一种Z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法

本发明涉及换热器芯体结构优化，具体涉及一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法。

背景技术：

1、人们开始关注可再生能源和高效能源转换技术，微通道换热器的优点逐渐被人们认识到。印刷电路板式换热器（pche）作为微通道换热器的一种，具有结构紧凑、换热效率高、可承受高温高压以及安全稳定性好等优点，被广泛应用于固体氧化物燃料电池（sofc）系统换热、核电系统的冷却及余热的回收利用、航空发动机的冷却及热管理系统等各个领域之中，在系统换热方面发挥着重要的作用，在高温、高压、空间限制等极端恶劣的工作环境中具有突出的优势，为微型流体系统和微小型换热提供了高效的解决方案。

2、pche使用电化学蚀刻技术将流道直 接刻蚀在金属板上，然后利用真空扩散焊技术将换热板堆叠在一起组装成换热芯体。这种制造工艺允许设计各种复杂的流道模式，以更有效地传递热量。由于扩散焊接过程是在高压和高温条件下进行的，因此，pche可以忍受恶劣的工作条件而不会崩坏或腐蚀。相比于管壳式换热器，pche的重量轻、体积小，因此会进一步的降低制造成本。此外，与其他类型的换热器相比，pche的微通道结构会增大传热面积，能够表现出更好的传热性能。

3、pche通常采用的流道结构包括直通道、z型通道、s型通道和翼型通道，流道截面常见的有圆形、半圆形、三角形和矩形等，而通道的排布方式主要有单层、双层和四层排列。目前半圆形截面z型通道是应用最为广泛的一种形式，但其也有难以平衡压降和换热效率的局限性，因此，有必要对印刷电路板式换热器芯体的结构进行优化设计，以得到综合换热性能较好的芯体结构。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，并通过该方法得到一种综合换热性能较好的芯体结构。

2、本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，包括步骤：

4、 （1）分别建立截面形状为半圆形、圆形、矩形及正六边形的z型印刷电路板式换热器芯体双通道三维结构模型，并利用有限元分析软件建立相应的流动传热模型，研究不同的截面形状对换热器综合换热性能的影响，并利用不同的性能评价指标进行性能评价，得到综合换热性能最优的通道截面形状为正六边形；

5、 （2）在步骤（1）所确定的最优通道截面形状为正六边形的基础上，将六边形截面记为第一截面，建立具有第一截面与第二截面的z型印刷电路板式换热器芯体双通道变截面三维结构模型，确定影响综合换热性能的几何结构因素，并利用不同性能评价指标分析各几何结构因素对换热器综合换热性能的影响程度，筛选出对换热器综合换热性能影响大的几何结构因素；

6、 （3）建立各性能评价指标归一化数学模型f，将各性能评价指标归一化为表征换热器综合换热性能的单一变量f值；

7、 （4）设定步骤（2）所筛选出的对换热器综合换热性能影响大的几何结构因素的范围，利用步骤（3）建立的各性能评价指标归一化数学模型f，寻求换热性能最优的截面形状及几何参数解，得到换热性能最优的z型印刷电路板式换热器芯体结构。

8、进一步地，所述步骤（2）中第二截面为六边形或圆形。

9、进一步地，所述步骤（2）中确定的几何结构因素包括通道倾角、通道节距、第一截面的边长及内角角度，且当第二截面为六边形时，几何因素还包括第二截面的边长及内角角度，当第二截面为圆形时，几何因素还包括第二截面的直径。

10、进一步地，所述步骤（1）及步骤（2）中的性能评价指标包括压降、对流换热系数和性能评价因子。

11、进一步地，所述步骤（3）中所建立的各性能评价指标归一化数学模型为：

12、

13、其中，、、分别为、和在换热器综合性能评价中所占的权重，且

14、 ，、、表示初始模型的计算结果，、、、、、表示所有计算结果中各性能评价指标的最大值、最小值。

15、进一步地，所述步骤（4）中计算得到的换热性能最优的z型印刷电路板式换热器芯体通道结构为正六边形截面与圆形截面交替分布，且自正六边形截面至圆形截面方向通道内径增加。

16、进一步地，所述步骤（4）中计算得到的换热性能最优的z型印刷电路板式换热器芯体通道结构的几何结构参数为：通道倾角、通道节距、第一截面的边长、第一截面的内角、第二截面的直径。

17、通过上述优化设计方法，本发明还提供了一种综合换热性能好的z型印刷电路板式换热器芯体结构，所述换热器芯体由具有若干条冷流体通道的冷端换热板与具有若干条热流体通道的热端换热板交替堆叠而成，冷端换热板位于热端换热器板上方，且若干条冷流体通道、热流体通道均分别等间距分布；上述冷流体通道及热流体通道均呈z型，冷流体通道及热流体通道的截面在每个通道周期内为正六边形和圆形交替分布；另外，上述冷流体通道之间、热流体通道之间以及冷流体通道与热流体通道之间互相不接触，除冷流体通道、热流体通道外其他区域均为固体域。

18、上述冷流体通道及热流体通道的转折角度为5°~30°，优选地，冷流体通及热流体通道的转折角度为20°。

19、上述冷流体通道及热流体通道的相邻两个折弯段之间的节距为15~35mm，优选地，冷流体通道及热流体通道的相邻两个折弯段之间的节距为15mm，且冷流体通道及热流体通道的前端、后端均设置延长段，防止回流。

20、上述冷流体通道及热流体通道的正六边形截面的边长为0.45~0.6mm，优选地，冷流体通道及热流体通道的正六边形截面的边长为0.6mm。

21、上述冷流体通道及热流体通道的圆形截面的直径为0.9~1.2mm，优选地，冷流体通道及热流体通道的圆形截面的边长为1.1mm。

22、另外，上述冷流体通道与热流体通道内的流体流动方向相反。

23、本发明的有益效果为：

24、本发明提出了一种具有第一截面与第二截面的z型印刷电路板式换热器芯体结构，并对该结构进行优化设计，通过分析影响pche综合换热性能影响的几何结构因素，并利用几何结构因素对各评价指标的影响程度敏感性分析图筛选对pche综合换热性能影响较大的几何结构因素，简化了后续需要优化的几何结构因素，并提出了各性能评价指标（压降、对流换热系数和性能评价因子）归一化数学模型，将各性能评价指标归一化为表征换热器综合换热性能的单一变量f值，能够更加简便全面地分析pche的综合换热性能，通过本发明的优化设计方法能够获得综合换热性能优异的变截面z型印刷电路板式换热器芯体结构。

技术特征：

1.一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中第二截面为六边形或圆形。

3.根据权利要求2所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中确定的几何结构因素包括通道倾角、通道节距、第一截面的边长及内角角度，且当第二截面为六边形时，几何因素还包括第二截面的边长及内角角度，当第二截面为圆形时，几何因素还包括第二截面的直径。

4.根据权利要求1所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（1）及步骤（2）中的性能评价指标包括压降、对流换热系数和性能评价因子。

5.根据权利要求4所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（3）中所建立的各性能评价指标归一化数学模型为：

6.根据权利要求1所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中计算得到的换热性能最优的z型印刷电路板式换热器芯体的通道结构为正六边形第一截面与圆形第二截面交替分布，且自正六边形截面至圆形截面方向通道内径增加。

7.根据权利要求6所述的一种z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中计算得到的换热性能最优的z型印刷电路板式换热器芯体的通道结构的几何结构参数为：通道倾角、通道节距、第一截面的边长、第一截面的内角、第二截面的直径。

技术总结本发明公开一种Z型印刷电路板式换热器芯体结构优化设计方法，属于换热器芯体结构优化技术领域。所述方法包括步骤：（1）建立不同截面形状的Z型PCHE芯体结构模型，并进行有限元模拟及性能评价，得到综合换热性能最优的通道截面形状；（2）在步骤（1）所确定的最优通道截面形状的基础上，建立具有第一截面与第二截面的Z型PCHE芯体结构模型，筛选出对换热器综合换热性能影响大的通道截面几何结构因素；（3）建立各性能评价指标归一化数学模型F，将各性能评价指标归一化为表征换热器综合换热性能的单一变量F值；（4）利用归一化数学模型F，寻求换热性能最优的截面形状及几何结构参数解，得到换热性能最优的Z型PCHE芯体结构。技术研发人员：张玉财,秦善超,蒋文春,张显程,涂善东受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/8/1