印刷板式換熱器在LNG工業(yè)領域的研究進展

史文軍，高文忠，王詩悅，雷晴禾

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

液化天然氣(LNG)是一種清潔、環(huán)保、便于運輸和使用的新興能源[1]。在終端再氣化過程中，作為核心設備的LNG汽化器發(fā)揮著至關重要的作用。目前LNG工業(yè)上應用的氣化器可概括為三種類型[2]，開架式氣化器(ORV)、沉浸式氣化器(SCV)、中間介質氣化器(IFV)，其中ORV的外管壁易結冰，設備體積巨大。SCV運行成本比較高。而國內IFV設備研究正處于試運行階段。印刷板式換熱器(PCHE)作為一種高效緊湊的微通道換熱器，相比于其他三種氣化器，具有高效換熱、體積大幅減小、運行成本低等特點。因此，PCHE在不久的將來成為LNG氣化過程中核心設備的趨勢越來越明顯[3]。

1 LNG印刷板式換熱器技術

印刷板式換熱器作為一種革命性的微通道換熱器，其形成過程包括光電化學刻蝕和擴散焊接堆疊等高難度工藝[4]。PCHE的通道傳統(tǒng)可分為z型、直通道、S形、翼型幾類，還有基于這幾種結構的優(yōu)化改進結構[5]，其主體由眾多微通道構成，與經典的大尺度流體通道相比，其通道內的流體在流動的過程中受到的作用力有所不同，因此會體現(xiàn)出不同的流體流動特性與轉換機理[6]。

2 LNG印刷板式換熱器研究現(xiàn)狀

PCHE的概念最早由英國Heatric公司提出，具有結構緊湊、流道設計靈活等優(yōu)點，是低溫系統(tǒng)的理想換熱器之一[7]。以往的研究多集中在常溫條件下PCHE的傳熱性能，很少涉及PCHE內部兩相流動的傳熱問題。鑒于PCHE在LNG氣化工藝中具有大規(guī)模應用前景，了解PCHE在低溫和兩相流動條件下的傳熱性能就顯得尤為重要。除此之外，PCHE的流道尺寸結構比較小，會導致較大壓降產生。因此，研究學者大多以超臨界流體和優(yōu)化微通道結構來降低設備工作時的壓降，以增強傳熱效率。

Zhao等[8]以超臨界液化天然氣(LNG)為工作流體，數(shù)值研究了翅片翼型布置對流動阻力和傳熱效率的影響。超臨界液化天然氣的進口溫度為 121 K，壓力為10.5 MPa。垂直螺距Lv=1.67 mm和交錯螺距Ls=0 mm時，LNG參考質量流量設定為1.22 g/s，雷諾數(shù)約為3 750。結果表明翼型比直流道型具有更好的熱工水利性能。交錯布置翼型的熱性能優(yōu)于平行布置翼型的熱性能。隨著Ls和Lv的增加，翼型翅片的熱工水利性能得到了改善。此外，Lv對PCHE翼型的努塞特數(shù)和壓降的影響更為明顯。

Zhang等[9]采用數(shù)值方法研究了天然氣在直流道PCHE中由超臨界相變?yōu)橐合鄷r的傳熱特性。采用多相模型和單相模型對跨臨界流體的特性進行了預測，結果表明，兩種模型的預測精度相當。并研究了PCHE的局部換熱特性，給出了溫度、熱流密度和傳熱系數(shù)的分布。在天然氣的臨界點前后，溫差分布中分別出現(xiàn)了一個谷點和一個峰點，分別代表換熱弱化和強化的局部位置。結果表明，兩種流體的比熱率和質量流量對局部熱特性的影響最大。

Shin等[10]采用擴散鍵合方法設計制造了一種PCHE，并在液氮條件下進行了實驗。實驗中冷側通入液氮，質量流量保持在約300 kg/h，熱側通入氮氣，質量流量從約531 kg/h增加到1 002 kg/h。利用測得的溫度和壓力，使用ANSYS Fluent計算出熱側的傳熱系數(shù)，并估算冷側的平均傳熱系數(shù)。結果證實，在實驗冷端的傳熱系數(shù)存在于兩相流和單相流的相關關系中，并計算了兩相效應區(qū)與單相區(qū)在傳熱方面的比率，在此基礎上，開發(fā)了一個新的經驗方程，預測相變的平均傳熱系數(shù)。

Aneesh等[11]提出了一種高效的PCHE模型。以氦為工作流體，合金617為固體基體，進行了三維穩(wěn)態(tài)共軛傳熱模擬。研究了熱物性變化、操作條件和三種不同的設計方案對其影響。與雙排布置相比，單排布置的熱工水力性能更好；交錯布置的冷熱通道與對排布置的熱工水力性能相似。采用半球形凹槽的PCHE模型具有較好的熱工水力性能。并研究了在熱流和冷流通道中，PCHE模型的傳熱密度和壓力降的變化。

Figley等[12]利用Fluent軟件模擬了PCHE中直通道熱工水力性能，對氦氣在對半圓形和圓形幾何形狀通道的層流到湍流轉變行為進行了數(shù)值研究。根據(jù)圓管層流的經典相關性，比較了半圓直通道流動的數(shù)值模擬結果。結果表明，比較結果吻合較好，圓形和半圓形通道層流向湍流轉變的雷諾數(shù)分別為2 300和3 100。

Lee等[13]對具有半圓形、矩形、梯形和圓形通道形狀的PCHE的性能進行了比較研究，并給出了有效性值、摩擦因子和傳熱比表面積的比較結果。結果表明，矩形通道的熱性能最好，但水力性能最差，而圓形通道的換熱性能最差。

Wang等[14]用數(shù)值方法研究了正弦溝槽型PCHE的熱工水力性能，并與傳統(tǒng)的直溝槽型PCHE進行了比較。采用無量綱方法研究了正弦通道結構參數(shù)對熱工水力性能的影響，即幅值與周期的比值。結果表明，與直流道相比，通風機整體努塞特數(shù)可提高7.4%～13.9%，通風機整體摩擦系數(shù)可提高 10.9%～16.7%。振幅和周期比對正弦通道PCHE的性能有顯著影響。在試驗工況中，努塞特數(shù)和范寧摩擦系數(shù)均隨比值先增大后減小。當比值約為0.2時，正弦通道PCHE的換熱效果最好，壓降最大。

Chu等[15]數(shù)值模擬了翼型翅片的幾何參數(shù)，結果顯示，壓降在流體流動方向的變化很小，熱量保持不變。同時，在對橫向螺距和交錯縱向螺距對傳熱性能的影響進行了廣泛研究的基礎上，得出了在PCHE中具有較大迎風面積和較短翼型翅片長度時，可以獲得更好的傳熱性能。

Aneesh等[16]開發(fā)了一種新的PCHE，研究三角形、正弦和梯形三種波道構型對PCHE傳熱性能的影響。并研究了周期通道內的局部流動和換熱特性。在此基礎上，將該PCHE與直流道PCHE的熱工水利性能進行了比較。在各種模型中，梯形PCHE模型與基于正弦、三角形和直線通道的PCHE模型相比，具有最大的換熱效果和壓降。在測試的運行條件下，梯形波浪形管道與直流道PCHE相比，其傳熱效率增加41%。對于正弦波道和三角波道PCHE結構，傳熱效率分別增加33%和28%。

Lee等[17]采用剪切應力輸運湍流模型，在三維雷諾平均Navier-Stokes分析的基礎上，對PCHE中的Z形通道進行了形狀優(yōu)化來提高傳熱性能，降低摩擦損失。并以冷通道的角度與長徑之比為變量。利用k均值聚類方法進行了五種最優(yōu)設計。對這些設計的流動和傳熱特性以及目標函數(shù)值進行了比較。

Ngo等[18]應用CFD軟件數(shù)值模擬了超臨界CO2在不連續(xù)S型翅片的PCHE運行情況，確定了一種新的S翅片和板的結構，新的PCHE提供了約3.3倍的體積；CO2側和H2O側的壓降降低37%和10倍。

Lee等[19]提出了一種插入直通道的新型PCHE。采用CFD軟件對插入直流道的鋸齒型PCHE的熱水力特性進行了三維數(shù)值分析。研究了直流道的傳熱和壓降隨質量流量的變化規(guī)律。0.5 mm和 1 mm 直流道的壓降小于鋸齒形通道，與波浪形通道的壓降相似。在換熱特性方面，結果表明，0.5 mm和 1 mm 直流道的換熱特性與鋸齒形流道相似，但優(yōu)于波浪型流道。在1 mm直線通道中，體積優(yōu)良度因子的值比原來的鋸齒形通道提高了26%～28%。

Kwon等[20]設計了小型的PCHE，并研究了其在不同低溫換熱條件下的熱工水利性能：對單相換熱、沸騰換熱和冷凝換熱進行了實驗探究。在單相實驗的情況下，提出了修正的dittos-boelter經驗關聯(lián)式。在沸騰實驗中，總結發(fā)現(xiàn)冷、熱側流體的溫差大是導致膜沸騰現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。在冷凝實驗中，提出了修正的Aker經驗關聯(lián)式。

Yang等[21]研究了波槽型PCHE的換熱性能，以及窄槽截面對熱工水力特性的影響。結果表明，減小通道截面對通道總換熱率的負面影響較小，但會大大減小PCHE的體積，從而使PCHE更加緊湊。對不同通道截面的性能評價結果表明，在提高傳熱能力和減小體積的目標下，窄截面PCHE的性能優(yōu)于原型PCHE，但存在泵送功率增大的問題。

Ma等[22]建立了一種新的預測PCHE內部流動分布不均勻的數(shù)學模型，證明了傳統(tǒng)的縮短換熱通道的簡化數(shù)值模型在預測PCHE內部流動分布時存在較大的誤差。進出口局部水力損失是影響流動不均勻的根本原因。增大通道長度可以改善流動的均勻性，而隨著流量的增加，流動的均勻性變差。當通道長度超過500倍于通道的水力直徑時，流量不均勻性可以忽略，并提出了PCHE的幾何尺寸與運行條件之間的關系來判斷流動的均勻性。

Jeon等[23]提出了一種新型的異構形PCHE，并對其傳熱性能進行了數(shù)值模擬。分析了其通道截面形狀、通道間距、通道尺寸對傳熱性能的影響。結果表明，管道的橫截面形狀對熱工水利性能的影響不顯著。通道間距對PCHE的傳熱性能影響也不大，但對PCHE結構的可靠性有顯著影響。在固定質量流量條件下，由于流速的減小，PCHE的傳熱性能隨通道尺寸的增大而單調下降。

Lee等[24]對具有半圓形截面鋸齒形通道PCHE的幾何參數(shù)(通道角度和冷側通道的半橢圓縱橫比)的性能進行了數(shù)值研究。結果表明，當冷側通道的角度與熱側通道的角度相近時，換熱器的效率最大。

Min等[25]建立了考慮PCHE結構和溫度分布的滲透模型。PCHE的結構反映在形狀因子上，而壁面上的熱分布反映在有效擴散系數(shù)上。研究發(fā)現(xiàn)，當PCHE壁面溫度分布不均時，PCHE滲透模型對滲透率的預測誤差在±20%范圍內，而現(xiàn)有的模型對滲透率的預測最大值為400%，當PCHE壁面溫度分布不均時，對滲透率的預測最大值為69%。

3 結束語

由于印刷板式換熱器要求較高的加工工藝，同時LNG工廠工藝流程復雜多變，難以對換熱器進行全面的實驗分析，目前建立PCHE數(shù)值模型已能夠預測其結構參數(shù)對流動特性的影響。為了提高LNG工業(yè)再氣化的產量，有待對以LNG為工質的PCHE傳熱特性及流動特性進行進一步研究，為設備設計和結構改進提供理論依據(jù)。與此同時，隨著海上天然氣平臺的不斷增加，未來我國對LNG的進口會越來越多，國內在PCHE相關技術研究瓶頸和制造工藝亟待突破。