印刷板式換熱器在LNG工業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

史文軍，高文忠，王詩(shī)悅，雷晴禾

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

液化天然氣(LNG)是一種清潔、環(huán)保、便于運(yùn)輸和使用的新興能源[1]。在終端再氣化過(guò)程中，作為核心設(shè)備的LNG汽化器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前LNG工業(yè)上應(yīng)用的氣化器可概括為三種類型[2]，開(kāi)架式氣化器(ORV)、沉浸式氣化器(SCV)、中間介質(zhì)氣化器(IFV)，其中ORV的外管壁易結(jié)冰，設(shè)備體積巨大。SCV運(yùn)行成本比較高。而國(guó)內(nèi)IFV設(shè)備研究正處于試運(yùn)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(yùn)行成本低等特點(diǎn)。因此，PCHE在不久的將來(lái)成為L(zhǎng)NG氣化過(guò)程中核心設(shè)備的趨勢(shì)越來(lái)越明顯[3]。

1 LNG印刷板式換熱器技術(shù)

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(guò)程包括光電化學(xué)刻蝕和擴(kuò)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)[5]，其主體由眾多微通道構(gòu)成，與經(jīng)典的大尺度流體通道相比，其通道內(nèi)的流體在流動(dòng)的過(guò)程中受到的作用力有所不同，因此會(huì)體現(xiàn)出不同的流體流動(dòng)特性與轉(zhuǎn)換機(jī)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(guó)Heatric公司提出，具有結(jié)構(gòu)緊湊、流道設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，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(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)的傳熱問(wèn)題。鑒于PCHE在LNG氣化工藝中具有大規(guī)模應(yīng)用前景，了解PCHE在低溫和兩相流動(dòng)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(jié)構(gòu)比較小，會(huì)導(dǎo)致較大壓降產(chǎn)生。因此，研究學(xué)者大多以超臨界流體和優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)來(lái)降低設(shè)備工作時(shí)的壓降，以增強(qiáng)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(duì)流動(dòng)阻力和傳熱效率的影響。超臨界液化天然氣的進(jìn)口溫度為 121 K，壓力為10.5 MPa。垂直螺距Lv=1.67 mm和交錯(cuò)螺距Ls=0 mm時(shí)，LNG參考質(zhì)量流量設(shè)定為1.22 g/s，雷諾數(shù)約為3 750。結(jié)果表明翼型比直流道型具有更好的熱工水利性能。交錯(cuò)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(duì)PCHE翼型的努塞特?cái)?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(shí)的傳熱特性。采用多相模型和單相模型對(duì)跨臨界流體的特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，兩種模型的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)。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(diǎn)前后，溫差分布中分別出現(xiàn)了一個(gè)谷點(diǎn)和一個(gè)峰點(diǎn)，分別代表?yè)Q熱弱化和強(qiáng)化的局部位置。結(jié)果表明，兩種流體的比熱率和質(zhì)量流量對(duì)局部熱特性的影響最大。

Shin等[10]采用擴(kuò)散鍵合方法設(shè)計(jì)制造了一種PCHE，并在液氮條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中冷側(cè)通入液氮，質(zhì)量流量保持在約300 kg/h，熱側(cè)通入氮?dú)?，質(zhì)量流量從約531 kg/h增加到1 002 kg/h。利用測(cè)得的溫度和壓力，使用ANSYS Fluent計(jì)算出熱側(cè)的傳熱系數(shù)，并估算冷側(cè)的平均傳熱系數(shù)。結(jié)果證實(shí)，在實(shí)驗(yàn)冷端的傳熱系數(shù)存在于兩相流和單相流的相關(guān)關(guān)系中，并計(jì)算了兩相效應(yīng)區(qū)與單相區(qū)在傳熱方面的比率，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的經(jīng)驗(yàn)方程，預(yù)測(cè)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(jìn)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(shè)計(jì)方案對(duì)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(cuò)布置的冷熱通道與對(duì)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(duì)氦氣在對(duì)半圓形和圓形幾何形狀通道的層流到湍流轉(zhuǎn)變行為進(jìn)行了數(shù)值研究。根據(jù)圓管層流的經(jīng)典相關(guān)性，比較了半圓直通道流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果。結(jié)果表明，比較結(jié)果吻合較好，圓形和半圓形通道層流向湍流轉(zhuǎn)變的雷諾數(shù)分別為2 300和3 100。

Lee等[13]對(duì)具有半圓形、矩形、梯形和圓形通道形狀的PCHE的性能進(jìn)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(jié)果。結(jié)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(jìn)行了比較。采用無(wú)量綱方法研究了正弦通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱工水力性能的影響，即幅值與周期的比值。結(jié)果表明，與直流道相比，通風(fēng)機(jī)整體努塞特?cái)?shù)可提高7.4%～13.9%，通風(fēng)機(jī)整體摩擦系數(shù)可提高 10.9%～16.7%。振幅和周期比對(duì)正弦通道PCHE的性能有顯著影響。在試驗(yàn)工況中，努塞特?cái)?shù)和范寧摩擦系數(shù)均隨比值先增大后減小。當(dāng)比值約為0.2時(shí)，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(jié)果顯示，壓降在流體流動(dòng)方向的變化很小，熱量保持不變。同時(shí)，在對(duì)橫向螺距和交錯(cuò)縱向螺距對(duì)傳熱性能的影響進(jìn)行了廣泛研究的基礎(chǔ)上，得出了在PCHE中具有較大迎風(fēng)面積和較短翼型翅片長(zhǎng)度時(shí)，可以獲得更好的傳熱性能。

Aneesh等[16]開(kāi)發(fā)了一種新的PCHE，研究三角形、正弦和梯形三種波道構(gòu)型對(duì)PCHE傳熱性能的影響。并研究了周期通道內(nèi)的局部流動(dòng)和換熱特性。在此基礎(chǔ)上，將該P(yáng)CHE與直流道PCHE的熱工水利性能進(jìn)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(cè)試的運(yùn)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(duì)于正弦波道和三角波道PCHE結(jié)構(gòu)，傳熱效率分別增加33%和28%。

Lee等[17]采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，在三維雷諾平均Navier-Stokes分析的基礎(chǔ)上，對(duì)PCHE中的Z形通道進(jìn)行了形狀優(yōu)化來(lái)提高傳熱性能，降低摩擦損失。并以冷通道的角度與長(zhǎng)徑之比為變量。利用k均值聚類方法進(jìn)行了五種最優(yōu)設(shè)計(jì)。對(duì)這些設(shè)計(jì)的流動(dòng)和傳熱特性以及目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行了比較。

Ngo等[18]應(yīng)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(yùn)行情況，確定了一種新的S翅片和板的結(jié)構(gòu)，新的PCHE提供了約3.3倍的體積；CO2側(cè)和H2O側(cè)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(duì)插入直流道的鋸齒型PCHE的熱水力特性進(jìn)行了三維數(shù)值分析。研究了直流道的傳熱和壓降隨質(zhì)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(jié)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(lái)的鋸齒形通道提高了26%～28%。

Kwon等[20]設(shè)計(jì)了小型的PCHE，并研究了其在不同低溫?fù)Q熱條件下的熱工水利性能：對(duì)單相換熱、沸騰換熱和冷凝換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。在單相實(shí)驗(yàn)的情況下，提出了修正的dittos-boelter經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。在沸騰實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)發(fā)現(xiàn)冷、熱側(cè)流體的溫差大是導(dǎo)致膜沸騰現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。在冷凝實(shí)驗(yàn)中，提出了修正的Aker經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(duì)熱工水力特性的影響。結(jié)果表明，減小通道截面對(duì)通道總換熱率的負(fù)面影響較小，但會(huì)大大減小PCHE的體積，從而使PCHE更加緊湊。對(duì)不同通道截面的性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在提高傳熱能力和減小體積的目標(biāo)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(wèn)題。

Ma等[22]建立了一種新的預(yù)測(cè)PCHE內(nèi)部流動(dòng)分布不均勻的數(shù)學(xué)模型，證明了傳統(tǒng)的縮短換熱通道的簡(jiǎn)化數(shù)值模型在預(yù)測(cè)PCHE內(nèi)部流動(dòng)分布時(shí)存在較大的誤差。進(jìn)出口局部水力損失是影響流動(dòng)不均勻的根本原因。增大通道長(zhǎng)度可以改善流動(dòng)的均勻性，而隨著流量的增加，流動(dòng)的均勻性變差。當(dāng)通道長(zhǎng)度超過(guò)500倍于通道的水力直徑時(shí)，流量不均勻性可以忽略，并提出了PCHE的幾何尺寸與運(yùn)行條件之間的關(guān)系來(lái)判斷流動(dòng)的均勻性。

Jeon等[23]提出了一種新型的異構(gòu)形PCHE，并對(duì)其傳熱性能進(jìn)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(duì)傳熱性能的影響。結(jié)果表明，管道的橫截面形狀對(duì)熱工水利性能的影響不顯著。通道間距對(duì)PCHE的傳熱性能影響也不大，但對(duì)PCHE結(jié)構(gòu)的可靠性有顯著影響。在固定質(zhì)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(diào)下降。

Lee等[24]對(duì)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(cè)通道的半橢圓縱橫比)的性能進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，當(dāng)冷側(cè)通道的角度與熱側(cè)通道的角度相近時(shí)，換熱器的效率最大。

Min等[25]建立了考慮PCHE結(jié)構(gòu)和溫度分布的滲透模型。PCHE的結(jié)構(gòu)反映在形狀因子上，而壁面上的熱分布反映在有效擴(kuò)散系數(shù)上。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PCHE壁面溫度分布不均時(shí)，PCHE滲透模型對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)誤差在±20%范圍內(nèi)，而現(xiàn)有的模型對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)最大值為400%，當(dāng)PCHE壁面溫度分布不均時(shí)，對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)最大值為69%。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于印刷板式換熱器要求較高的加工工藝，同時(shí)LNG工廠工藝流程復(fù)雜多變，難以對(duì)換熱器進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)分析，目前建立PCHE數(shù)值模型已能夠預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響。為了提高LNG工業(yè)再氣化的產(chǎn)量，有待對(duì)以LNG為工質(zhì)的PCHE傳熱特性及流動(dòng)特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，為設(shè)備設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。與此同時(shí)，隨著海上天然氣平臺(tái)的不斷增加，未來(lái)我國(guó)對(duì)LNG的進(jìn)口會(huì)越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)在PCHE相關(guān)技術(shù)研究瓶頸和制造工藝亟待突破。