印刷電路板式氣化器綜述

王靜文

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 概述

在全球能源消耗不斷增加，生態(tài)環(huán)境污染日益嚴(yán)重的大背景下，天然氣作為一種（Natural Gas，NG）安全可靠，清潔環(huán)保，經(jīng)濟(jì)高效的新型能源，在我國能源市場中的需求量急劇增加，其儲(chǔ)存運(yùn)輸方式也受到了空前的關(guān)注。常溫常壓下，天然氣的體積約為同質(zhì)量液態(tài)天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）體積的625倍。為了高效且經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸，通常將常壓下的天然氣壓縮，冷卻至163℃，使其成為液態(tài)天然氣后進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸。低溫LNG在使用或輸入管道之前，需經(jīng)由LNG氣化器氣化成NG才能使用，LNG經(jīng)過氣化器氣化并進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，最終以氣體狀態(tài)輸送至管道消費(fèi)端，LNG氣化器是這一過程的核心設(shè)備[1-2]。

作為一種新型微通道換熱器，印刷電路板式氣化器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE）采用了光化學(xué)刻蝕的方法，在金屬板上刻蝕出密集的微細(xì)通道，將各層金屬板疊放在一起，利用擴(kuò)散焊接技術(shù)，組裝成氣化器芯體。

2 印刷電路板式氣化器的優(yōu)點(diǎn)

1）PCHE結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，成本低廉。在相同的熱載荷和壓降下，與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，翼型PCHE只有傳統(tǒng)管殼式換熱器體積的1／5。因此翼型PCHE不需要大型機(jī)械設(shè)備加工制造，原料消耗少，生產(chǎn)成本大大降低。

2）PCHE換熱效率高，加熱速度快。平均單位質(zhì)量熱載荷高達(dá)200kg／MW，有資料顯示其預(yù)熱響應(yīng)時(shí)間僅為幾秒鐘，且溫度控制理想，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)管殼式換熱器。

3）PCHE能量損失小。翼型PCHE微通道中的翼型翅片運(yùn)用仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，很大程度上減小了流體流動(dòng)阻力，其特殊的流線形狀能夠增強(qiáng)流體擾動(dòng)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量渦流和分離流，提高了換熱效率，減小了能量損失。

4）PCHE耐高溫高壓，有極高的安全性和可靠性。它可承受的工作溫度高達(dá)900℃，可承受的最大工作壓力超過60MPa。

5）PCHE抗腐蝕性好。翼型PCHE的外層配有涂層，提高了其抗腐蝕能力與使用壽命。

3 印刷電路板式氣化器研究現(xiàn)狀

近幾年，針對(duì)PCHE的研究越來越多，從單通道傳熱到平行通道換熱，從單相流換熱到兩相流換熱，研究方向不斷拓展。根據(jù)冷熱流體流動(dòng)方向的不同，PCHE又分為順流流動(dòng)、逆流流動(dòng)、叉流流動(dòng)以及復(fù)合流動(dòng)。已公開的研究表明，目前大多數(shù)學(xué)者的研究對(duì)象都是逆流流動(dòng)，而對(duì)交叉流PCHE的研究則少之又少。就目前研究的通道內(nèi)流體對(duì)象來說，常見的微通道工質(zhì)有水和二氧化碳，對(duì)于超臨界LNG的理論和實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，且大部分研究都集中在數(shù)值分析方面。

4 印刷電路板式氣化器的應(yīng)用

PCHE是一種能在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率換熱的換熱器。目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、煉油化工、核電、太陽能發(fā)電、氫能、建筑、冶金、機(jī)械制造以及醫(yī)藥食品等各個(gè)領(lǐng)域。

在石油天然氣工業(yè)中，PCHE已逐步成為海上浮式LNG換熱器的首選，被廣泛應(yīng)用于LNG接收終端以及 LNG-FSRU[3]。

5 對(duì)流換熱的理論分析

對(duì)流換熱指的是流體流經(jīng)固體時(shí)，流體與固體表面間的熱量傳遞現(xiàn)象。與熱對(duì)流不同，對(duì)流換熱是導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的一種復(fù)雜的熱傳遞過程。對(duì)流換熱強(qiáng)度依據(jù)牛頓冷卻定律，其基本計(jì)算公式為Q＝h（Tw-Tf），式中，Q為熱流密度，即單位時(shí)間內(nèi)單位面積的固體表面與流體間交換的熱量；Tw，Tf分別表示固體表面溫度和流體溫度；h稱為對(duì)流換熱系數(shù)，表示單位面積的固體表面，當(dāng)固體與流體間溫度差為1K時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。它的大小與換熱過程中的諸多因素有關(guān)，因此，牛頓冷卻公式只是對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的一個(gè)定義，并沒有揭示對(duì)流換熱系數(shù)與能夠?qū)λa(chǎn)生影響的各物理量之間的聯(lián)系。影響對(duì)流換熱的因素實(shí)際上是影響流體流動(dòng)與流體中熱量傳遞因素的綜合作用，主要可以歸納為五個(gè)方面[4]：

1）流體流動(dòng)的起因。流體流動(dòng)按起因不同，分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流借助外力產(chǎn)生流動(dòng)，自然對(duì)流由于流體密度差而引發(fā)流動(dòng)，起因不同，速度場不同，換熱規(guī)律也不同。

2）流體有無相態(tài)變化。流體沒有相態(tài)變化時(shí)，對(duì)流換熱過程中的熱量交換是流體的顯熱變化導(dǎo)致：有相態(tài)變化時(shí)，流體釋放或吸收潛熱，對(duì)傳熱過程影響較大。

3）流體流動(dòng)狀態(tài)。層流狀態(tài)下，流體微團(tuán)沿主流方向做有規(guī)則的分層運(yùn)動(dòng)，而湍流狀態(tài)下，流體各部分間發(fā)生混合，因此，相對(duì)于層流來說，湍流流動(dòng)傳熱更強(qiáng)烈。

4）流體物性條件。流體的密度，動(dòng)力黏度，定壓熱容，導(dǎo)熱率等熱物理性質(zhì)均會(huì)對(duì)通道內(nèi)流體的速度分布與熱量傳遞產(chǎn)生較大的影響，尤其是超臨界流體，影響更為顯著。

5）換熱面幾何因素。流體與固體相接觸的換熱面的形狀，大小，表面粗糙度以及流體流動(dòng)方向與換熱面的相對(duì)位置等都會(huì)影響流體與固體間的對(duì)流換熱。

因此研究如何強(qiáng)化翼型PCHE的流動(dòng)換熱特性，選取適合的強(qiáng)化換熱手段也十分重要。

6 強(qiáng)化換熱理論分析

對(duì)于氣化器強(qiáng)化換熱來說，力求在保證氣化器整體結(jié)構(gòu)尺寸不變的條件下，通過采取某種技術(shù)或措施，來提高對(duì)流換熱系數(shù)或減小熱阻，使氣化器在單位時(shí)間單位面積傳遞熱量的能力能夠增強(qiáng)，且能量損耗能夠減少。

傳熱量Q的表達(dá)式為：Q＝kA Tm，式中k為傳熱系數(shù)；A為換熱面積；Tm為冷熱流體平均傳熱溫差。由上述表達(dá)式可以看出，要研究PCHE內(nèi)流動(dòng)傳熱的強(qiáng)化，可從這幾個(gè)方面入手：

1）增加平均傳熱溫差。增加平均傳熱溫差方法有兩種，一是冷熱流體進(jìn)出口溫度一定時(shí)，改變換熱面的布置方式：二是增加冷熱流體進(jìn)出口溫度差以增大平均傳熱溫差。這兩種方法都因工藝條件受限，應(yīng)用范圍十分有限。

2）擴(kuò)大傳熱面積。一是采用小直徑管：二是采用各種肋片管，螺紋管等擴(kuò)大表面換熱面：三是采用板式和板肋式等新型緊湊式換熱器：一般擴(kuò)展傳熱表面面積后，雖提高了傳熱系數(shù)，但同時(shí)流動(dòng)阻力也會(huì)增加，故采用擴(kuò)展表面的方法也會(huì)受到各種條件的限制。

3）提高傳熱系數(shù)。盡可能減薄溫度邊界層厚度：盡可能使邊界層內(nèi)的擾動(dòng)增加。

4）提高工質(zhì)流速。盡可能讓流體橫向沖刷管束，消除流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋渦死滯區(qū)，增強(qiáng)流體的擾動(dòng)與混合、破壞流體邊界層或?qū)恿鞯讓拥某浞职l(fā)展、改變換熱表面狀態(tài)等?？梢酝ㄟ^采用表面粗糙的螺紋管、螺旋槽管、波形板擴(kuò)展表面翅片管、內(nèi)肋管旋渦發(fā)生器扭帶、螺旋線圈、導(dǎo)流葉片等強(qiáng)化有相變的沸騰傳熱過程。增加換熱面的汽化核心及生成氣泡的頻率。采用高效多孔換熱表面，沸騰換熱系數(shù)能提高近十倍。表面滲層、表面噴涂、表面滾花、開槽表面，強(qiáng)化有相變的凝結(jié)傳熱過程，實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)表面鍍層，減薄凝結(jié)液膜厚度內(nèi)肋管、外肋管、扭帶、螺旋線圈等。

7 翼型印刷電路板式氣化器強(qiáng)化換熱的措施

為推動(dòng)PCHE在眾多領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，研究PCHE的流動(dòng)傳熱特性，對(duì)PCHE提出強(qiáng)化傳熱措施已經(jīng)成為當(dāng)今大多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。而PCHE換熱流道也經(jīng)歷了從 “平直流道-Z字形流道-S形流道-翼型流道”的發(fā)展過程。因此目前對(duì)于翼型PCHE強(qiáng)化換熱措施的研究顯的尤為重要。

所謂翼型PCHE，是指在金屬板上采用光化學(xué)刻蝕法刻蝕出微通道，通道內(nèi)部凸起的固體部分呈翼型形狀，再將各層金屬板疊置，利用擴(kuò)散焊技術(shù)制成換熱器芯體。目前最常見的翼型PCHE是以NACA一系列翼型型號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)刻蝕的，其內(nèi)芯部分采用整體制備工藝制造而成，材料多采用擁有良好的塑性和韌性的316L不銹鋼。圖1展示了經(jīng)過光化學(xué)刻蝕的翼型PCHE金屬板的圖片。

圖1 翼型PCHE金屬板

在高壓系統(tǒng)中，超臨界LNG沿翼型PCHE翼型翅片的頭部方向流入，在通道內(nèi)被加熱或冷卻，最終從翼型PCHE翼型翅片的尾部方向流出。該過程的熱交換發(fā)生在流體和翅片表面以及金屬板壁面之間。圖2展示了翼型PCHE金屬板中的流道。

圖2 翼型PCHE通道配置

研究方向：

1）確定氣化器結(jié)構(gòu)，運(yùn)行參數(shù)以及工質(zhì)物性參數(shù)。

2）提取氣化器芯體內(nèi)一根或兩根完整管道作為研究對(duì)象，建立二維或三維的傳熱模型，根據(jù)工質(zhì)的進(jìn)出口參數(shù)，對(duì)流型和狀態(tài)做大致的判斷，選擇合適的連續(xù)性方程，能量方程以及動(dòng)量方程。根據(jù)工質(zhì)的熱物理性質(zhì)隨溫度的變化，以及通道內(nèi)相態(tài)的變化，選擇多相流模型和湍流模型。

3）調(diào)整松弛因子，依次模擬計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下翼型PCHE通道內(nèi)的流體流動(dòng)。

4）通過對(duì)比分析模擬結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)木C合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同的翼型流道進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最佳的翼型翅片排列布置形式。

5）保持兩相鄰翼型翅片的最佳垂直距離與最佳平行距離不變，對(duì)翼型翅片形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，模擬計(jì)算改進(jìn)后的翼型通道，綜合評(píng)價(jià)兩者的熱工水力性。對(duì)翼型翅片結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化

8 結(jié)語

當(dāng)今時(shí)代，國家大力倡導(dǎo)能源轉(zhuǎn)型，鼓勵(lì)使用綠色能源低碳能源，毫無疑問，LNG將會(huì)是我國未來能源的重要支柱。目前國家正大力發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)鏈，LNG接收站的發(fā)展必須依靠于其技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，而氣化器正是接收站的核心設(shè)備，且其結(jié)構(gòu)簡單，易于操作又經(jīng)濟(jì)可靠，由此看來，對(duì)氣化器的不斷優(yōu)化研究將會(huì)是整個(gè)天然氣工業(yè)的方向與趨勢(shì)。