印刷電路板式換熱器的研究綜述及應用

摘" " " 要： 印刷電路板式換熱器具有傳熱效率高、集成性、耐高溫高壓等優點，在化工、石油化工、航空航天等領域有著巨大的優勢。對印刷電路板式換熱器的結構發展及應用進行綜述。

關" 鍵" 詞：印刷電路板式換熱器； 應用； LNG氣化器

中圖分類號：TQ052.6" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0289-03

1" 換熱器的發展

隨著我國高能耗工業的不斷增加，關于能源儲備不足和環境污染問題都在日益加劇。節約能源并提高利用率是最有效且最容易實施的解決能源問題的辦法[1]。而研究如何強化換熱器的傳熱效率，能夠有效的節約能源、降低成本。

換熱器作為一種高效換熱的裝置，可以滿足許多工業的生產需求。現已廣泛應用到化工、石油化工、動力、醫藥、冶金、制冷、輕工等行業[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）等多種換熱設備。

相比于傳統的換熱器，印刷電路板式換熱器的穩定性、換熱率、使用年限、生產費用等都有很大的優勢。隨著換熱器逐漸變得小型化，印刷電路板換熱器的發展前景必然廣闊[3]。

2" 印刷電路板式換熱器的結構進展及性能

PCHE的制造工藝十分復雜，其流體通道是在金屬板片上采用光化學刻蝕法形成的，其橫截面基本以半圓形結構為主[4]，直徑僅為１～２mm，甚至可以更小。通過擴散結合技術，將堆疊好的板片粘合在一起，形成一個牢固的金屬換熱芯體，并且粘合處可達到母材強度[5]。PCHE的單位質量熱載荷可達到200 kg·MW-1[6]，能夠承受高壓和高溫，有著很高的穩定性和安全性。

2.1" 研究現狀

在過去的幾十年里，PCHE的換熱通道經歷了從平直形到Z形、S形再到翼型的發展[7]。目前，國內外學者主要研究不同形狀的換熱通道和工作流體下工質的換熱和流動規律。

CHU等[8]研究超臨界SCO2在平直通道的熱工水力性能，發現傳熱速率并不是呈線性增長的。Chen等[9]制造了按比例縮小的Z形通道的PCHE，實驗研究PCHE的傳熱性能和壓降。結果表明，相比平直通道，Z形通道在過渡流區域有著顯著的優勢。李雪等[10]通過3D數值模型，研究了Z形通道PCHE的傳熱性能和流體的流動規律。結果表明，當Re大于250時，15°的Z形通道傳熱性能最好。

Ngo等[11]將一種S形結構的通道應用于熱水供應器，采用3D CFD模擬發現新型通道的體積比傳統熱水供應器的減少了大約3.3倍；CO2側壓降降低了37%，H2O側壓降降低了10倍。Ngo等[12]用實驗驗證了超臨界CO2在S形通道的熱工水力性能的模擬結果，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。結果表明，在一定范圍的雷諾數下，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。結果表明，翼型翅片的強化效果和換熱性能均優于平直通道。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的熱側傳熱流體進行實驗。實驗結果表明，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，且翅片的適當交錯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，4種不同類型的PCHE下的熱工水力特性。結果表明：當超臨界CO2的質量流量較低時，4種不連續翅片的熱工水力性能基本一致，但是隨著質量流量的增加，翼型翅片的整體熱力水工性能優于其他3種不連續翅片，尤其是在翅片交錯排列時。在所有結構中矩形肋片的熱力性能最差；肋片布置方式對倒圓角的矩形和橢圓形肋片的熱力性能影響很小。

根據前面的文獻綜述可以得出，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。隨著通道的不斷優化，印刷電路板式換熱器會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

作為一種高效、節能的換熱器，印刷電路板式換熱器在高溫、高壓和高換熱需求的情況下，有著傳統換熱器沒有的巨大優勢[18]。它具有以下的性能優點。

1）相比管殼式換熱器，在相同的熱負荷和壓降情況下，PCHE是體積和質量僅為其的1/6～ 1/4[19]。PCHE能夠極大的節約平臺面積，最多可節省85%的占地面積。且PCHE能大量節省鋼材量，并能簡化平臺的結構設計。

2）相比管殼式換熱器，PCHE能夠有效減小壓降和堵塞的風險，損壞的風險很低[20]。因此，不會出現嚴重的失效情況例如管殼爆裂，也不會出現由于墊圈失效帶來的泄露問題。

3）PCHE能在極其惡劣的條件下工作，有著極強的耐低溫、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到98%。

3" 印刷電路板式換熱器的應用研究

3.1" 印刷電路板換熱器在液化天然氣的應用

天然氣作為一種清潔、高熱值的能源，在我國的消費占比在逐年提升，液化天然氣（LNG）產業鏈也在不斷發展。因此，LNG接收站正持續增加[22]，海上LNG浮式儲存和再氣化裝置（FSRU）也得到廣泛的應用[23]。換熱器作為LNG再氣化裝置，是產業鏈必不可少的設備。尤其在深海進行天然氣開采時，工作空間狹小，海上環境惡劣，這就對換熱器的換熱效率、設備體積和重量提出了更高的要求[24]。

傳統的LNG氣化器一般分為開架式氣化器（ORV）和浸沒燃燒式氣化器（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冰，氣化能力就會受到影響，有著占地面積大的局限性。SCV是以消耗LNG來進行氣化，因此運行費用很高，只能用來調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境，傳統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，目前已經廣泛應用于接收站和LNG—FSRU。根據應用數據可得，PCHE的總傳熱效率可達95.4%，與管殼式換熱器相比，在相同換熱面積下，PCHE的體積、面積和質量僅為其34%、252%和15%[26]。1臺PCHE可達到4臺管殼式換熱器并聯的傳熱效果，其緊湊的結構可以大幅減少占地面積，節省鋼材的使用和平臺的建造成本。

PCHE能夠適用于天然氣處理系統的極端條件[27-28]，使得天然氣工藝的換熱裝置多樣化，現已在國內海上油氣田開發領域廣泛使用。浮式液化天然氣生產儲卸裝置目前正在持續建設中，PCHE的應用就顯得非常重要。

3.2" 其他應用

PCHE能夠適用于絕大多數高溫高壓的工業領域，比如超臨界二氧化碳循環、氫能、核能等領域[29-31]，并且其換熱性能遠比傳統換熱器好的多。因此，PCHE的應用潛力非常大。此外，PCHE作為新型微通道換熱器，還有著緊湊型[32]、體積小、質量輕等優點，在航空航天也有著很大的發展空間。

4" 結論

作為一種高效緊湊的換熱器，PCHE現已成功應用到化工、石油化工、航天等多種工業場合。PCHE可以在極端的環境條件下適用，且有著十分高效的換熱能力，在未來有著十分廣闊的前景。本文對印刷電路板式換熱器的國內外學者研究及應用做了簡要總結，以供未來研究人員參考。

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Research Review and Application of Printed Circuit Heat Exchanger

WU Nan-nan， HAN Chu-jun， WANG Jia-le

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

Abstract：" 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.

Key words： Printed circuit heat exchangers; Applications; LNG vaporizers