印刷電路板式LNG氣化器分段設計計算方法研究

吳維武， 王東寶， 趙黎明， 袁振欽

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233；2.上海海洋油氣生產平臺設計工程技術研究中心， 上海 200233)

印刷電路板式LNG氣化器分段設計計算方法研究

吳維武1，2， 王東寶1，2， 趙黎明1， 袁振欽1

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233；2.上海海洋油氣生產平臺設計工程技術研究中心， 上海 200233)

隨著海上液化天然氣(LNG)生產的快速發展，作為LNG浮式儲存和再氣化裝置(FSRU)再氣化模塊的關鍵設備，換熱器面臨更多挑戰。印刷電路板換熱器(PCHE)作為一種緊湊式微通道換熱器，具有體積小、換熱效率高等特點，在LNG-FSRU上具有廣闊的應用前景。考慮到LNG氣化過程中的相變現象和超臨界流體，基于傳統的對數平均溫差法，提出采用分段計算的換熱設計方法，利用邊界條件和傳熱關系式獲得各段出口和入口溫度，確定各段傳熱面積，完成LNG氣化換熱器的熱力設計。采用該計算方法對LNG氣化器縮比樣機實驗工況進行計算，結果較實驗有7.9%裕度。

LNG氣化器；印刷電路板換熱器；超臨界流體；相變換熱

0 引 言

隨著我國天然氣需求的快速增加和液化天然氣(LNG)產業鏈的發展，LNG接收站將急劇增加，海上LNG浮式儲存和再氣化裝置(FSRU)也將得到日益廣泛的應用。換熱器是LNG產業鏈上一個非常重要的設備。隨著天然氣開采向深水發展，浮式LNG接收站不斷興建，對換熱器的換熱效率、設備體積和重量提出了更高的要求，常規換熱器的體積和重量往往都無法滿足浮式LNG海上的使用要求，而且換熱器性能容易受到液體晃蕩的影響。

由英國Heatric公司設計制造的印刷電路板式換熱器(PCHE)是一種傳熱性能優良的緊湊式換熱器，廣泛地應用于油氣行業、化學工業、燃料加工、電力能、制冷等領域。PCHE的流體通道是在金屬板上采用光電化學刻蝕工藝形成的，通道截面形狀通常為直徑0.5～5.0 mm的半圓，不同板塊之間通過擴散黏合疊置在一起組裝成換熱器芯體[1]。PCHE具有極高的換熱效率和耐高溫高壓能力，在相同的熱載荷和壓降下，PCHE的體積為傳統管殼式換熱器的1/6～1/4，平均單位質量熱載荷達到了200 kg/MW[2]，其可以承受的最大壓力超過60 MPa，最高溫度可達900 ℃，并且具有極高的安全性和可靠性，是浮式LNG換熱器首選，目前已經廣泛應用于接收站和LNG-FSRU[3]。

將PCHE作為LNG氣化器時的換熱過程涉及微流道流動、超臨界流體LNG物性的變化及熱側流體的冷凝相變等問題，流動換熱機理及影響因素非常復雜。由于LNG的物性在氣化溫度范圍內變化較大，特別是在臨界點附近有劇烈的波動，使得傳統的換熱器設計方法不再適用，因此有必要針對LNG氣化過程開發合適的設計計算方法。

陳長青[4]針對變物性小溫差換熱器提出了積分溫差計算方法，根據熱負荷將換熱器分成N段，認為每段的傳熱溫差為常量，從而計算出換熱器的積分溫差，用于計算換熱面積，但是傳熱系數K仍需按常量處理。宋繼偉等[5]討論了分段計算方法在變物性換熱器設計中的應用，但是沒有考慮分段數對計算結果的影響。白宇恒等[6]采用分段方法對IFV管殼式換熱器進行了設計計算，但是計算結果并沒有體現出LNG物性的劇烈變化對溫度和傳熱系數沿程分布的影響，可見計算方法仍有不完善之處。

本文針對PCHE作為LNG氣化器的情況，對LNG氣化的換熱過程進行了分析，考慮到LNG超臨界氣化和熱側中間介質冷凝的特點，對PCHE換熱器的換熱面積計算方法進行討論，基于Gnielinski換熱關系式[7]，采用面積積分的方法，建立了PCHE應用于超臨界流體及相變換熱的設計計算方法和流程，并將該計算方法用于PCHE式LNG氣化器縮比樣機的計算。

1 LNG氣化器

1.1 PCHE式 LNG氣化器

LNG氣化器作為LNG-FSRU再氣化模塊的主換熱器，換熱介質為超臨界狀態的LNG和氣態丙烷，其目的是將低溫的LNG氣化后經過調溫外輸到用戶端。將PCHE用作LNG氣化器，需要根據LNG的處理量和進出口溫度要求進行換熱器的設計。

PCHE的板片通常是采用光化學刻蝕工藝在厚度為0.5～5.0 mm的鋼板上刻蝕出半圓形的流道，然后采用擴散焊工藝焊接板片形成換熱芯體。綜合考慮板片加工條件的限制和LNG氣化器的壓力載荷，制備出厚度為1.6 mm、通道深度為0.9 mm的Z型流道板片，如圖1(a)所示。結合LNG氣化器的換熱能力要求，根據所需換熱面積確定板片數量，最終通過擴散焊焊接成換熱芯體，如圖1(b)所示。

圖1 LNG氣化印刷電路板換熱器Fig.1 Printed circuit heat exchanger for LNG vaporization

1.2 LNG氣化器工質

LNG氣化器的作用是將LNG從-160 ℃加熱到氣態，要求出口溫度高于-30 ℃。LNG的主要成分為甲烷，為簡化分析，可將LNG當作甲烷處理。根據LNG氣化器的使用要求，入口壓力一般高于甲烷的臨界壓力4.6 MPa，因此隨著LNG溫度的升高，甲烷將達到臨界點，最終以超臨界氣體的狀態離開換熱器。

甲烷在臨界點附近狀態發生劇烈變化，從液態變成超臨界氣體狀態，對應的物性參數也發生突變。圖2所示為甲烷在臨界溫度附近的定壓熱容(Cp)和普朗特數(Pr)隨溫度的變化。因此，在計算甲烷的流動與換熱現象時，不能將甲烷物性參數作為常數考慮。為了準確計算甲烷側的換熱能力，可行的辦法是進行分段計算[5]，根據溫度或換熱量將換熱過程分成若干小段，每一小段的溫差很小，可認為在該溫度范圍內物性參數為常數，取平均溫度作為定性溫度。

丙烷氣體作為熱側介質為LNG氣化提供熱量，隨著溫度的降低丙烷將發生冷凝相變。圖3所示為丙烷物性參數隨溫度的變化，可見丙烷氣態和液態的流體屬性有較大差別。

圖2 甲烷流體屬性Fig.2 Fluid properties of methane

圖3 丙烷流體屬性Fig.3 Fluid properties of propane

1.3 LNG氣化器換熱過程

LNG氣化器的總換熱過程如圖4所示，其中LNG側入口為液相，被加熱成超臨界氣態離開換熱器，B表示LNG的臨界點；丙烷經過過熱蒸氣、冷凝、過冷液體三個階段，A和C分別為丙烷的飽和蒸氣狀態和飽和液體狀態(對應溫度為丙烷在當前壓力下的飽和溫度)。根據兩側流體的狀態，LNG氣化器的傳熱過程可以分為4個階段，計算過程中根據各階段流體狀態選用不同的傳熱關系式。

LNG氣化器內的對流換熱為管內湍流強制對流換熱，表面換熱系數可采用Gnielinski公式進行計算。Adams等[8]在對微通道強制對流換熱進行實驗研究之后，對Gnielinski公式進行了修正，可用于微通道對流換熱的計算。Krasnoschekov等[9]對Gnielinski公式進行修正，得到了超臨界流體的傳熱關系式，具有較高精度。

丙烷在氣化器內需經歷氣相對流換熱、冷凝相變換熱、液相對流換熱三個階段，其中丙烷氣相對流換熱和液相對流換熱階段可采用Adams等修正的Gnielinski公式進行計算。丙烷冷凝可采用Shan等[10]提出的管內冷凝放熱綜合關系式進行計算。

圖4 LNG氣化器換熱過程Fig.4 Heat transfer process of LNG vaporizer

2 換熱設計計算

2.1 分段計算方法

(1)

(2)

ΔTi=Th,i-Tc,i,

(3)

(4)

根據式(2)可得各微元段的溫度狀態，從而求解微元段的溫差；結合每個微元段的流動狀態和對流換熱關系式，可計算冷熱兩側的表面傳熱系數，從而得到每段傳熱系數Ki；再根據每段出入口溫度(PCHE的出入口溫度根據工況給定，每個微段出入口溫度根據分段數直接給定)計算對數平均溫差Δtmi，則可得每段所需換熱面積，根據式(1)得到換熱器總換熱面積。

圖5 換熱器分段計算原理Fig.5 Principle of segmented design method for heat exchanger

2.2 換熱關系式

由于PCHE的流道尺寸較小，考慮到減小流道直徑對換熱效果的強化作用，可采用Adams等[8]基于Gnielinski關系式提出的修正傳熱關系式：

(5)

f=(1.82lgRe-1.64)-2,

(6)

式中：NuG為本體的努塞爾數；f為管內湍流流動的Darcy阻力系數；Prf為普朗特數；Re為雷諾數。

由于LNG氣化過程中甲烷經歷超臨界氣體狀態，而超臨界流體的傳熱機理與常規流體不同，因此需要對甲烷的超臨界對流換熱現象單獨進行分析。Krasnoschekov等[9]對超臨界流體的對流換熱進行研究，提出了修正后的傳熱關系式：

(7)

本文將采用該公式進行超臨界流體對流換熱的計算。該公式適用的范圍為Re=2300～106，Prf=0.6～105。

Shan等[10]基于大量的實驗數據總結了適用于水平管、豎管和傾斜管的管內冷凝放熱綜合關系式。根據該關系式，管內凝結時的兩相流動表面傳熱系數應等于管內為單相液體流動時的表面傳熱系數乘以兩相流動的修正系數，并且該修正系數與蒸氣的相對含量以及蒸氣的對比態壓力有關。當發生管內部分凝結時，表面傳熱系數α的修正關系式為

(8)

式中：X表示平均干度，為出入口干度的平均值；R表示蒸氣的對比態壓力，為飽和蒸氣壓與臨界壓力的比值；αl表示工質飽和液體的表面傳熱系數，采用修正后的Gnielinski公式進行計算。式(8)適用的范圍是R=0.02～0.44，Prf=1～13。

3 設計計算算例

3.1 分段計算工況

為驗證以上分段計算方法的準確性及PCHE換熱性能，針對PCHE縮比樣機，開展驗證性實驗研究[11]，實驗工況參數如表1所示。以實驗工況作為分段計算工況輸入(分段計算輸入參數與實驗測得數據一致)，進行氣化器的設計計算，并將計算結果與實驗結果進行對比。

表1 LNG氣化器縮比樣機實驗工況

3.2 分段計算結果

采用前文介紹的設計計算方法，對指定的設計任務進行計算，并改變分段數N，獲得了不同分段數對應的換熱面積，如圖6所示。由圖6可見，當分段數較低時，得到的換熱面積波動較大，隨著N的增加，換熱面積逐漸收斂于一固定值，可以認為此時工質的物性得到充分考慮，分段數的進一步增加對換熱器的設計計算結果沒有影響。結果表明當分段數足夠大時，該計算方法能得到足夠高的計算精度。通過計算，為達到設計輸入要求，冷側需要的換熱面積為6.66 m2。

圖6 換熱面積與計算分段數的關系Fig.6 Heat exchanger area versus section number N

圖7給出了冷熱兩側工質溫度的分布，橫坐標為無量綱位置，對應凝結器熱側介質丙烷的流道。由圖7可見，LNG進入凝結器后溫度先以一定的斜率上升，此過程對應LNG的液相狀態，物性參數變化不大；當LNG溫度達到臨界溫度190.5 K左右時，LNG溫度的上升趨勢變緩，這是因為在臨界點附近，甲烷的Cp特別大，在相同的熱負荷下，LNG的溫度變化較小；隨著甲烷進入超臨界氣體狀態，Cp下降到與液相相當的狀態，LNG的溫度再次以較大斜率上升。在整個換熱過程中LNG的溫度變化曲線很好地詮釋了甲烷的物性對換熱過程的影響。熱側介質丙烷在換熱過程中發生相變，因此對應的溫度曲線是一條直線。

圖7 冷熱兩側工質溫度的沿程分布Fig.7 Temperature distribution of the working fluid on both cold and hot sides

圖8為總傳熱系數的沿程分布，橫坐標為無量綱化的位置，對應熱側介質丙烷的流道。計算結果表明，傳熱系數隨著流動狀態的變化有明顯的沿程波動。在丙烷入口處，氣相丙烷溫度降低后發生冷凝，傳熱系數明顯上升，隨后逐漸下降，當丙烷全部冷凝后由于雷諾數Re較小，液相丙烷的傳熱系數非常低；LNG側的傳熱系數在較小范圍內波動，其極大值在甲烷的臨界點附近；總傳熱系數K與LNG側的傳熱系數變化趨勢一致，這是因為丙烷側發生冷凝相變，傳熱系數較高，熱阻較小，總傳熱系數主要受LNG側傳熱系數的影響。

將實驗工況下測得的LNG的出入口溫度、丙烷的入口溫度、兩側的流量和壓力作為分段計算的輸入，采用如上所述的分段計算方法，對LNG氣化器的換熱能力進行設計計算，結果如表2所示。由表2可見，由分段設計計算方法確定的換熱面積較實際情況有7.9%的余量，說明采用該方法能夠滿足PCHE換熱面積設計計算要求。

圖8 傳熱系數的沿程分布Fig.8 Distribution of heat transfer coefficient

參數換熱量/kW對數溫差/K換熱系數/(W·m-2·K-1)換熱面積/m2誤差/%計算520.146.981633.06.66試驗517.342.751960.96.177.9

4 結 語

本文針對LNG氣化器的換熱過程，將PCHE作為LNG氣化的主換熱設備，并提出換熱器分段設計計算方法。將設計計算結果與實驗進行了對比，得到如下結論：

(1) 通過與實驗的對比，證明該設計方法具有一定的安全裕度，能夠滿足LNG氣化器換熱能力的設計計算要求。

(2) 該計算方法也可用于其他工質屬性變化大或存在相變等現象的換熱器的設計計算。

由于本文所研究的內容涉及微通道流動、超臨界流體、相變換熱等流動與傳熱研究領域的難題，在目前研究手段受限的情況下，還存在很多不深入和不完善的地方。未來將從微通道流動對傳熱性能的影響、LNG氣化及液化傳熱關聯式等方面進一步開展相關研究。

[1] Li X, Pierres R Le, Dewson S J. Heat exchangers for the next generation of nuclear reactors[C]. Proceedings of ICAPP, 2006: 201.

[2] Reay D. Compact heat exchangers: a review of current equipment and R&D in the field[J]. Heat Recovery Systems and CHP, 1994, 14(5): 459.

[3] Baek S, Hwang G, Kim J, et al. Development of compact heat exchanger for LNG FPSO[C]. Proceedings of the Twenty-First (2011) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2011: 152.

[4] 陳長青. 變物性小溫差換熱器積分溫差的精確計算[J]. 深冷技術, 1984(3): 14.

[5] 宋繼偉, 徐明田, 程林. 換熱器分段設計方法的理論分析[J]. 科學通報, 2011, 56(13): 1060.

[6] 白宇恒, 廖勇, 陸永康, 等. 大型LNG中間介質氣化器換熱面積計算方法[J]. 天然氣與石油, 2013(3): 31.

[7] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 246-248.

[8] Adams T M, Abdel-Khalik S I, Jeter S M, et al. An experimental investigation of single-phase forced convection in microchannels[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1998, 41(6): 851.

[9] Krasnoschekov E, Protopopov V. Heat transfer at supercritical region in flow of carbon dioxide and water in tubes[J]. Thermal Engineering, 1959, 12: 26.

[10] Shan M M. A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes [J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1979, 22(3): 547.

[11] 吳維武，王東寶，趙黎明，等. 印刷電路板式LNG氣化器換熱試驗研究[J]. 海洋工程裝備與技術，2016，3(2): 20.

SegmentedDesignandCalculationMethodforPrintedCircuitHeatExchangerasLNGVaporizer

WU Wei-wu1，2, WANG Dong-bao1，2, ZHAO Li-ming1, YUAN Zhen-qin1

(1.Shanghai Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China;2.Shanghai Engineering Research Center of Offshore Oil & Gas Production Platform Design,Shanghai 200233, China)

The development of offshore liquefied natural gas (LNG) production puts forward higher demand for heat exchanger, since it is the key component in LNG floating storage and regasification unit (FSRU). As a compact micro-channel heat exchanger, printed circuit heat exchanger (PCHE) has a wide application prospect in LNG-FSRU because of its characteristics of small volume and high heat transfer efficiency. Considering the phase change phenomenon and the supercritical fluid in LNG vaporizer, a segmented thermal design method for PCHE is presented based on (LMTD) method. The temperature and the area of every segment could be calculated with boundary conditions and heat transfer correlations, and then the total heat transfer area of the vaporizer could be obtained. This method is proven to be reliable with 7.9% margin by contrasting the numerical result with the experimental one.

LNG vaporizer; printed circuit heat exchanger; supercritical fluid; phase change heat transfer

2015-12-23

上海市徐匯區現代服務業專項資金項目“高效微孔式換熱器研制”

吳維武(1980—)，男，博士，主要從事海洋油氣裝備的設計及產品與技術開發。

TE8

A

2095-7297(2016)02-0093-06