印刷板式换热器在LNG工业领域的研究进展

1 LNG印刷板式换热器技术

印刷板式换热器作为一种革命性的微通道换热器，其形成过程包括光电化学刻蚀和扩散焊接堆叠等高难度工艺[4]。PCHE的通道传统可分为z型、直通道、S形、翼型几类，还有基于这几种结构的优化改进结构[5]，其主体由众多微通道构成，与经典的大尺度流体通道相比，其通道内的流体在流动的过程中受到的作用力有所不同，因此会体现出不同的流体流动特性与转换机理[6]。

2 LNG印刷板式换热器研究现状

PCHE的概念最早由英国Heatric公司提出，具有结构紧凑、流道设计灵活等优点，是低温系统的理想换热器之一[7]。以往的研究多集中在常温条件下PCHE的传热性能，很少涉及PCHE内部两相流动的传热问题。鉴于PCHE在LNG气化工艺中具有大规模应用前景，了解PCHE在低温和两相流动条件下的传热性能就显得尤为重要。除此之外，PCHE的流道尺寸结构比较小，会导致较大压降产生。因此，研究学者大多以超临界流体和优化微通道结构来降低设备工作时的压降，以增强传热效率。

Zhao等[8]以超临界液化天然气(LNG)为工作流体，数值研究了翅片翼型布置对流动阻力和传热效率的影响。超临界液化天然气的进口温度为 121 K，压力为10.5 MPa。垂直螺距Lv=1.67 mm和交错螺距Ls=0 mm时，LNG参考质量流量设定为1.22 g/s，雷诺数约为3 750。结果表明翼型比直流道型具有更好的热工水利性能。交错布置翼型的热性能优于平行布置翼型的热性能。随着Ls和Lv的增加，翼型翅片的热工水利性能得到了改善。此外，Lv对PCHE翼型的努塞特数和压降的影响更为明显。

Zhang等[9]采用数值方法研究了天然气在直流道PCHE中由超临界相变为液相时的传热特性。采用多相模型和单相模型对跨临界流体的特性进行了预测，结果表明，两种模型的预测精度相当。并研究了PCHE的局部换热特性，给出了温度、热流密度和传热系数的分布。在天然气的临界点前后，温差分布中分别出现了一个谷点和一个峰点，分别代表换热弱化和强化的局部位置。结果表明，两种流体的比热率和质量流量对局部热特性的影响最大。

Shin等[10]采用扩散键合方法设计制造了一种PCHE，并在液氮条件下进行了实验。实验中冷侧通入液氮，质量流量保持在约300 kg/h，热侧通入氮气，质量流量从约531 kg/h增加到1 002 kg/h。利用测得的温度和压力，使用ANSYS Fluent计算出热侧的传热系数，并估算冷侧的平均传热系数。结果证实，在实验冷端的传热系数存在于两相流和单相流的相关关系中，并计算了两相效应区与单相区在传热方面的比率，在此基础上，开发了一个新的经验方程，预测相变的平均传热系数。

Aneesh等[11]提出了一种高效的PCHE模型。以氦为工作流体，合金617为固体基体，进行了三维稳态共轭传热模拟。研究了热物性变化、操作条件和三种不同的设计方案对其影响。与双排布置相比，单排布置的热工水力性能更好；交错布置的冷热通道与对排布置的热工水力性能相似。采用半球形凹槽的PCHE模型具有较好的热工水力性能。并研究了在热流和冷流通道中，PCHE模型的传热密度和压力降的变化。

Figley等[12]利用Fluent软件模拟了PCHE中直通道热工水力性能，对氦气在对半圆形和圆形几何形状通道的层流到湍流转变行为进行了数值研究。根据圆管层流的经典相关性，比较了半圆直通道流动的数值模拟结果。结果表明，比较结果吻合较好，圆形和半圆形通道层流向湍流转变的雷诺数分别为2 300和3 100。

Lee等[13]对具有半圆形、矩形、梯形和圆形通道形状的PCHE的性能进行了比较研究，并给出了有效性值、摩擦因子和传热比表面积的比较结果。结果表明，矩形通道的热性能最好，但水力性能最差，而圆形通道的换热性能最差。

Wang等[14]用数值方法研究了正弦沟槽型PCHE的热工水力性能，并与传统的直沟槽型PCHE进行了比较。采用无量纲方法研究了正弦通道结构参数对热工水力性能的影响，即幅值与周期的比值。结果表明，与直流道相比，通风机整体努塞特数可提高7.4%～13.9%，通风机整体摩擦系数可提高 10.9%～16.7%。振幅和周期比对正弦通道PCHE的性能有显著影响。在试验工况中，努塞特数和范宁摩擦系数均随比值先增大后减小。当比值约为0.2时，正弦通道PCHE的换热效果最好，压降最大。

Chu等[15]数值模拟了翼型翅片的几何参数，结果显示，压降在流体流动方向的变化很小，热量保持不变。同时，在对横向螺距和交错纵向螺距对传热性能的影响进行了广泛研究的基础上，得出了在PCHE中具有较大迎风面积和较短翼型翅片长度时，可以获得更好的传热性能。

Aneesh等[16]开发了一种新的PCHE，研究三角形、正弦和梯形三种波道构型对PCHE传热性能的影响。并研究了周期通道内的局部流动和换热特性。在此基础上，将该PCHE与直流道PCHE的热工水利性能进行了比较。在各种模型中，梯形PCHE模型与基于正弦、三角形和直线通道的PCHE模型相比，具有最大的换热效果和压降。在测试的运行条件下，梯形波浪形管道与直流道PCHE相比，其传热效率增加41%。对于正弦波道和三角波道PCHE结构，传热效率分别增加33%和28%。

Lee等[17]采用剪切应力输运湍流模型，在三维雷诺平均Navier-Stokes分析的基础上，对PCHE中的Z形通道进行了形状优化来提高传热性能，降低摩擦损失。并以冷通道的角度与长径之比为变量。利用k均值聚类方法进行了五种最优设计。对这些设计的流动和传热特性以及目标函数值进行了比较。

Ngo等[18]应用CFD软件数值模拟了超临界CO2在不连续S型翅片的PCHE运行情况，确定了一种新的S翅片和板的结构，新的PCHE提供了约3.3倍的体积；CO2侧和H2O侧的压降降低37%和10倍。

Lee等[19]提出了一种插入直通道的新型PCHE。采用CFD软件对插入直流道的锯齿型PCHE的热水力特性进行了三维数值分析。研究了直流道的传热和压降随质量流量的变化规律。0.5 mm和 1 mm 直流道的压降小于锯齿形通道，与波浪形通道的压降相似。在换热特性方面，结果表明，0.5 mm和 1 mm 直流道的换热特性与锯齿形流道相似，但优于波浪型流道。在1 mm直线通道中，体积优良度因子的值比原来的锯齿形通道提高了26%～28%。

Kwon等[20]设计了小型的PCHE，并研究了其在不同低温换热条件下的热工水利性能：对单相换热、沸腾换热和冷凝换热进行了实验探究。在单相实验的情况下，提出了修正的dittos-boelter经验关联式。在沸腾实验中，总结发现冷、热侧流体的温差大是导致膜沸腾现象发生的主要原因。在冷凝实验中，提出了修正的Aker经验关联式。

Yang等[21]研究了波槽型PCHE的换热性能，以及窄槽截面对热工水力特性的影响。结果表明，减小通道截面对通道总换热率的负面影响较小，但会大大减小PCHE的体积，从而使PCHE更加紧凑。对不同通道截面的性能评价结果表明，在提高传热能力和减小体积的目标下，窄截面PCHE的性能优于原型PCHE，但存在泵送功率增大的问题。

Ma等[22]建立了一种新的预测PCHE内部流动分布不均匀的数学模型，证明了传统的缩短换热通道的简化数值模型在预测PCHE内部流动分布时存在较大的误差。进出口局部水力损失是影响流动不均匀的根本原因。增大通道长度可以改善流动的均匀性，而随着流量的增加，流动的均匀性变差。当通道长度超过500倍于通道的水力直径时，流量不均匀性可以忽略，并提出了PCHE的几何尺寸与运行条件之间的关系来判断流动的均匀性。

Jeon等[23]提出了一种新型的异构形PCHE，并对其传热性能进行了数值模拟。分析了其通道截面形状、通道间距、通道尺寸对传热性能的影响。结果表明，管道的横截面形状对热工水利性能的影响不显著。通道间距对PCHE的传热性能影响也不大，但对PCHE结构的可靠性有显著影响。在固定质量流量条件下，由于流速的减小，PCHE的传热性能随通道尺寸的增大而单调下降。

Lee等[24]对具有半圆形截面锯齿形通道PCHE的几何参数(通道角度和冷侧通道的半椭圆纵横比)的性能进行了数值研究。结果表明，当冷侧通道的角度与热侧通道的角度相近时，换热器的效率最大。

Min等[25]建立了考虑PCHE结构和温度分布的渗透模型。PCHE的结构反映在形状因子上，而壁面上的热分布反映在有效扩散系数上。研究发现，当PCHE壁面温度分布不均时，PCHE渗透模型对渗透率的预测误差在±20%范围内，而现有的模型对渗透率的预测最大值为400%，当PCHE壁面温度分布不均时，对渗透率的预测最大值为69%。

3 结束语

由于印刷板式换热器要求较高的加工工艺，同时LNG工厂工艺流程复杂多变，难以对换热器进行全面的实验分析，目前建立PCHE数值模型已能够预测其结构参数对流动特性的影响。为了提高LNG工业再气化的产量，有待对以LNG为工质的PCHE传热特性及流动特性进行进一步研究，为设备设计和结构改进提供理论依据。与此同时，随着海上天然气平台的不断增加，未来我国对LNG的进口会越来越多，国内在PCHE相关技术研究瓶颈和制造工艺亟待突破。