印制電路板式換熱器的研究與應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 印制電路板式換熱器概述

熱交換器作為能量傳遞的關鍵設備,在清潔能源的存儲、熱量回收等方面起至關重要的作用,苛刻的工作環境,如高溫、高壓、較小溫差與空間限制等,對熱交換器性能提出了較高要求。印制電路板式換熱器作為一種新型的高效緊湊式熱交換器,近幾年已成功應用,在極端苛刻條件下進行熱量傳遞的潛力非常大。印制電路板式換熱器是一種傳熱性能優良、效率高的緊湊式熱交換器,廣泛應用于化學工藝、燃料加工、電能、制冷等工業領域。

印制電路板式換熱器相比管殼式換熱器和普通板式換熱器,具有非常突出的優點,主要包括:① 具有極高的換熱效率;② 具有極強的耐高溫和耐高壓能力;③ 在同等功率的條件下,印制電路板式換熱器的體積和質量為管殼式換熱器的1/5[1]。

2 結構

印制電路板式換熱器的流道截面形狀為直徑1～2 mm的半圓,不同的板塊之間通過原子擴散粘合的擴散焊工藝疊置在一起,組裝成一個換熱器心體,如圖1所示[2]。

圖1 印制電路板式換熱器結構

3 適用性分析

印制電路板式換熱器能夠滿足換熱過程中的高溫、高壓、泄漏少、結構緊湊、高效等要求,可以承受的最大壓力為60 MPa,最高溫度不高于900 ℃,換熱效率高于90%,甚至高達98%。在相同的熱載荷和壓降下,印制電路板式換熱器的體積為傳統管殼式換熱器的1/6～1/4,交換單位熱載荷所占材料質量僅為200 kg/MW。各種類型換熱器的適用性分析見表1[3]。研究表明,印制電路板式換熱器的主要優點如下:① 制造工藝采用光電化學刻蝕和擴散粘合技術,能夠形成各種形狀的流道結構,換熱單元由唯一的母體材料構成,無需墊圈和焊接,能有效減少泄漏和振動損失,延長使用壽命;② 連續流道能有效減小壓降,減小堵塞帶來的影響;③ 傳熱面積密度高,一般傳熱面積密度大于700 m2/m3時屬于緊湊式熱交換器,而印制電路板式換熱器的傳熱面積密度高達2 500 m2/m3;④ 可以實現在一臺換熱器中同時存在兩種以上介質進行換熱,節省空間,并大大減少連接換熱器的管道和閥門數量。

表1 換熱器適用性分析

4 特點

印制電路板式換熱器已廣泛應用于英國北海、澳大利亞西北大陸架等海上油氣開發領域所涉及的天然氣處理工藝中,主要有七方面特點。

(1)具有極高的換熱效率,最高達98%。在轉移同等熱量的條件下,管殼式換熱器將介質從25 ℃加熱到45 ℃,對應印制電路板式換熱器可以將介質從25 ℃加熱到60 ℃,由此大幅降低能耗。

(2)具有極強的耐高溫、高壓能力,最高可承壓60 MPa,操作溫度適用范圍為-200～900 ℃。

(3)在同等功率的條件下,印制電路板式換熱器的體積和質量僅為管殼式換熱器的1/5。

(4)能實現苛刻的設計溫差,換熱溫差達到2 ℃,并能適應較大的溫度變化及溫度瞬變。由于特殊的制造原理,無需墊片等輔助密封元件,設備安全性較高,內部結構不存在泄漏腐蝕等缺陷。

(5)允許多股流體同時換熱,能優化工藝設計流程,解決潛在的應用投資問題,達到節省空間、能耗和初始投資的目的。

(6)對換熱介質清潔度要求較高,換熱器前需配置精細濾器,過濾精度一般為300μm。換熱器整體不能拆卸,內部清洗維護需專業化學清洗。

(7)由于換熱板片上流道的光電化學刻蝕工藝,換熱器材質通常選用不銹鋼或雙相不銹鋼。同時,特殊的制造工藝使印制電路板式換熱器的造價較高。

5 制造工藝

印制電路板式換熱器由于采用特殊的制造工藝,整體結構非常緊湊,其制造加工工藝過程如圖2所示。采用光電化學刻蝕方法加工板片換熱流道,流道由直徑為1～2 mm的半圓形微通道組成。將加工出的全部流道板片按流道介質的性質冷熱交替重疊,流體間實現逆流換熱。重疊的板片整體放置于特制的容器內,向板片施加一定的壓力和溫度。基于原子擴散的原理,經過一定時間后,板片之間的接觸面相互粘合,所有的板片粘合成為一個不可拆卸的金屬換熱心體。最后,將外殼和金屬換熱心體進行焊接密封組裝。

6 研究現狀

印制電路板式換熱器最早由英國Heatric公司開發,其設計、制造、維護和成套技術被Heatric公司壟斷近30 a。基于板片加工制造工藝的特點,從流體傳熱與流動綜合特性等多方面考慮,印制電路板式換熱器大多采用半圓形截面Z字形通道。近些年,瑞典阿法拉伐公司、日本神戶制鋼、美國桑迪亞研究中心聯合真空擴散焊公司等陸續推出印制電路板式換熱器產品[4-5]。

吳維武等[6]研制了印制電路板式換熱器型液化天然氣氣化器比例樣機,對印制電路板式換熱器的熱力性能進行了試驗研究。研究結果表明,印制電路板式換熱器可以滿足液化天然氣氣化工藝中低溫、高壓工作環境的要求。賴展程等[7]對Z字形半圓形通道制冷劑相變兩相流進行了數值模擬,發現彈狀流型下的換熱效果最好,其次是環狀流、分層流。Dai等[8]通過試驗研究了單相流體水在半圓形Z字形通道內的流動與傳熱特性。Ma等[9]對高溫氦在Z字形通道內的傳熱與流動特性進行了數值模擬,發現在高溫狀態下流體的流速與溫度分布很難達到完全穩定狀態,但無量綱速度與溫度分布從第二個周期之后即達到穩定。Kwon等[10]通過數值模擬對比了不同角度Z字形通道的傳熱與流動特性。Khan等[11]對印制電路板式換熱器進行了三維數值模擬,研究了不同角度、不同雷諾數下流體的傳熱與流動特性,認為Z字形通道轉角的存在影響了流體核心區域與邊界層的分布,邊界層分離導致的漩渦使傳熱效果增強。Ma等[9]應用數值模擬的方法,對不同角度下Z字形通道的傳熱系數與阻力降進行了分析,認為當質量流量一定時,隨著雷諾數的增大,努塞特數增大,阻力降及摩擦因數均減小,同時針對不同質量流量范圍給出了對應的最佳角度。研究人員對印制電路板式換熱器的傳熱與流動規律及相關影響因素進行了較多研究,確認其中角度、雷諾數對Z字形通道流體的傳熱與流動均有顯著影響[12]。

圖2 印制電路板式換熱器加工工藝過程

7 應用進展

印制電路板式換熱器的水力直徑小,換熱效率高,已經被廣泛應用于油氣、化工、燃料加工、電能、制冷等領域。

7.1 浮式液化天然氣用印制電路板式換熱器

隨著海上液化天然氣生產的快速發展,作為液化天然氣浮式儲存和再氣化裝置中再氣化模塊的關鍵設備,熱交換器面臨更大的技術挑戰。印制電路板式換熱器作為一種緊湊式熱交換器,具有體積小、換熱效率高等特點,在液化天然氣再氣化裝置上具有廣闊的應用前景。

液化天然氣在我國的需求量近年來以每年15%以上的速率增長,儼然成為我國能源領域中必不可少的產業。根據我國能源戰略規劃,將在長三角、環渤海地區、珠三角地區建設十個左右的液化天然氣接收站,到2020年形成5×107t以上規模的液化天然氣接收站設施。液化天然氣接收站中,液體加熱型氣化器主要有三種:開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器、中間流體氣化器。

印制電路板換熱器是一種新型微通道換熱器,其換熱的高效性和集成性非常適合用于液化天然氣接收站的中間流體換熱器中[13]。

中間流體換熱器依靠中間介質進行熱量傳遞。中間介質先吸收外界熱源的熱量,再將熱量通過中間流體換熱器傳遞至液化天然氣,從而使液化天然氣氣化。近年來,對于液化天然氣中間流體換熱器的技術研究也越來越多。

海上天然氣開發工藝有兩種,包括近淺海開發工藝和深海浮式天然氣液化工藝。深海浮式天然氣液化的工作空間狹小,海況環境惡劣,這就要求液化裝置的主換熱器結構緊湊、耐低溫、耐高壓、泄漏少、高效。印制電路板式換熱器憑借緊湊、高效、可靠的特點,能夠滿足深海浮式天然氣液化主低溫換熱器的要求,近幾年逐漸成為深海浮式天然氣液化主低溫換熱器的首選。

最早應用于浮式天然氣液化的印制電路板式換熱器,作為主低溫換熱器成功應用于年產150萬t浮式天然氣液化裝置中,然后擴展到其它領域,如布雷頓循環高溫氦氦換熱器、超臨界二氧化碳循環熱水裝置。

印制電路板式換熱器在液化天然氣產業中已經得到了較多應用。作為壟斷印制電路板式換熱器設計制造技術的Heatric公司,與馬來西亞國家石油公司、巴西國家石油公司、荷蘭殼牌公司在海上液化天然氣方面進行了廣泛合作。在相關合作中,Heatric公司為浮式液化天然氣生產儲卸裝置提供了印制電路板式換熱器。此外,Heatric公司為殼牌公司世界上第一個浮動天然氣液化設施提供印制電路板式換熱器,為巴西國家石油和天然氣公司離岸油田供應高性能的印制電路板式換熱器[14]。

應用效果表明,印制電路板式換熱器的總效率達到95.4%,體積和面積密度在相同傳熱面積下分別為管殼式換熱器34%和252%,質量僅為管殼式換熱器的15%。

由應用效果可見,一臺印制電路板式換熱器實現了原本需四臺管殼式換熱器并聯才能達到的換熱效果。若考慮兩種類型換熱器采用相同材質,從設備總投資成本而言,采用一臺印制電路板式換熱器替代四臺管殼式換熱器,可節約費用約120萬元。印制電路板式換熱器緊湊的結構大幅度縮小了占地面積,節省平臺結構甲板建造成本,折合費用約90萬元。印制電路板式換熱器引入國內海上油氣田開發領域,滿足了天然氣處理系統的高要求,使天然氣工藝換熱設備的選型多樣化。對于目前發展較迅速的浮式液化天然氣生產儲卸裝置而言,印制電路板式換熱器的應用顯得尤為重要。

7.2 超高溫氣冷核反應堆用印制電路板式換熱器

由于印制電路板式換熱器具有高效的傳熱性能和可靠的結構特性,在超高溫氣冷核反應堆、光熱發電等領域具有廣闊的應用前景。

高溫換熱器是第四代超高溫氣冷核反應堆系統中的重要組成部分,要求具有極高的緊湊度,并且能夠在高溫、高壓等極端工況下安全可靠運行。印制電路板式換熱器作為一種新型換熱器,適用于高溫氣冷核反應堆,不僅具有極高的緊湊度,而且能夠滿足反應堆系統各種極端工況的要求[15]。

7.3 其它應用

印制電路板式換熱器以高效、緊湊、耐高溫、耐高壓等特點,在核能、太陽能、液化天然氣等清潔能源領域具有廣闊的發展潛力。

隨著電子技術及航空、航天工業的蓬勃發展,火箭、飛機等所搭載的電子設備熱載荷越來越大,這對承擔冷卻作用的換熱器而言,提出了更高的性能要求。但飛機、火箭、航天器等工程設備因空間有限,往往需要采用尺寸小、質量輕、傳熱效率高的緊湊式熱交換器。印制電路板式換熱器具有高效、緊湊、體積小等特點,能很好地滿足航空、航天等領域的應用要求。

干氣壓縮機后單臺冷卻器功率為20 MW,如果選用管殼式換熱器,在19.480 MPa的操作條件下,質量大于100 t,且設備尺寸很大。在同樣條件下,如果選用印制電路板式換熱器,質量將小于20 t。

由于印制電路板式換熱器緊湊度極高,英國BP阿莫科石油公司已將鈦制的印制電路板式換熱器用作石油平臺的空氣冷卻交換器[16]。

8 結束語

印制電路板式換熱器作為一種新型高效緊湊式熱交換器,近年來已成功應用,在極端苛刻條件下進行熱量傳遞的潛力非常大。目前,印制電路板式換熱器不僅成為深海浮式天然氣液化主低溫換熱器的首選,而且廣泛應用于高溫反應器中間冷卻器、布雷頓循環高溫氦氦換熱器、超臨界二氧化碳循環熱水裝置、化工換熱反應器和超高溫氣冷核反應堆等設備中。筆者對印制電路板式換熱器的研究現狀與應用進展進行了介紹,以供技術人員參考。