印刷电路板式气化器综述

王静文

（西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065）

1 概述

在全球能源消耗不断增加，生态环境污染日益严重的大背景下，天然气作为一种（Natural Gas，NG）安全可靠，清洁环保，经济高效的新型能源，在我国能源市场中的需求量急剧增加，其储存运输方式也受到了空前的关注。常温常压下，天然气的体积约为同质量液态天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）体积的625倍。为了高效且经济的运输，通常将常压下的天然气压缩，冷却至163℃，使其成为液态天然气后进行储存运输。低温LNG在使用或输入管道之前，需经由LNG气化器气化成NG才能使用，LNG经过气化器气化并进行温度调节，最终以气体状态输送至管道消费端，LNG气化器是这一过程的核心设备[1-2]。

作为一种新型微通道换热器，印刷电路板式气化器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE）采用了光化学刻蚀的方法，在金属板上刻蚀出密集的微细通道，将各层金属板叠放在一起，利用扩散焊接技术，组装成气化器芯体。

2 印刷电路板式气化器的优点

1）PCHE结构简单，占地面积小，成本低廉。在相同的热载荷和压降下，与传统管壳式换热器相比，翼型PCHE只有传统管壳式换热器体积的1／5。因此翼型PCHE不需要大型机械设备加工制造，原料消耗少，生产成本大大降低。

2）PCHE换热效率高，加热速度快。平均单位质量热载荷高达200kg／MW，有资料显示其预热响应时间仅为几秒钟，且温度控制理想，远超传统管壳式换热器。

3）PCHE能量损失小。翼型PCHE微通道中的翼型翅片运用仿生学结构，很大程度上减小了流体流动阻力，其特殊的流线形状能够增强流体扰动，同时不会产生大量涡流和分离流，提高了换热效率，减小了能量损失。

4）PCHE耐高温高压，有极高的安全性和可靠性。它可承受的工作温度高达900℃，可承受的最大工作压力超过60MPa。

5）PCHE抗腐蚀性好。翼型PCHE的外层配有涂层，提高了其抗腐蚀能力与使用寿命。

3 印刷电路板式气化器研究现状

近几年，针对PCHE的研究越来越多，从单通道传热到平行通道换热，从单相流换热到两相流换热，研究方向不断拓展。根据冷热流体流动方向的不同，PCHE又分为顺流流动、逆流流动、叉流流动以及复合流动。已公开的研究表明，目前大多数学者的研究对象都是逆流流动，而对交叉流PCHE的研究则少之又少。就目前研究的通道内流体对象来说，常见的微通道工质有水和二氧化碳，对于超临界LNG的理论和实验研究相对较少，且大部分研究都集中在数值分析方面。

4 印刷电路板式气化器的应用

PCHE是一种能在有限空间内实现高效率换热的换热器。目前被广泛应用于航空航天、炼油化工、核电、太阳能发电、氢能、建筑、冶金、机械制造以及医药食品等各个领域。

在石油天然气工业中，PCHE已逐步成为海上浮式LNG换热器的首选，被广泛应用于LNG接收终端以及 LNG-FSRU[3]。

5 对流换热的理论分析

对流换热指的是流体流经固体时，流体与固体表面间的热量传递现象。与热对流不同，对流换热是导热与热对流同时存在的一种复杂的热传递过程。对流换热强度依据牛顿冷却定律，其基本计算公式为Q＝h（Tw-Tf），式中，Q为热流密度，即单位时间内单位面积的固体表面与流体间交换的热量；Tw，Tf分别表示固体表面温度和流体温度；h称为对流换热系数，表示单位面积的固体表面，当固体与流体间温度差为1K时，单位时间内所传递的热量。它的大小与换热过程中的诸多因素有关，因此，牛顿冷却公式只是对对流换热系数的一个定义，并没有揭示对流换热系数与能够对它产生影响的各物理量之间的联系。影响对流换热的因素实际上是影响流体流动与流体中热量传递因素的综合作用，主要可以归纳为五个方面[4]：

1）流体流动的起因。流体流动按起因不同，分为强制对流和自然对流，强制对流借助外力产生流动，自然对流由于流体密度差而引发流动，起因不同，速度场不同，换热规律也不同。

2）流体有无相态变化。流体没有相态变化时，对流换热过程中的热量交换是流体的显热变化导致：有相态变化时，流体释放或吸收潜热，对传热过程影响较大。

3）流体流动状态。层流状态下，流体微团沿主流方向做有规则的分层运动，而湍流状态下，流体各部分间发生混合，因此，相对于层流来说，湍流流动传热更强烈。

4）流体物性条件。流体的密度，动力黏度，定压热容，导热率等热物理性质均会对通道内流体的速度分布与热量传递产生较大的影响，尤其是超临界流体，影响更为显著。

5）换热面几何因素。流体与固体相接触的换热面的形状，大小，表面粗糙度以及流体流动方向与换热面的相对位置等都会影响流体与固体间的对流换热。

因此研究如何强化翼型PCHE的流动换热特性，选取适合的强化换热手段也十分重要。

6 强化换热理论分析

对于气化器强化换热来说，力求在保证气化器整体结构尺寸不变的条件下，通过采取某种技术或措施，来提高对流换热系数或减小热阻，使气化器在单位时间单位面积传递热量的能力能够增强，且能量损耗能够减少。

传热量Q的表达式为：Q＝kA Tm，式中k为传热系数；A为换热面积；Tm为冷热流体平均传热温差。由上述表达式可以看出，要研究PCHE内流动传热的强化，可从这几个方面入手：

1）增加平均传热温差。增加平均传热温差方法有两种，一是冷热流体进出口温度一定时，改变换热面的布置方式：二是增加冷热流体进出口温度差以增大平均传热温差。这两种方法都因工艺条件受限，应用范围十分有限。

2）扩大传热面积。一是采用小直径管：二是采用各种肋片管，螺纹管等扩大表面换热面：三是采用板式和板肋式等新型紧凑式换热器：一般扩展传热表面面积后，虽提高了传热系数，但同时流动阻力也会增加，故采用扩展表面的方法也会受到各种条件的限制。

3）提高传热系数。尽可能减薄温度边界层厚度：尽可能使边界层内的扰动增加。

4）提高工质流速。尽可能让流体横向冲刷管束，消除流体流动时产生的旋涡死滞区，增强流体的扰动与混合、破坏流体边界层或层流底层的充分发展、改变换热表面状态等。可以通过采用表面粗糙的螺纹管、螺旋槽管、波形板扩展表面翅片管、内肋管旋涡发生器扭带、螺旋线圈、导流叶片等强化有相变的沸腾传热过程。增加换热面的汽化核心及生成气泡的频率。采用高效多孔换热表面，沸腾换热系数能提高近十倍。表面渗层、表面喷涂、表面滚花、开槽表面，强化有相变的凝结传热过程，实现珠状凝结表面镀层，减薄凝结液膜厚度内肋管、外肋管、扭带、螺旋线圈等。

7 翼型印刷电路板式气化器强化换热的措施

为推动PCHE在众多领域的发展与应用，研究PCHE的流动传热特性，对PCHE提出强化传热措施已经成为当今大多学者的研究热点。而PCHE换热流道也经历了从 “平直流道-Z字形流道-S形流道-翼型流道”的发展过程。因此目前对于翼型PCHE强化换热措施的研究显的尤为重要。

所谓翼型PCHE，是指在金属板上采用光化学刻蚀法刻蚀出微通道，通道内部凸起的固体部分呈翼型形状，再将各层金属板叠置，利用扩散焊技术制成换热器芯体。目前最常见的翼型PCHE是以NACA一系列翼型型号为标准刻蚀的，其内芯部分采用整体制备工艺制造而成，材料多采用拥有良好的塑性和韧性的316L不锈钢。图1展示了经过光化学刻蚀的翼型PCHE金属板的图片。

图1 翼型PCHE金属板

在高压系统中，超临界LNG沿翼型PCHE翼型翅片的头部方向流入，在通道内被加热或冷却，最终从翼型PCHE翼型翅片的尾部方向流出。该过程的热交换发生在流体和翅片表面以及金属板壁面之间。图2展示了翼型PCHE金属板中的流道。

图2 翼型PCHE通道配置

研究方向：

1）确定气化器结构，运行参数以及工质物性参数。

2）提取气化器芯体内一根或两根完整管道作为研究对象，建立二维或三维的传热模型，根据工质的进出口参数，对流型和状态做大致的判断，选择合适的连续性方程，能量方程以及动量方程。根据工质的热物理性质随温度的变化，以及通道内相态的变化，选择多相流模型和湍流模型。

3）调整松弛因子，依次模拟计算不同结构参数下翼型PCHE通道内的流体流动。

4）通过对比分析模拟结果，选择适当的综合评价指标对不同的翼型流道进行评价，得到最佳的翼型翅片排列布置形式。

5）保持两相邻翼型翅片的最佳垂直距离与最佳平行距离不变，对翼型翅片形状进行优化改进，模拟计算改进后的翼型通道，综合评价两者的热工水力性。对翼型翅片结果进一步优化

8 结语

当今时代，国家大力倡导能源转型，鼓励使用绿色能源低碳能源，毫无疑问，LNG将会是我国未来能源的重要支柱。目前国家正大力发展LNG产业链，LNG接收站的发展必须依靠于其技术与设备的发展，而气化器正是接收站的核心设备，且其结构简单，易于操作又经济可靠，由此看来，对气化器的不断优化研究将会是整个天然气工业的方向与趋势。