧换热板1与二次侧换热板2交替布置，流动方向呈90
°
夹角，形成叠加方向周期性变化的温度分布，上盖板3和下盖板4作为边缘承压件，一次侧入口5及一次侧出口6结构相同，采用对称设计作为热侧压力边界，二次侧入口7及二次侧出口8结构相同，采用对称设计作为冷侧压力边界；一次侧换热板1与二次侧换热板2采用半圆形流道；
35.进行设计时，已知或能够初步评估以下参数：换热器所选结构材料，一次侧与二次侧流体工质设计压力p1和p2、一次侧与二次侧流体工质流量u1和u2、一次侧与二次侧流体工质进口温度t10和t20、一次侧与二次侧流体工质出口温度t1
∞
和t2
∞
，一次侧与二次侧换热板厚度d1与d2，换热器所处空间对一次侧换热板长度的限制尺寸l10，二次侧换热板长度的限制尺寸l20和高度的限制尺寸h0；
36.采用设计方法后得到的计算结果包括：一次侧与二次侧换热板温度分布数值结果，一次侧与二次侧工质在各自流道内的分布均匀性，一次侧与二次侧的工质压降，换热器整体热应力分布，一次侧与二次侧换热板流道长度l1和l2，一次侧与二次侧流道数n1和n2，
一次侧与二次侧流道半径r1和r2，一次侧与二次侧流道间距d1和d2，上盖板、下盖板、一次侧与二次侧进口和一次侧与二次侧出口作为压力边界所需的结构厚度e；
37.设计方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编号具有以下规则：英文字母与其表达的定义为一一对应关系，对于流量u，英文字母后的1，2分别表示一次侧与二次侧，u1表示一次侧流量，u2表示二次侧流量；下角标0表示入口或初始值，则u10表示一次侧入口流量，下角标
∞
表示最终值或出口值，则u1
∞
表示一次侧出口流量；
38.对于下述步骤中的标准单元，其命名规则如下：编号no.ij表示一次侧第i条管道和二次侧第j条管道形成的标准单元，与进出口无关的参数：对流换热系数表示为h
ij
，与进出口有关的参数：一次侧入口流量表示为u1
ij-1
，一次侧出口流量为u1
ij
，二次侧入口流量为u2
i-1j
，二次侧出口流量为u2
ij
，编号u1
ij-1
也表示no.i j-1单元一次侧出口流量，但由于标准单元具备连续性，no.i j-1单元一次侧出口与no.ij单元一次侧入口为同一位置，因此两者使用同一编号；
39.如图1所示，所述正向设计方法具体包括以下步骤：
40.步骤1，选取标准单元及其尺寸，标准单元结构如图4a和图4b所示：标准单元为具有一对交叉流动的一次侧流道和二次侧流道上下叠加所形成的单元结构，单个一次侧热板和二次侧热板形成的换热板组结构为多个标准单元正交组合而成；具体尺寸为一次侧流道半径r1＝α1*d1，二次侧流道半径r2＝α2*d2，取l1＝β1*r2作为标准单元一次侧流道截取长度，取l2＝β2*r1作为单元二次侧流道截取长度，纵向高度h＝d1+d2；其中α1、α2和β1、β2分别为标准单元尺寸系数，取值范围为1/2《α1，α2《1，2《β1，β2《5；推荐采用α1＝2/3，α2＝2/3，β1＝3，β2＝3。
41.步骤2，建立标准单元流动换热模型：取no.11单元，根据空间限制的一次换热板长度l10，二次侧换热板长度l20，高度h0，且每个标准单元包括一个一次侧流道，一个二次侧流道，则计算初始一次侧流道数n10＝l10/l1，初始一次侧流道数n20＝l20/l2，初始换热板组层数为c0＝h0/h，由此得一次侧流量u1
10
＝u1/(n10*c0)，二次侧流量u2
01
＝u2/(n20*c0)，并且对于no.11单元，一次侧与二次侧入口工质温度、压力和物性即为换热器的入口工质温度、压力和物性，以此分别求出一次侧和二次侧入口位置雷诺数re1和re2，由于工质物性在单个标准单元内变化小，此处做均匀性假设，即入口位置雷诺数为标准单元内雷诺数，对后续无量纲参数做相同处理；同理求得一次侧与二次侧的普朗特数pr1和pr2，依据雷诺数与普朗特数数值范围，选取合适的对流换热系数公式，求得一次侧与二次侧的努塞尔数nu1和nu2，进而依据努塞尔数与对流换热系数公式求得一次侧与二次侧对流换热系数h1
11
与h2
11
；总体来看对流换热系数为关于标准单元入口温度t
ij
、标准单元流道半径r，标准单元流道截取长度l，入口流量u
ij
的函数式，即h
ij
＝f(t
ij
，r，l，u
ij
)；将对流换热系数带入热阻公式计算得到一次侧与二次侧热阻r1
11
与r2
11
，此处同样采用均匀性假设，并根据选取结构材料导热系数计算得到一次侧与二次侧流道间结构热阻rm
11
；根据换热平衡关系得到一次侧与二次侧的壁面温度tw1
11
＝t1
10-(t1
10-t2
01
)*r1
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
)(结构热阻在上文提及),tw2
11
＝t2
01-(t2
01-t1
10
)*r2
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
)；根据对流换热公式q＝hs(t-tw)计算得到标准单元内一次侧与二次侧换热量，并根据均匀性假设采用入口温度下的定压比热容c
p
和能量公式q＝uc
p
δt得到工质流经标准单元后温度变化量，即可得到t1
11
＝t1
10
+δt1
11
，t2
11
＝t2
01
+δt2
11
；
42.步骤3，建立标准单元组成的换热板组平面流动换热模型：对于no.12单元，一次侧入口温度为no.11单元一次侧出口温度，二次侧入口温度为t2
01
，也就是说，对于no.ij单元，一次侧入口温度为no.ij-1的一次侧出口温度，即t1
ij-1
，二次侧入口温度为no.i-1j的二次侧出口温度，即t2
i-1j
，对于整个标准单元组成的换热板组，任意已知入口温度情况即能求出出口温度；由于t1
10
和t2
01
已知，采用递归法得t1
ij
和t2
ij
，即任意流道数目下整个平面上每个标准单元一次侧与二次侧的出口温度，也就是换热板组完整的温度分布数值结果；接下来根据温度分布数值结果计算换热器参数流道长度l，流道数n，流道半径r，流道间距d，假设经过i个一次侧流道，j个二次侧流道后，两侧出口温度符合设计要求，那么得到一次侧流道数n1＝i，流道尺寸l1＝l1*i，二次侧流道数目n2＝j，流道尺寸l2＝l2*j,流道间距d1＝l2，d2＝l1；由于所有温度都为已知量的数值迭代算式，因此实时调整所有已知量，并根据当前流量下的温度分布实现对流道数、流道尺寸和层数的设计，计算得到局部一次侧温度分布如下表1所示，与其对应标准单元编号的局部二次侧温度分布如下表2所示，左上角第一个数据为标准单元no.11温度，表格边框为管道方向示意；
43.表1局部一次侧温度分布
[0044][0045]
表2局部二次侧温度分布
[0046][0047][0048]
步骤4：芯体热应力迭代优化：根据已得到的换热板组温度分布，建立热固耦合模型对换热板组进行热应力验证，由于no.11为一次侧与二次侧温差最大处，因此需计算no.11至no.ij，共i*j个标准单元组成的结构的热应力，此处选取i，j＝6，结果如图5所示，如出现热应力超标，在不改变标准单元尺寸的条件下单独改变一次侧与二次侧流道半径r1和r2，调整流道间壁厚，由此带来的流量变化通过调节换热板组层数c抵消；由于温度分布为已知量的代数式，因此能够即时完成计算并进行迭代优化，直至得到符合应力标准的一次侧与二次侧流道半径r1和r2；
[0049]
步骤5：工质流动分布均匀性与压降计算：根据多孔介质原理，压降δp＝av2+bv，式中a＝c2*0.5*ρ*δn，其中c2为惯性阻力系数，ρ为流体密度，δn为多孔介质区域厚度即流道尺寸l；式中b＝δn*μ/α，其中1/α为粘性阻力系数，μ为动力粘度；由于流道分布均匀，根据计算已知的换热器结构，选取部分入口面积通常为10％-50％，进行阻力验证，计算中需先假设多个速度v进行试算，得到δp与速度v之间的多项式关系，通过线性回归求出惯性阻力系数和粘性阻力系数；其中速度v在取值时应采用与芯体入口速度相同数量级并将入口速度包含在取值范围内，以减少流动特性改变引起的误差；对堆芯一次侧与二次侧建立完整尺寸三维流体模型，三维流体模型阻力系数采用计算得到的惯性阻力系数和粘性阻力系数，并通过计算流体动力学方法cfd计算得到流体工质在流道内的分流均匀性和堆芯压降，结果如图6所示；
[0050]
步骤6：换热器整体热应力计算：采用有限元法基于换热板组温度分布对换热器整体结构进行热应力计算，结果如图7所示，并确定上盖板(3)和下盖板(4)以及一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)和二次侧出口(8)壁厚，确保整体结构热应力符合标准。

技术特征：
1.一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，其特征在于：采用标准单元法对换热器的温度分布进行数值计算；采用多孔介质法对换热器流动分布与压降进行计算；给出了换热器热应力最大值的具体位置及评估方法；该方法设计对象换热器结构包括一次侧换热板(1)、二次侧换热板(2)、上盖板(3)、下盖板(4)、一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)及二次侧出口(8)；其中一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)交替布置，流动方向呈90
°
夹角，形成叠加方向周期性变化的温度分布，上盖板(3)和下盖板(4)作为边缘承压件，一次侧入口(5)及一次侧出口(6)结构相同，采用对称设计作为热侧压力边界，二次侧入口(7)及二次侧出口(8)结构相同，采用对称设计作为冷侧压力边界；一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)采用半圆形流道；进行设计时，已知或能够初步评估以下参数：换热器所选结构材料，一次侧与二次侧流体工质设计压力p1和p2、一次侧与二次侧流体工质流量u1和u2、一次侧与二次侧流体工质进口温度t10和t20、一次侧与二次侧流体工质出口温度t1
∞
和t2
∞
，一次侧与二次侧换热板厚度d1与d2，换热器所处空间对一次侧换热板长度的限制尺寸l10，二次侧换热板长度的限制尺寸l20和高度的限制尺寸h0；采用设计方法后得到的计算结果包括：一次侧与二次侧换热板温度分布数值结果，一次侧与二次侧工质在各自流道内的分布均匀性，一次侧与二次侧的工质压降，换热器整体热应力分布，一次侧与二次侧换热板流道长度l1和l2，一次侧与二次侧流道数n1和n2，一次侧与二次侧流道半径r1和r2，一次侧与二次侧流道间距d1和d2，上盖板、下盖板、一次侧与二次侧进口和一次侧与二次侧出口作为压力边界所需的结构厚度e；设计方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编号具有以下规则：英文字母与其表达的定义为一一对应关系，对于流量u，英文字母后的1，2分别表示一次侧与二次侧，u1表示一次侧流量，u2表示二次侧流量；下角标0表示入口或初始值，则u10表示一次侧入口流量，下角标
∞
表示最终值或出口值，则u1
∞
表示一次侧出口流量；对于下述步骤中的标准单元，其命名规则如下：编号no.ij表示一次侧第i条管道和二次侧第j条管道形成的标准单元，与进出口无关的参数：对流换热系数表示为h
ij
，与进出口有关的参数：一次侧入口流量表示为u1
ij-1
，一次侧出口流量为u1
ij
，二次侧入口流量为u2
i-1j
，二次侧出口流量为u2
ij
，编号u1
ij-1
也表示no.i j-1单元一次侧出口流量，但由于标准单元具备连续性，no.i j-1单元一次侧出口与no.ij单元一次侧入口为同一位置，因此两者使用同一编号；所述正向设计方法具体包括以下步骤：步骤1，选取标准单元及其尺寸：标准单元为具有一对交叉流动的一次侧流道和二次侧流道上下叠加所形成的单元结构，单个一次侧热板和二次侧热板形成的换热板组结构为多个标准单元正交组合而成；具体尺寸为一次侧流道半径r1＝α1*d1，二次侧流道半径r2＝α2*d2，取l1＝β1*r2作为标准单元一次侧流道截取长度，取l2＝β2*r1作为单元二次侧流道截取长度，纵向高度h＝d1+d2；其中α1、α2和β1、β2分别为标准单元尺寸系数，取值范围为1/2<α1，α2<1，2<β1，β2<5；步骤2，建立标准单元流动换热模型：取no.11单元，根据空间限制的一次换热板长度l10，二次侧换热板长度l20，高度h0，且每个标准单元包括一个一次侧流道，一个二次侧流道，则计算初始一次侧流道数n10＝l10/l1，初始一次侧流道数n20＝l20/l2，初始换热板组
层数为c0＝h0/h，由此得一次侧流量u1
10
＝u1/(n10*c0)，二次侧流量u2
01
＝u2/(n20*c0)，并且对于no.11单元，一次侧与二次侧入口工质温度、压力和物性即为换热器的入口工质温度、压力和物性，以此分别求出一次侧和二次侧入口位置雷诺数re1和re2，由于工质物性在单个标准单元内变化小，此处做均匀性假设，即入口位置雷诺数为标准单元内雷诺数，对后续无量纲参数做相同处理；同理求得一次侧和二次侧的普朗特数pr1和pr2，依据雷诺数与普朗特数数值范围，选取合适的对流换热系数公式，求得一次侧与二次侧的努塞尔数nu1和nu2，进而依据努塞尔数与对流换热系数公式求得一次侧与二次侧对流换热系数h1
11
与h2
11
；总体来看对流换热系数为关于标准单元入口温度t
ij
、标准单元流道半径r，标准单元流道截取长度l，入口流量u
ij
的函数式，即h
ij
＝f(t
ij
，r，l，u
ij
)；将对流换热系数带入热阻公式计算得到一次侧与二次侧热阻r1
11
与r2
11
，此处同样采用均匀性假设，并根据选取结构材料导热系数计算得到一次侧与二次侧流道间结构热阻rm
11
；根据换热平衡关系得到一次侧与二次侧的壁面温度tw1
11
＝t1
10-(t1
10-t2
01
)*r1
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
),tw2
11
＝t2
01-(t2
01-t1
10
)*r2
11
/(r1
11
+r2
11
+rm
11
)；根据对流换热公式q＝hs(t-t
w
)计算得到标准单元内一次侧与二次侧换热量，并根据均匀性假设采用入口温度下的定压比热容c
p
和能量公式q＝uc
p
δt得到工质流经标准单元后温度变化量，即可得到t1
11
＝t1
10
+δt1
11
，t2
11
＝t2
01
+δt2
11
；步骤3，建立标准单元组成的换热板组平面流动换热模型：对于no.12单元，一次侧入口温度为no.11单元一次侧出口温度，二次侧入口温度为t2
01
，也就是说，对于no.ij单元，一次侧入口温度为no.ij-1的一次侧出口温度，即t1
ij-1
，二次侧入口温度为no.i-1j的二次侧出口温度，即t2
i-1j
，对于整个标准单元组成的换热板组，任意已知入口温度情况即能求出出口温度；由于t1
10
和t2
01
已知，采用递归法得t1
ij
和t2
ij
，即任意流道数目下整个平面上每个标准单元一次侧与二次侧的出口温度，也就是换热板组完整的温度分布数值结果；接下来根据温度分布数值结果计算换热器参数流道长度l，流道数n，流道半径r，流道间距d，假设经过i个一次侧流道，j个二次侧流道后，两侧出口温度符合设计要求，那么得到一次侧流道数n1＝i，流道尺寸l1＝l1*i，二次侧流道数目n2＝j，流道尺寸l2＝l2*j,流道间距d1＝l2，d2＝l1；由于所有温度都为已知量的数值迭代算式，因此实时调整所有已知量，并根据当前流量下的温度分布实现对流道数、流道尺寸和层数的设计；步骤4：芯体热应力迭代优化：根据已得到的换热板组温度分布，建立热固耦合模型对换热板组进行热应力验证，由于no.11为一次侧与二次侧温差最大处，因此需计算no.11至no.ij，共i*j个标准单元组成的结构的热应力，如出现热应力超标，在不改变标准单元尺寸的条件下单独改变一次侧与二次侧流道半径r1和r2，调整流道间壁厚，由此带来的流量变化通过调节换热板组层数c抵消；由于温度分布为已知量的代数式，因此能够即时完成计算并进行迭代优化，直至得到符合应力标准的一次侧与二次侧流道半径r1和r2；步骤5：工质流动分布均匀性与压降计算：根据多孔介质原理，压降δp＝av2+bv，式中a＝c2*0.5*ρ*δn，其中c2为惯性阻力系数，ρ为流体密度，δn为多孔介质区域厚度即流道尺寸l；式中b＝δn*μ/α，其中1/α为粘性阻力系数，μ为动力粘度；由于流道分布均匀，根据计算已知的换热器结构，选取部分入口面积进行阻力验证，计算中需先假设多个速度v进行试算，得到δp与速度v之间的多项式关系，通过线性回归求出惯性阻力系数和粘性阻力系数；其中速度v在取值时应采用与芯体入口速度相同数量级并将入口速度包含在取值范围内，以减少流动特性改变引起的误差；对堆芯一次侧与二次侧建立完整尺寸三维流体模型，三
维流体模型阻力系数采用计算得到的惯性阻力系数和粘性阻力系数，并通过计算流体动力学方法cfd计算得到流体工质在流道内的分流均匀性和堆芯压降；步骤6：换热器整体热应力计算：采用有限元法基于换热板组温度分布对换热器整体结构进行热应力计算，确定上盖板(3)和下盖板(4)以及一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)和二次侧出口(8)壁厚，确保整体结构热应力符合标准。2.根据权利要求1所述的一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，其特征在于：步骤1中α1＝2/3，α2＝2/3，β1＝3，β2＝3。3.根据权利要求1所述的一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，其特征在于：步骤5中部分入口面积为10％-50％入口面积。

技术总结
本发明公开了一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，该方法设计对象结构包括换热器芯体、冷热侧接口腔体，其中芯体采用一次侧、二次侧板交替布置；该方法基于规则结构采用标准单元法进行一、三维耦合数值计算，形成一次侧与二次侧任意单元流体温度的数值解，得到换热板组温度分布，并参照温度分布结果对换热板进行参数设计；采用有限元对换热板组最大热应力进行验证，并结合多孔介质模型确定一次侧与二次侧工质流动分布及各流道均匀性；由于整体结构层数叠加方向温度均匀，采用已知的换热板组温度分布进行有限元验证；该专利提供了完整的印刷电路板式换热器性能设计及安全验证流程方法，极大的降低了设计成本，提升了设计效率。计效率。计效率。


技术研发人员：李昕泽 张大林 李新宇 田文喜 秋穗正 苏光辉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8