印刷電路板式換熱器的研究綜述及應(yīng)用

吳楠楠，韓楚君，王佳樂(lè)

印刷電路板式換熱器的研究綜述及應(yīng)用

吳楠楠，韓楚君，王佳樂(lè)

（西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710000）

印刷電路板式換熱器具有傳熱效率高、集成性、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)，在化工、石油化工、航空航天等領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)印刷電路板式換熱器的結(jié)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行綜述。

印刷電路板式換熱器； 應(yīng)用； LNG氣化器

1 換熱器的發(fā)展

隨著我國(guó)高能耗工業(yè)的不斷增加，關(guān)于能源儲(chǔ)備不足和環(huán)境污染問(wèn)題都在日益加劇。節(jié)約能源并提高利用率是最有效且最容易實(shí)施的解決能源問(wèn)題的辦法[1]。而研究如何強(qiáng)化換熱器的傳熱效率，能夠有效的節(jié)約能源、降低成本。

換熱器作為一種高效換熱的裝置，可以滿足許多工業(yè)的生產(chǎn)需求?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用到化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)[2]。隨著制造工藝水平的提升，換熱器由幾根鑄鐵管組成的換熱器發(fā)展到板式換熱器、管殼式換熱器和印刷電路板式換熱器（Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE）等多種換熱設(shè)備。

相比于傳統(tǒng)的換熱器，印刷電路板式換熱器的穩(wěn)定性、換熱率、使用年限、生產(chǎn)費(fèi)用等都有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著換熱器逐漸變得小型化，印刷電路板換熱器的發(fā)展前景必然廣闊[3]。

2 印刷電路板式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)展及性能

PCHE的制造工藝十分復(fù)雜，其流體通道是在金屬板片上采用光化學(xué)刻蝕法形成的，其橫截面基本以半圓形結(jié)構(gòu)為主[4]，直徑僅為１～２mm，甚至可以更小。通過(guò)擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)，將堆疊好的板片粘合在一起，形成一個(gè)牢固的金屬換熱芯體，并且粘合處可達(dá)到母材強(qiáng)度[5]。PCHE的單位質(zhì)量熱載荷可達(dá)到200 kg·MW-1[6]，能夠承受高壓和高溫，有著很高的穩(wěn)定性和安全性。

2.1 研究現(xiàn)狀

在過(guò)去的幾十年里，PCHE的換熱通道經(jīng)歷了從平直形到Z形、S形再到翼型的發(fā)展[7]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究不同形狀的換熱通道和工作流體下工質(zhì)的換熱和流動(dòng)規(guī)律。

CHU等[8]研究超臨界SCO2在平直通道的熱工水力性能，發(fā)現(xiàn)傳熱速率并不是呈線性增長(zhǎng)的。Chen等[9]制造了按比例縮小的Z形通道的PCHE，實(shí)驗(yàn)研究PCHE的傳熱性能和壓降。結(jié)果表明，相比平直通道，Z形通道在過(guò)渡流區(qū)域有著顯著的優(yōu)勢(shì)。李雪等[10]通過(guò)3D數(shù)值模型，研究了Z形通道PCHE的傳熱性能和流體的流動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)大于250時(shí)，15°的Z形通道傳熱性能最好。

Ngo等[11]將一種S形結(jié)構(gòu)的通道應(yīng)用于熱水供應(yīng)器，采用3D CFD模擬發(fā)現(xiàn)新型通道的體積比傳統(tǒng)熱水供應(yīng)器的減少了大約3.3倍；CO2側(cè)壓降降低了37%，H2O側(cè)壓降降低了10倍。Ngo等[12]用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超臨界CO2在S形通道的熱工水力性能的模擬結(jié)果，并比較了S形和Z形通道印刷電路板式換熱器的熱工水力性能。結(jié)果表明，在一定范圍的雷諾數(shù)下，Z形通道的壓降因子是S形通道的4～5倍，盡管S形通道的Nu比Z形通道小24%～34%。

丁源等[13]等采用數(shù)值模型的方法，比較平直通道和翼型翅片PCHE的熱工水力性能。結(jié)果表明，翼型翅片的強(qiáng)化效果和換熱性能均優(yōu)于平直通道。Yoon等[14]考慮總成本的情況下，比較直通道、Z形、S形和翼型PCHE的整體傳熱性能。結(jié)果表明，翼型PCHE的整體傳熱性能最好。Wang等[15]以熔鹽作為PCHE的熱側(cè)傳熱流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，翼型翅片通道比平直通道和Z形通道的傳熱性能好很多。

Cui等[16]基于NACA0020翼型翅片提出了新型翅片，結(jié)果表明，新型翅片擁有更好的綜合性能和更小的火積耗散，且翅片的適當(dāng)交錯(cuò)布置和合適的流型可以減小邊界層的影響，能夠有效的改善熱工水力性能。Xu等[17]研究以超臨界CO2為工質(zhì)，4種不同類型的PCHE下的熱工水力特性。結(jié)果表明：當(dāng)超臨界CO2的質(zhì)量流量較低時(shí)，4種不連續(xù)翅片的熱工水力性能基本一致，但是隨著質(zhì)量流量的增加，翼型翅片的整體熱力水工性能優(yōu)于其他3種不連續(xù)翅片，尤其是在翅片交錯(cuò)排列時(shí)。在所有結(jié)構(gòu)中矩形肋片的熱力性能最差；肋片布置方式對(duì)倒圓角的矩形和橢圓形肋片的熱力性能影響很小。

根據(jù)前面的文獻(xiàn)綜述可以得出，印度電路板式換熱器可以擁有直、Z形、S形和翼型翅片通道。隨著通道的不斷優(yōu)化，印刷電路板式換熱器會(huì)擁有更好的綜合性能和更高的傳熱效率。

2.2 印刷電路板式換熱器的特點(diǎn)

作為一種高效、節(jié)能的換熱器，印刷電路板式換熱器在高溫、高壓和高換熱需求的情況下，有著傳統(tǒng)換熱器沒(méi)有的巨大優(yōu)勢(shì)[18]。它具有以下的性能優(yōu)點(diǎn)。

1）相比管殼式換熱器，在相同的熱負(fù)荷和壓降情況下，PCHE是體積和質(zhì)量?jī)H為其的1/6～ 1/4[19]。PCHE能夠極大的節(jié)約平臺(tái)面積，最多可節(jié)省85%的占地面積。且PCHE能大量節(jié)省鋼材量，并能簡(jiǎn)化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）相比管殼式換熱器，PCHE能夠有效減小壓降和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，損壞的風(fēng)險(xiǎn)很低[20]。因此，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失效情況例如管殼爆裂，也不會(huì)出現(xiàn)由于墊圈失效帶來(lái)的泄露問(wèn)題。

3）PCHE能在極其惡劣的條件下工作，有著極強(qiáng)的耐低溫、耐高溫(－270～900 ℃)和耐高壓(70 MPa)能力[21]。且PCHE有著很高的換熱效率，最高的換熱單元可達(dá)到98%。

3 印刷電路板式換熱器的應(yīng)用研究

3.1 印刷電路板換熱器在液化天然氣的應(yīng)用

天然氣作為一種清潔、高熱值的能源，在我國(guó)的消費(fèi)占比在逐年提升，液化天然氣（LNG）產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷發(fā)展。因此，LNG接收站正持續(xù)增加[22]，海上LNG浮式儲(chǔ)存和再氣化裝置(FSRU)也得到廣泛的應(yīng)用[23]。換熱器作為L(zhǎng)NG再氣化裝置，是產(chǎn)業(yè)鏈必不可少的設(shè)備。尤其在深海進(jìn)行天然氣開(kāi)采時(shí)，工作空間狹小，海上環(huán)境惡劣，這就對(duì)換熱器的換熱效率、設(shè)備體積和重量提出了更高的要求[24]。

傳統(tǒng)的LNG氣化器一般分為開(kāi)架式氣化器（ORV）和浸沒(méi)燃燒式氣化器（SCV）兩種。但是ORV受氣候影響因素較大，且其傳熱管外壁容易結(jié)冰，氣化能力就會(huì)受到影響，有著占地面積大的局限性。SCV是以消耗LNG來(lái)進(jìn)行氣化，因此運(yùn)行費(fèi)用很高，只能用來(lái)調(diào)峰或緊急情況下使用。由于工作空間的限制及較高的溫度和壓力環(huán)境，傳統(tǒng)的氣化器不能很好的滿足氣化的需求，需要使用耐高溫高壓、抗腐蝕的緊湊式換熱器。

PCHE作為一種新型的微通道換熱器，其極高的換熱效率和集成性非常適用于液化天然氣接收站的中間流體換熱器中[25]。是浮式LNG換熱器首選，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于接收站和LNG—FSRU。根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)可得，PCHE的總傳熱效率可達(dá)95.4%，與管殼式換熱器相比，在相同換熱面積下，PCHE的體積、面積和質(zhì)量?jī)H為其34%、252%和15%[26]。1臺(tái)PCHE可達(dá)到4臺(tái)管殼式換熱器并聯(lián)的傳熱效果，其緊湊的結(jié)構(gòu)可以大幅減少占地面積，節(jié)省鋼材的使用和平臺(tái)的建造成本。

PCHE能夠適用于天然氣處理系統(tǒng)的極端條件[27-28]，使得天然氣工藝的換熱裝置多樣化，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)海上油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣泛使用。浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置目前正在持續(xù)建設(shè)中，PCHE的應(yīng)用就顯得非常重要。

3.2 其他應(yīng)用

PCHE能夠適用于絕大多數(shù)高溫高壓的工業(yè)領(lǐng)域，比如超臨界二氧化碳循環(huán)、氫能、核能等領(lǐng)域[29-31]，并且其換熱性能遠(yuǎn)比傳統(tǒng)換熱器好的多。因此，PCHE的應(yīng)用潛力非常大。此外，PCHE作為新型微通道換熱器，還有著緊湊型[32]、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天也有著很大的發(fā)展空間。

4 結(jié)論

作為一種高效緊湊的換熱器，PCHE現(xiàn)已成功應(yīng)用到化工、石油化工、航天等多種工業(yè)場(chǎng)合。PCHE可以在極端的環(huán)境條件下適用，且有著十分高效的換熱能力，在未來(lái)有著十分廣闊的前景。本文對(duì)印刷電路板式換熱器的國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究及應(yīng)用做了簡(jiǎn)要總結(jié)，以供未來(lái)研究人員參考。

［1］HE Y L, WANG K, QIU Y, et al. Review of the Solar Flux Distribution in Concentrated Solar Power: NonUniform Features, Challenges, and Solutions [J]., 2019, 149: 448-47．

［2］劉杰.換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)的選取[J].遼寧化工, 2014, 43(11): 1396-1397．

［3］葛洋,姜未汀.微通道換熱器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展,2016, 35(S1):10-15．

［4］李磊. 印刷電路板通道的高溫傳熱和阻力特性研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2014, 35 (05)：931-934

［5］杜文靜,趙浚哲,張立新,等.換熱器結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述及展望[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2021,51(05):76-83

［6］SMIL V. Natural gas: fuel for the 21st century, John Wiley & Sons, United Kingdom, 2015.

［7］LIU G X, HUANG Y P, WANG J F, et al. A review on the thermal-hydraulic performance and optimization of printed circuit heat exchangers for supercritical CO2in advanced nuclear power systems[J]., 2020, 133: 110290.

［8］CHU W X, LI X H, MA T, et al. Experimental Investigation on SCO2-Water Heat Transfer Characteristics in a Printed Circuit Heat Exchanger with Straight Channels [J]., 2017, 113: 184-194.

［9］CHEN M H, SUN X D, CHRISTENSEN R N, et al. Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics of a High-Temperature Printed Circuit Heat Exchanger[J]., 2016, 108 (9): 1409-1417.

［10］李雪,陳永東,于改革,等.印刷電路板式換熱器Zigzag通道流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械,2017,45(11):72-78.

［11］NGO T L, KATO Y, NIKITIN K, et al. New printed circuit heat exchanger with S-shaped fins for hot water supplier［J］.. 2006，30：811-819.

［12］NGO T L, KATO Y, NIKITIN K, et al, Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles［J］.. 2007，32：811-819.

［13］丁源,童自翔,王文奇,等.超臨界二氧化碳印刷電路板式換熱器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2022,43(05):1351-1356.

［14］YOON S H, NO H C, KANG G B. Assessment of straight, zigzag, S-shape, and airfoil PCHEs for intermediate heat exchangers of HTGRs and SFRs［J］.. 2014，270：334-343.

［15］WANG W Q, QIU Y, HE Y L, et al. Experimental study on the heat transfer performance of a molten-salt printed circuit heat exchanger with airfoil fins for concentrating solar power[J]., 2019, 135: 837-846.

［16］CUI X Y, GUO J F, HUAI X L, et al. Numerical study on novel airfoil fins for printed circuit heat exchanger using supercritical CO2［J］.，2018，121: 354-66.

［17］XU X Y, WANG Q W, LI L, et al. THERMAL-HYDRAULIC PERFORMANCE OF DIFFERENT DISCONTINUOUS FINS USED IN A PRINTED CIRCUIT HEAT EXCHANGER FOR SUPERCRITICAL CO2［J］.，2015，68 (10): 1067-86.

［18］CACCIA M, TABANDEH-KHORSHID M, ITSKOS G, et al. CeramicMetal Composites for Heat Exchangers in Concentrated Solar Power Plants [J]., 2018, 562: 406-409.

［19］吳維武,王東寶,趙黎明,等.印刷電路板式LNG氣化器換熱試驗(yàn)研究[J].海洋工程裝備與技術(shù),2016,3(01):20-24.

［20］尤學(xué)剛,劉新宇,曾冬,等.國(guó)產(chǎn)印刷電路板式換熱器的首次工業(yè)應(yīng)用研究[J].石油機(jī)械,2022,50(02):46-52.

［21］TSUZUKI N, KATO N, ISHODUKA T. High performance printed circuit heat exchanger [J]., 2007, 27: 1702-1707.

［22］李中全.液化天然氣冷能的階級(jí)回收與利用[J].遼寧化工, 2021, 50 (07): 1091-1093.

［23］POPOV D, FIKIIN K, STANKOV B, et al. Cryogenic Heat Exchangers for Process Cooling and Renewable Energy Storage: A Review [J].2019, 153 (5): 275-290

［24］吳維武,王東寶,趙黎明,等.印刷電路板式LNG氣化器分段設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J].海洋工程裝備與技術(shù),2016,3(02):93-98.

［25］李瑋哲,林文勝.超臨界甲烷在印刷電路板換熱器中加熱過(guò)程模擬[J].低溫工程,2017(05):60-64.

［26］張文毓. 印制電路板式換熱器的研究與應(yīng)用[J].上海電氣技術(shù),2019,12(04):64-68.

［27］何藝?yán)?印刷板路式換熱器的數(shù)值分析與整體優(yōu)化[D].華北電力大學(xué)(北京), 2020.

［28］張虎忠. 超臨界CO2印刷電路板換熱器性能研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所),2020.

［29］石明珠,邵應(yīng)娟,鐘文琪,等.核動(dòng)力船艦超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)建模與性能分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020, 50 (02): 351-357.

［30］楊志鋒,曲瑞波,梁晨.基于ANSYS對(duì)印刷電路板換熱器肋板應(yīng)力分析[J].化工裝備技術(shù),2021,42(05):9-11.

［31］REN Z, ZHAO C R, JIANG P X, et al. Investigation on local convection heat transfer of supercritical CO2during cooling in horizontal semicircular channels of printed circuit heat exchanger[J]., 2019,157:113697.

［32］RANGANAYAKULU C, SEETHARAMU K N. Compact Heat Exchangers - Analysis, Design and Optimization using FEM and CFD Approach[M]. 2018.

Research Review and Application of Printed Circuit Heat Exchanger

,,

（Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710000, China）

Printed circuit heat exchangers have the advantages of high efficiency heat transfer, integration, high temperature and high pressure resistance, and have huge application potential in chemical, petrochemical, aerospace and other fields. In this paper, the structural development and application of printed circuit plate heat exchanger were summarized.

Printed circuit heat exchangers; Applications; LNG vaporizers

2022-07-28

吳楠楠（1999-），女，陜西省銅川市人，碩士研究生，研究方向：石油與天然氣、印刷電路板式換熱器的研究。

TQ052.6

A

1004-0935（2023）02-0289-03