引言氢能具有清洁高效、原料广泛等特点[1]，大力发展氢燃料电池是推动能源体系绿色低碳发展的有效手段[2]。在燃料电池循环水冷系统中，换热器的换热效率对系统的整体效率有很大的贡献。相较于传统的翅片管式换热器，平行流换热器具有更高的换热效率，其单位面积的换热量较大，与氢燃料电池汽车内部空间较小，需要的换热量大这一特点契合。平行流换热器具有良好的经济性、安全性和环保性，在氢燃料电池散热领域有着良好的发展前景[3-4]。在平行流换热器集流管中采用隔片隔断，以此形成不同的流程，不同流程对应的扁管数不同。优化换热器内扁管的流程布置可以增加空气侧和制冷剂侧的平均温差，有效提高换热器的性能[4-6]。陈华[7]等以微通道换热器为研究对象，通过改变风速、流量等参数，分析不同入口风速和制冷剂流量对湿度和凝水产生的影响。ZHOU[8]等通过改变换热器进出口处的集流管布置优化平行流换热器内部流量的均匀性，减少换热器内部压降。舒朝辉[9]等研究高效紧凑型平行流冷凝器在家用空调器中的应用，发现冷却液压降太大时换热器换热效率下降的问题，优化换热器内部流道尺寸和流程布置可以适当提高换热器的传热系数，降低压降。文中将不同流程布置的微通道换热器作为模拟燃料电池循环水冷系统的换热器，利用控制变量法，研究不同的流程布置、风速对换热器换热性能的影响。1实验装置及方案1.1实验装置实验在焓差实验室进行，燃料电池乙二醇溶液循环水冷系统流程[10-11]如图1所示。以郑州夏季平均干球温度35 ℃为主要工况进行实验[12]。实验装置主要分为3个部分：循环水冷散热系统、焓差实验室室内外温度调节系统以及温度控制和测量系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F001图1燃料电池乙二醇溶液循环水冷系统流程循环水冷散热系统主要由水泵、恒温水箱、球阀、换热器、质量流量计、水箱组成。室内温度、湿度的调节主要由焓差实验室室内外温度调节系统进行。温度控制和测量系统主要由恒温水箱以及各种测量元件构成。1.2实验方案为了研究平行流换热器在不同流程布置下冷却液流量和迎面风速对其换热性能的影响，采用3种不同流程布置的平行流换热器样件进行实验。3个流程换热器的结构如图2所示。实验样件及尺寸如表1所示。平行流换热器主要由集流管、翅片、扁管以及百叶窗构成，平行流换热器尺寸为352 mm×400 mm，扁管数量为Nb=32根，每根扁管内孔数n=16个，孔高dm=1.5 mm，宽dm'=1.0 mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F002图23个流程换热器的结构10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.T001表1实验样件及尺寸项目样件1样件2样件3流程数134流程布置16-12-612-10-8-4换热面积/m213.7613.7613.76实验中水泵控制流量分别调节为196 kg/h、224 kg/h、252 kg/h和280 kg/h(±10 kg/h)，调节风扇后用测量箱测得风速，通过恒温水箱调节换热器进口溶液温度为70 ℃。实验过程中，通过水泵运输水箱中的液体进入恒温水箱，加热至70 ℃后进入换热器，通过控制3个球阀的启停达到切换换热器的目的，乙二醇溶液在换热器中冷却降温最后返回水泵，完成一个循环。水泵入口处的水箱起到制冷系统中的气液分离器的作用，防止水泵吸气导致性能下降。分别采用2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s和4.5 m/s这4个风速进行测试，对应汽车怠速行驶、中速行驶、中高速行驶和高速行驶4个工况。根据燃料电池运行工况测试标准，实验工况参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.T002表2实验工况参数项目数值进风温度/℃35换热器进口温度/℃70换热器进口压力/kPa175换热器风速/(m/s)2.0、2.5、3.0、4.5流量/(kg/h)196、224、252、2802理论分析采用Devenport，通过大量实验得出的雷诺数Re和传热因子j关联式计算空气侧换热系数。Re=ρvPmaxPlμ, 300Re4 000(1)j=0.249Re-0.42h10.33lh1.1h0.26 (2)式中：ρ——平均温度下的空气密度，kg/m³；vmax——最窄界面风速，m/s；Pl——百叶窗间距，m；μ——平均温度下的空气动力黏度，kg/(m·s)；l——百叶窗长度，mm；h1——百叶窗高度，mm；h——波片高度，mm。努赛尔数Nu和空气侧换热系数αof分别为：Nu=jRePr13 (3)αof=NuλPl (4)式中：Pr——平均温度下的空气普朗特数；λ——平均温度下空气的热导率，W/(m·K)。Ref=GfDevf (5)Nuf=0.023Ref0.8Prfn (6)n=0.4,  加热流体0.3,  冷却流体αf=NufλfDe (7)式中：Gf——乙二醇水溶液的质量流量，kg/h；De——当量直径，m；Ref——乙二醇水溶液的雷诺数；λf——乙二醇水溶液的热导率，W/(m·K)；αf——乙二醇水溶液侧换热系数，W/(m2·K)。3实验数据分析不同流程换热器中换热量随风速的变化如图3所示。流量和风速相同时，随着换热器流程数的增加，换热器的换热量逐渐增大。与一流程换热器相比，四流程换热器换热量最大增长了11.1%；与三流程换热器相比，四流程换热器换热量最大增长了不到3%。增长速率均随着风速的上升不断下降。不同流程换热器中压降随流量的变化如图5所示。风速不变的情况下，换热器压降随着流速的升高而增加，流程数越高，换热器压降越大。相对于三流程换热器，四流程换热器压降最大增长了150%。增加流程数虽然可以增加换热器的换热量，提高系统的换热性能，但是流程数过多导致压降增加过大，使换热量增长速率减缓，导致输送流体的机械功增多，换热效果提升不明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F003图3不同流程换热器中换热量随风速的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F004图4不同流程换热器中压降随流量的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F005图5不同流程换热器中出风温度随风速的变化流程数变多时换热器的换热量升高，但是换热器压降也随之增加，导致水泵消耗的功变多，这种换热量的提升依靠机械功的损失达到，因此单一靠换热量不足以评价换热器的性能，可以利用换热器的换热量与换热器压降相结合的热性能评价法评估换热器的性能，类似于空调系统的能效比(COP)，以制冷量除以压缩机功率作为评价空调制冷效果的重要参数。在散热系统中，以克服单位换热器压降做功N所得传递的热量Q，即Q/N作为热交换器的性能评价指标[13-14]。不同流程换热器中出风温度随风速的变化如图5所示。随着风速的增大，换热器出风温度降低。换热器迎风面积不变时，随着风扇风速的增大，空气流经平行流换热器的时间减少，且随着迎面风速的增大，进入换热器的空气质量流量也会随之增加。随着流程数的增多，相同风速下的出风温度降低。在相同换热器流程下，风速从2 m/s提高到2.5 m/s，出风温度最多降低了9.6%，相同风速下，与四流程换热器相比，一流程换热器的出风温度降低了3%。不同流程换热器中换热量与压降的比值随流量的变化如图6所示。保持流量与风速不变，随着换热器流程数的增多，换热量与压降的比值减小，四流程换热器比一流程换热器最大减小了78%。保持换热器流程与风速不变，随着流量的增大，换热量与压降的比值逐渐减小，但是减小速率不断降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.017.F006图6不同流程换热器中换热量与压降的比值随流量的变化室外环境温度35 ℃，流量从196 kg/h升至280 kg/h，风速从2.0 m/s升至4.5 m/s时，文中实验的3个换热器样本中，一流程换热器的热性能最优，三流程换热器的温度均匀性较好，四流程换热器的换热效果最佳。4结语不同流程布置对换热器的换热量有影响，四流程换热器比一流程换热器的换热量最多增加了11.1%，增长速率随着风速和流量的升高逐渐减小。不同流程布置对换热器的压降有影响，四流程换热器比一流程换热器的压降最多增大了150%，且增长幅度随着流量的增加而增加。不同流程布置对换热器出风温度有影响，相同迎面风速下，一流程换热器比四流程换热器的出风温度降低了3%。综合评估单位压降下的换热量，在给定的3种流程平行流换热器中，一流程换热器的综合性能最佳，四流程换热器的换热量最大。