印刷電路板式氣化器綜述

王靜文

（西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065）

1 概述

在全球能源消耗不斷增加，生態環境污染日益嚴重的大背景下，天然氣作為一種（Natural Gas，NG）安全可靠，清潔環保，經濟高效的新型能源，在我國能源市場中的需求量急劇增加，其儲存運輸方式也受到了空前的關注。常溫常壓下，天然氣的體積約為同質量液態天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）體積的625倍。為了高效且經濟的運輸，通常將常壓下的天然氣壓縮，冷卻至163℃，使其成為液態天然氣后進行儲存運輸。低溫LNG在使用或輸入管道之前，需經由LNG氣化器氣化成NG才能使用，LNG經過氣化器氣化并進行溫度調節，最終以氣體狀態輸送至管道消費端，LNG氣化器是這一過程的核心設備[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）采用了光化學刻蝕的方法，在金屬板上刻蝕出密集的微細通道，將各層金屬板疊放在一起，利用擴散焊接技術，組裝成氣化器芯體。

2 印刷電路板式氣化器的優點

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

2）PCHE換熱效率高，加熱速度快。平均單位質量熱載荷高達200kg／MW，有資料顯示其預熱響應時間僅為幾秒鐘，且溫度控制理想，遠超傳統管殼式換熱器。

3）PCHE能量損失小。翼型PCHE微通道中的翼型翅片運用仿生學結構，很大程度上減小了流體流動阻力，其特殊的流線形狀能夠增強流體擾動，同時不會產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狀

近幾年，針對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。根據冷熱流體流動方向的不同，PCHE又分為順流流動、逆流流動、叉流流動以及復合流動。已公開的研究表明，目前大多數學者的研究對象都是逆流流動，而對交叉流PCHE的研究則少之又少。就目前研究的通道內流體對象來說，常見的微通道工質有水和二氧化碳，對于超臨界LNG的理論和實驗研究相對較少，且大部分研究都集中在數值分析方面。

4 印刷電路板式氣化器的應用

PCHE是一種能在有限空間內實現高效率換熱的換熱器。目前被廣泛應用于航空航天、煉油化工、核電、太陽能發電、氫能、建筑、冶金、機械制造以及醫藥食品等各個領域。

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

5 對流換熱的理論分析

對流換熱指的是流體流經固體時，流體與固體表面間的熱量傳遞現象。與熱對流不同，對流換熱是導熱與熱對流同時存在的一種復雜的熱傳遞過程。對流換熱強度依據牛頓冷卻定律，其基本計算公式為Q＝h（Tw-Tf），式中，Q為熱流密度，即單位時間內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稱為對流換熱系數，表示單位面積的固體表面，當固體與流體間溫度差為1K時，單位時間內所傳遞的熱量。它的大小與換熱過程中的諸多因素有關，因此，牛頓冷卻公式只是對對流換熱系數的一個定義，并沒有揭示對流換熱系數與能夠對它產生影響的各物理量之間的聯系。影響對流換熱的因素實際上是影響流體流動與流體中熱量傳遞因素的綜合作用，主要可以歸納為五個方面[4]：

1）流體流動的起因。流體流動按起因不同，分為強制對流和自然對流，強制對流借助外力產生流動，自然對流由于流體密度差而引發流動，起因不同，速度場不同，換熱規律也不同。

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

3）流體流動狀態。層流狀態下，流體微團沿主流方向做有規則的分層運動，而湍流狀態下，流體各部分間發生混合，因此，相對于層流來說，湍流流動傳熱更強烈。

4）流體物性條件。流體的密度，動力黏度，定壓熱容，導熱率等熱物理性質均會對通道內流體的速度分布與熱量傳遞產生較大的影響，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方向與換熱面的相對位置等都會影響流體與固體間的對流換熱。

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

6 強化換熱理論分析

對于氣化器強化換熱來說，力求在保證氣化器整體結構尺寸不變的條件下，通過采取某種技術或措施，來提高對流換熱系數或減小熱阻，使氣化器在單位時間單位面積傳遞熱量的能力能夠增強，且能量損耗能夠減少。

傳熱量Q的表達式為：Q＝kA Tm，式中k為傳熱系數；A為換熱面積；Tm為冷熱流體平均傳熱溫差。由上述表達式可以看出，要研究PCHE內流動傳熱的強化，可從這幾個方面入手：

1）增加平均傳熱溫差。增加平均傳熱溫差方法有兩種，一是冷熱流體進出口溫度一定時，改變換熱面的布置方式：二是增加冷熱流體進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，應用范圍十分有限。

2）擴大傳熱面積。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：一般擴展傳熱表面面積后，雖提高了傳熱系數，但同時流動阻力也會增加，故采用擴展表面的方法也會受到各種條件的限制。

3）提高傳熱系數。盡可能減薄溫度邊界層厚度：盡可能使邊界層內的擾動增加。

4）提高工質流速。盡可能讓流體橫向沖刷管束，消除流體流動時產生的旋渦死滯區，增強流體的擾動與混合、破壞流體邊界層或層流底層的充分發展、改變換熱表面狀態等。可以通過采用表面粗糙的螺紋管、螺旋槽管、波形板擴展表面翅片管、內肋管旋渦發生器扭帶、螺旋線圈、導流葉片等強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，沸騰換熱系數能提高近十倍。表面滲層、表面噴涂、表面滾花、開槽表面，強化有相變的凝結傳熱過程，實現珠狀凝結表面鍍層，減薄凝結液膜厚度內肋管、外肋管、扭帶、螺旋線圈等。

7 翼型印刷電路板式氣化器強化換熱的措施

為推動PCHE在眾多領域的發展與應用，研究PCHE的流動傳熱特性，對PCHE提出強化傳熱措施已經成為當今大多學者的研究熱點。而PCHE換熱流道也經歷了從 “平直流道-Z字形流道-S形流道-翼型流道”的發展過程。因此目前對于翼型PCHE強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刻蝕法刻蝕出微通道，通道內部凸起的固體部分呈翼型形狀，再將各層金屬板疊置，利用擴散焊技術制成換熱器芯體。目前最常見的翼型PCHE是以NACA一系列翼型型號為標準刻蝕的，其內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展示了經過光化學刻蝕的翼型PCHE金屬板的圖片。

圖1 翼型PCHE金屬板

在高壓系統中，超臨界LNG沿翼型PCHE翼型翅片的頭部方向流入，在通道內被加熱或冷卻，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）確定氣化器結構，運行參數以及工質物性參數。

2）提取氣化器芯體內一根或兩根完整管道作為研究對象，建立二維或三維的傳熱模型，根據工質的進出口參數，對流型和狀態做大致的判斷，選擇合適的連續性方程，能量方程以及動量方程。根據工質的熱物理性質隨溫度的變化，以及通道內相態的變化，選擇多相流模型和湍流模型。

3）調整松弛因子，依次模擬計算不同結構參數下翼型PCHE通道內的流體流動。

4）通過對比分析模擬結果，選擇適當的綜合評價指標對不同的翼型流道進行評價，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，對翼型翅片形狀進行優化改進，模擬計算改進后的翼型通道，綜合評價兩者的熱工水力性。對翼型翅片結果進一步優化

8 結語

當今時代，國家大力倡導能源轉型，鼓勵使用綠色能源低碳能源，毫無疑問，LNG將會是我國未來能源的重要支柱。目前國家正大力發展LNG產業鏈，LNG接收站的發展必須依靠于其技術與設備的發展，而氣化器正是接收站的核心設備，且其結構簡單，易于操作又經濟可靠，由此看來，對氣化器的不斷優化研究將會是整個天然氣工業的方向與趨勢。