張文毓

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所 河南洛陽(yáng) 471023

1 印制電路板式換熱器概述

熱交換器作為能量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備,在清潔能源的存儲(chǔ)、熱量回收等方面起至關(guān)重要的作用,苛刻的工作環(huán)境,如高溫、高壓、較小溫差與空間限制等,對(duì)熱交換器性能提出了較高要求。印制電路板式換熱器作為一種新型的高效緊湊式熱交換器,近幾年已成功應(yīng)用,在極端苛刻條件下進(jìn)行熱量傳遞的潛力非常大。印制電路板式換熱器是一種傳熱性能優(yōu)良、效率高的緊湊式熱交換器,廣泛應(yīng)用于化學(xué)工藝、燃料加工、電能、制冷等工業(yè)領(lǐng)域。

印制電路板式換熱器相比管殼式換熱器和普通板式換熱器,具有非常突出的優(yōu)點(diǎn),主要包括:① 具有極高的換熱效率;② 具有極強(qiáng)的耐高溫和耐高壓能力;③ 在同等功率的條件下,印制電路板式換熱器的體積和質(zhì)量為管殼式換熱器的1/5[1]。

2 結(jié)構(gòu)

印制電路板式換熱器的流道截面形狀為直徑1～2 mm的半圓,不同的板塊之間通過(guò)原子擴(kuò)散粘合的擴(kuò)散焊工藝疊置在一起,組裝成一個(gè)換熱器心體,如圖1所示[2]。

圖1 印制電路板式換熱器結(jié)構(gòu)

3 適用性分析

印制電路板式換熱器能夠滿(mǎn)足換熱過(guò)程中的高溫、高壓、泄漏少、結(jié)構(gòu)緊湊、高效等要求,可以承受的最大壓力為60 MPa,最高溫度不高于900 ℃,換熱效率高于90%,甚至高達(dá)98%。在相同的熱載荷和壓降下,印制電路板式換熱器的體積為傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/6～1/4,交換單位熱載荷所占材料質(zhì)量?jī)H為200 kg/MW。各種類(lèi)型換熱器的適用性分析見(jiàn)表1[3]。研究表明,印制電路板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)如下:① 制造工藝采用光電化學(xué)刻蝕和擴(kuò)散粘合技術(shù),能夠形成各種形狀的流道結(jié)構(gòu),換熱單元由唯一的母體材料構(gòu)成,無(wú)需墊圈和焊接,能有效減少泄漏和振動(dòng)損失,延長(zhǎng)使用壽命;② 連續(xù)流道能有效減小壓降,減小堵塞帶來(lái)的影響;③ 傳熱面積密度高,一般傳熱面積密度大于700 m2/m3時(shí)屬于緊湊式熱交換器,而印制電路板式換熱器的傳熱面積密度高達(dá)2 500 m2/m3;④ 可以實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)換熱器中同時(shí)存在兩種以上介質(zhì)進(jìn)行換熱,節(jié)省空間,并大大減少連接換熱器的管道和閥門(mén)數(shù)量。

表1 換熱器適用性分析

4 特點(diǎn)

印制電路板式換熱器已廣泛應(yīng)用于英國(guó)北海、澳大利亞西北大陸架等海上油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域所涉及的天然氣處理工藝中,主要有七方面特點(diǎn)。

(1)具有極高的換熱效率,最高達(dá)98%。在轉(zhuǎn)移同等熱量的條件下,管殼式換熱器將介質(zhì)從25 ℃加熱到45 ℃,對(duì)應(yīng)印制電路板式換熱器可以將介質(zhì)從25 ℃加熱到60 ℃,由此大幅降低能耗。

(2)具有極強(qiáng)的耐高溫、高壓能力,最高可承壓60 MPa,操作溫度適用范圍為-200～900 ℃。

(3)在同等功率的條件下,印制電路板式換熱器的體積和質(zhì)量?jī)H為管殼式換熱器的1/5。

(4)能實(shí)現(xiàn)苛刻的設(shè)計(jì)溫差,換熱溫差達(dá)到2 ℃,并能適應(yīng)較大的溫度變化及溫度瞬變。由于特殊的制造原理,無(wú)需墊片等輔助密封元件,設(shè)備安全性較高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在泄漏腐蝕等缺陷。

(5)允許多股流體同時(shí)換熱,能優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)流程,解決潛在的應(yīng)用投資問(wèn)題,達(dá)到節(jié)省空間、能耗和初始投資的目的。

(6)對(duì)換熱介質(zhì)清潔度要求較高,換熱器前需配置精細(xì)濾器,過(guò)濾精度一般為300μm。換熱器整體不能拆卸,內(nèi)部清洗維護(hù)需專(zhuān)業(yè)化學(xué)清洗。

(7)由于換熱板片上流道的光電化學(xué)刻蝕工藝,換熱器材質(zhì)通常選用不銹鋼或雙相不銹鋼。同時(shí),特殊的制造工藝使印制電路板式換熱器的造價(jià)較高。

5 制造工藝

印制電路板式換熱器由于采用特殊的制造工藝,整體結(jié)構(gòu)非常緊湊,其制造加工工藝過(guò)程如圖2所示。采用光電化學(xué)刻蝕方法加工板片換熱流道,流道由直徑為1～2 mm的半圓形微通道組成。將加工出的全部流道板片按流道介質(zhì)的性質(zhì)冷熱交替重疊,流體間實(shí)現(xiàn)逆流換熱。重疊的板片整體放置于特制的容器內(nèi),向板片施加一定的壓力和溫度?；谠訑U(kuò)散的原理,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,板片之間的接觸面相互粘合,所有的板片粘合成為一個(gè)不可拆卸的金屬換熱心體。最后,將外殼和金屬換熱心體進(jìn)行焊接密封組裝。

6 研究現(xiàn)狀

印制電路板式換熱器最早由英國(guó)Heatric公司開(kāi)發(fā),其設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和成套技術(shù)被Heatric公司壟斷近30 a。基于板片加工制造工藝的特點(diǎn),從流體傳熱與流動(dòng)綜合特性等多方面考慮,印制電路板式換熱器大多采用半圓形截面Z字形通道。近些年,瑞典阿法拉伐公司、日本神戶(hù)制鋼、美國(guó)桑迪亞研究中心聯(lián)合真空擴(kuò)散焊公司等陸續(xù)推出印制電路板式換熱器產(chǎn)品[4-5]。

吳維武等[6]研制了印制電路板式換熱器型液化天然氣氣化器比例樣機(jī),對(duì)印制電路板式換熱器的熱力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,印制電路板式換熱器可以滿(mǎn)足液化天然氣氣化工藝中低溫、高壓工作環(huán)境的要求。賴(lài)展程等[7]對(duì)Z字形半圓形通道制冷劑相變兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)彈狀流型下的換熱效果最好,其次是環(huán)狀流、分層流。Dai等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了單相流體水在半圓形Z字形通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性。Ma等[9]對(duì)高溫氦在Z字形通道內(nèi)的傳熱與流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在高溫狀態(tài)下流體的流速與溫度分布很難達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài),但無(wú)量綱速度與溫度分布從第二個(gè)周期之后即達(dá)到穩(wěn)定。Kwon等[10]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了不同角度Z字形通道的傳熱與流動(dòng)特性。Khan等[11]對(duì)印制電路板式換熱器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,研究了不同角度、不同雷諾數(shù)下流體的傳熱與流動(dòng)特性,認(rèn)為Z字形通道轉(zhuǎn)角的存在影響了流體核心區(qū)域與邊界層的分布,邊界層分離導(dǎo)致的漩渦使傳熱效果增強(qiáng)。Ma等[9]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法,對(duì)不同角度下Z字形通道的傳熱系數(shù)與阻力降進(jìn)行了分析,認(rèn)為當(dāng)質(zhì)量流量一定時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,努塞特?cái)?shù)增大,阻力降及摩擦因數(shù)均減小,同時(shí)針對(duì)不同質(zhì)量流量范圍給出了對(duì)應(yīng)的最佳角度。研究人員對(duì)印制電路板式換熱器的傳熱與流動(dòng)規(guī)律及相關(guān)影響因素進(jìn)行了較多研究,確認(rèn)其中角度、雷諾數(shù)對(duì)Z字形通道流體的傳熱與流動(dòng)均有顯著影響[12]。

圖2 印制電路板式換熱器加工工藝過(guò)程

7 應(yīng)用進(jìn)展

印制電路板式換熱器的水力直徑小,換熱效率高,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于油氣、化工、燃料加工、電能、制冷等領(lǐng)域。

7.1 浮式液化天然氣用印制電路板式換熱器

隨著海上液化天然氣生產(chǎn)的快速發(fā)展,作為液化天然氣浮式儲(chǔ)存和再氣化裝置中再氣化模塊的關(guān)鍵設(shè)備,熱交換器面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。印制電路板式換熱器作為一種緊湊式熱交換器,具有體積小、換熱效率高等特點(diǎn),在液化天然氣再氣化裝置上具有廣闊的應(yīng)用前景。

液化天然氣在我國(guó)的需求量近年來(lái)以每年15%以上的速率增長(zhǎng),儼然成為我國(guó)能源領(lǐng)域中必不可少的產(chǎn)業(yè)。根據(jù)我國(guó)能源戰(zhàn)略規(guī)劃,將在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海地區(qū)、珠三角地區(qū)建設(shè)十個(gè)左右的液化天然氣接收站,到2020年形成5×107t以上規(guī)模的液化天然氣接收站設(shè)施。液化天然氣接收站中,液體加熱型氣化器主要有三種:開(kāi)架式氣化器、浸沒(méi)燃燒式氣化器、中間流體氣化器。

印制電路板換熱器是一種新型微通道換熱器,其換熱的高效性和集成性非常適合用于液化天然氣接收站的中間流體換熱器中[13]。

中間流體換熱器依靠中間介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞。中間介質(zhì)先吸收外界熱源的熱量,再將熱量通過(guò)中間流體換熱器傳遞至液化天然氣,從而使液化天然氣氣化。近年來(lái),對(duì)于液化天然氣中間流體換熱器的技術(shù)研究也越來(lái)越多。

海上天然氣開(kāi)發(fā)工藝有兩種,包括近淺海開(kāi)發(fā)工藝和深海浮式天然氣液化工藝。深海浮式天然氣液化的工作空間狹小,海況環(huán)境惡劣,這就要求液化裝置的主換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、耐低溫、耐高壓、泄漏少、高效。印制電路板式換熱器憑借緊湊、高效、可靠的特點(diǎn),能夠滿(mǎn)足深海浮式天然氣液化主低溫?fù)Q熱器的要求,近幾年逐漸成為深海浮式天然氣液化主低溫?fù)Q熱器的首選。

最早應(yīng)用于浮式天然氣液化的印制電路板式換熱器,作為主低溫?fù)Q熱器成功應(yīng)用于年產(chǎn)150萬(wàn)t浮式天然氣液化裝置中,然后擴(kuò)展到其它領(lǐng)域,如布雷頓循環(huán)高溫氦氦換熱器、超臨界二氧化碳循環(huán)熱水裝置。

印制電路板式換熱器在液化天然氣產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)得到了較多應(yīng)用。作為壟斷印制電路板式換熱器設(shè)計(jì)制造技術(shù)的Heatric公司,與馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司、巴西國(guó)家石油公司、荷蘭殼牌公司在海上液化天然氣方面進(jìn)行了廣泛合作。在相關(guān)合作中,Heatric公司為浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置提供了印制電路板式換熱器。此外,Heatric公司為殼牌公司世界上第一個(gè)浮動(dòng)天然氣液化設(shè)施提供印制電路板式換熱器,為巴西國(guó)家石油和天然氣公司離岸油田供應(yīng)高性能的印制電路板式換熱器[14]。

應(yīng)用效果表明,印制電路板式換熱器的總效率達(dá)到95.4%,體積和面積密度在相同傳熱面積下分別為管殼式換熱器34%和252%,質(zhì)量?jī)H為管殼式換熱器的15%。

由應(yīng)用效果可見(jiàn),一臺(tái)印制電路板式換熱器實(shí)現(xiàn)了原本需四臺(tái)管殼式換熱器并聯(lián)才能達(dá)到的換熱效果。若考慮兩種類(lèi)型換熱器采用相同材質(zhì),從設(shè)備總投資成本而言,采用一臺(tái)印制電路板式換熱器替代四臺(tái)管殼式換熱器,可節(jié)約費(fèi)用約120萬(wàn)元。印制電路板式換熱器緊湊的結(jié)構(gòu)大幅度縮小了占地面積,節(jié)省平臺(tái)結(jié)構(gòu)甲板建造成本,折合費(fèi)用約90萬(wàn)元。印制電路板式換熱器引入國(guó)內(nèi)海上油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,滿(mǎn)足了天然氣處理系統(tǒng)的高要求,使天然氣工藝換熱設(shè)備的選型多樣化。對(duì)于目前發(fā)展較迅速的浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置而言,印制電路板式換熱器的應(yīng)用顯得尤為重要。

7.2 超高溫氣冷核反應(yīng)堆用印制電路板式換熱器

由于印制電路板式換熱器具有高效的傳熱性能和可靠的結(jié)構(gòu)特性,在超高溫氣冷核反應(yīng)堆、光熱發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

高溫?fù)Q熱器是第四代超高溫氣冷核反應(yīng)堆系統(tǒng)中的重要組成部分,要求具有極高的緊湊度,并且能夠在高溫、高壓等極端工況下安全可靠運(yùn)行。印制電路板式換熱器作為一種新型換熱器,適用于高溫氣冷核反應(yīng)堆,不僅具有極高的緊湊度,而且能夠滿(mǎn)足反應(yīng)堆系統(tǒng)各種極端工況的要求[15]。

7.3 其它應(yīng)用

印制電路板式換熱器以高效、緊湊、耐高溫、耐高壓等特點(diǎn),在核能、太陽(yáng)能、液化天然氣等清潔能源領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

隨著電子技術(shù)及航空、航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展,火箭、飛機(jī)等所搭載的電子設(shè)備熱載荷越來(lái)越大,這對(duì)承擔(dān)冷卻作用的換熱器而言,提出了更高的性能要求。但飛機(jī)、火箭、航天器等工程設(shè)備因空間有限,往往需要采用尺寸小、質(zhì)量輕、傳熱效率高的緊湊式熱交換器。印制電路板式換熱器具有高效、緊湊、體積小等特點(diǎn),能很好地滿(mǎn)足航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

干氣壓縮機(jī)后單臺(tái)冷卻器功率為20 MW,如果選用管殼式換熱器,在19.480 MPa的操作條件下,質(zhì)量大于100 t,且設(shè)備尺寸很大。在同樣條件下,如果選用印制電路板式換熱器,質(zhì)量將小于20 t。

由于印制電路板式換熱器緊湊度極高,英國(guó)BP阿莫科石油公司已將鈦制的印制電路板式換熱器用作石油平臺(tái)的空氣冷卻交換器[16]。

8 結(jié)束語(yǔ)

印制電路板式換熱器作為一種新型高效緊湊式熱交換器,近年來(lái)已成功應(yīng)用,在極端苛刻條件下進(jìn)行熱量傳遞的潛力非常大。目前,印制電路板式換熱器不僅成為深海浮式天然氣液化主低溫?fù)Q熱器的首選,而且廣泛應(yīng)用于高溫反應(yīng)器中間冷卻器、布雷頓循環(huán)高溫氦氦換熱器、超臨界二氧化碳循環(huán)熱水裝置、化工換熱反應(yīng)器和超高溫氣冷核反應(yīng)堆等設(shè)備中。筆者對(duì)印制電路板式換熱器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了介紹,以供技術(shù)人員參考。