印刷电路板式换热器的研究综述及应用

吴楠楠，韩楚君，王佳乐

印刷电路板式换热器的研究综述及应用

吴楠楠，韩楚君，王佳乐

（西安石油大学， 陕西 西安 710000）

印刷电路板式换热器具有传热效率高、集成性、耐高温高压等优点，在化工、石油化工、航空航天等领域有着巨大的优势。对印刷电路板式换热器的结构发展及应用进行综述。

印刷电路板式换热器； 应用； LNG气化器

1 换热器的发展

随着我国高能耗工业的不断增加，关于能源储备不足和环境污染问题都在日益加剧。节约能源并提高利用率是最有效且最容易实施的解决能源问题的办法[1]。而研究如何强化换热器的传热效率，能够有效的节约能源、降低成本。

换热器作为一种高效换热的装置，可以满足许多工业的生产需求。现已广泛应用到化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业[2]。随着制造工艺水平的提升，换热器由几根铸铁管组成的换热器发展到板式换热器、管壳式换热器和印刷电路板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE）等多种换热设备。

相比于传统的换热器，印刷电路板式换热器的稳定性、换热率、使用年限、生产费用等都有很大的优势。随着换热器逐渐变得小型化，印刷电路板换热器的发展前景必然广阔[3]。

2 印刷电路板式换热器的结构进展及性能

PCHE的制造工艺十分复杂，其流体通道是在金属板片上采用光化学刻蚀法形成的，其横截面基本以半圆形结构为主[4]，直径仅为１～２mm，甚至可以更小。通过扩散结合技术，将堆叠好的板片粘合在一起，形成一个牢固的金属换热芯体，并且粘合处可达到母材强度[5]。PCHE的单位质量热载荷可达到200 kg·MW-1[6]，能够承受高压和高温，有着很高的稳定性和安全性。

2.1 研究现状

在过去的几十年里，PCHE的换热通道经历了从平直形到Z形、S形再到翼型的发展[7]。目前，国内外学者主要研究不同形状的换热通道和工作流体下工质的换热和流动规律。

CHU等[8]研究超临界SCO2在平直通道的热工水力性能，发现传热速率并不是呈线性增长的。Chen等[9]制造了按比例缩小的Z形通道的PCHE，实验研究PCHE的传热性能和压降。结果表明，相比平直通道，Z形通道在过渡流区域有着显著的优势。李雪等[10]通过3D数值模型，研究了Z形通道PCHE的传热性能和流体的流动规律。结果表明，当大于250时，15°的Z形通道传热性能最好。

Ngo等[11]将一种S形结构的通道应用于热水供应器，采用3D CFD模拟发现新型通道的体积比传统热水供应器的减少了大约3.3倍；CO2侧压降降低了37%，H2O侧压降降低了10倍。Ngo等[12]用实验验证了超临界CO2在S形通道的热工水力性能的模拟结果，并比较了S形和Z形通道印刷电路板式换热器的热工水力性能。结果表明，在一定范围的雷诺数下，Z形通道的压降因子是S形通道的4～5倍，尽管S形通道的Nu比Z形通道小24%～34%。

丁源等[13]等采用数值模型的方法，比较平直通道和翼型翅片PCHE的热工水力性能。结果表明，翼型翅片的强化效果和换热性能均优于平直通道。Yoon等[14]考虑总成本的情况下，比较直通道、Z形、S形和翼型PCHE的整体传热性能。结果表明，翼型PCHE的整体传热性能最好。Wang等[15]以熔盐作为PCHE的热侧传热流体进行实验。实验结果表明，翼型翅片通道比平直通道和Z形通道的传热性能好很多。

Cui等[16]基于NACA0020翼型翅片提出了新型翅片，结果表明，新型翅片拥有更好的综合性能和更小的火积耗散，且翅片的适当交错布置和合适的流型可以减小边界层的影响，能够有效的改善热工水力性能。Xu等[17]研究以超临界CO2为工质，4种不同类型的PCHE下的热工水力特性。结果表明：当超临界CO2的质量流量较低时，4种不连续翅片的热工水力性能基本一致，但是随着质量流量的增加，翼型翅片的整体热力水工性能优于其他3种不连续翅片，尤其是在翅片交错排列时。在所有结构中矩形肋片的热力性能最差；肋片布置方式对倒圆角的矩形和椭圆形肋片的热力性能影响很小。

根据前面的文献综述可以得出，印度电路板式换热器可以拥有直、Z形、S形和翼型翅片通道。随着通道的不断优化，印刷电路板式换热器会拥有更好的综合性能和更高的传热效率。

2.2 印刷电路板式换热器的特点

作为一种高效、节能的换热器，印刷电路板式换热器在高温、高压和高换热需求的情况下，有着传统换热器没有的巨大优势[18]。它具有以下的性能优点。

1）相比管壳式换热器，在相同的热负荷和压降情况下，PCHE是体积和质量仅为其的1/6～ 1/4[19]。PCHE能够极大的节约平台面积，最多可节省85%的占地面积。且PCHE能大量节省钢材量，并能简化平台的结构设计。

2）相比管壳式换热器，PCHE能够有效减小压降和堵塞的风险，损坏的风险很低[20]。因此，不会出现严重的失效情况例如管壳爆裂，也不会出现由于垫圈失效带来的泄露问题。

3）PCHE能在极其恶劣的条件下工作，有着极强的耐低温、耐高温(－270～900 ℃)和耐高压(70 MPa)能力[21]。且PCHE有着很高的换热效率，最高的换热单元可达到98%。

3 印刷电路板式换热器的应用研究

3.1 印刷电路板换热器在液化天然气的应用

天然气作为一种清洁、高热值的能源，在我国的消费占比在逐年提升，液化天然气（LNG）产业链也在不断发展。因此，LNG接收站正持续增加[22]，海上LNG浮式储存和再气化装置(FSRU)也得到广泛的应用[23]。换热器作为LNG再气化装置，是产业链必不可少的设备。尤其在深海进行天然气开采时，工作空间狭小，海上环境恶劣，这就对换热器的换热效率、设备体积和重量提出了更高的要求[24]。

传统的LNG气化器一般分为开架式气化器（ORV）和浸没燃烧式气化器（SCV）两种。但是ORV受气候影响因素较大，且其传热管外壁容易结冰，气化能力就会受到影响，有着占地面积大的局限性。SCV是以消耗LNG来进行气化，因此运行费用很高，只能用来调峰或紧急情况下使用。由于工作空间的限制及较高的温度和压力环境，传统的气化器不能很好的满足气化的需求，需要使用耐高温高压、抗腐蚀的紧凑式换热器。

PCHE作为一种新型的微通道换热器，其极高的换热效率和集成性非常适用于液化天然气接收站的中间流体换热器中[25]。是浮式LNG换热器首选，目前已经广泛应用于接收站和LNG—FSRU。根据应用数据可得，PCHE的总传热效率可达95.4%，与管壳式换热器相比，在相同换热面积下，PCHE的体积、面积和质量仅为其34%、252%和15%[26]。1台PCHE可达到4台管壳式换热器并联的传热效果，其紧凑的结构可以大幅减少占地面积，节省钢材的使用和平台的建造成本。

PCHE能够适用于天然气处理系统的极端条件[27-28]，使得天然气工艺的换热装置多样化，现已在国内海上油气田开发领域广泛使用。浮式液化天然气生产储卸装置目前正在持续建设中，PCHE的应用就显得非常重要。

3.2 其他应用

PCHE能够适用于绝大多数高温高压的工业领域，比如超临界二氧化碳循环、氢能、核能等领域[29-31]，并且其换热性能远比传统换热器好的多。因此，PCHE的应用潜力非常大。此外，PCHE作为新型微通道换热器，还有着紧凑型[32]、体积小、质量轻等优点，在航空航天也有着很大的发展空间。

4 结论

作为一种高效紧凑的换热器，PCHE现已成功应用到化工、石油化工、航天等多种工业场合。PCHE可以在极端的环境条件下适用，且有着十分高效的换热能力，在未来有着十分广阔的前景。本文对印刷电路板式换热器的国内外学者研究及应用做了简要总结，以供未来研究人员参考。

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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

吴楠楠（1999-），女，陕西省铜川市人，硕士研究生，研究方向：石油与天然气、印刷电路板式换热器的研究。

TQ052.6

A

1004-0935（2023）02-0289-03