印制电路板式换热器的研究与应用

张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所 河南洛阳 471023

1 印制电路板式换热器概述

热交换器作为能量传递的关键设备,在清洁能源的存储、热量回收等方面起至关重要的作用,苛刻的工作环境,如高温、高压、较小温差与空间限制等,对热交换器性能提出了较高要求。印制电路板式换热器作为一种新型的高效紧凑式热交换器,近几年已成功应用,在极端苛刻条件下进行热量传递的潜力非常大。印制电路板式换热器是一种传热性能优良、效率高的紧凑式热交换器,广泛应用于化学工艺、燃料加工、电能、制冷等工业领域。

印制电路板式换热器相比管壳式换热器和普通板式换热器,具有非常突出的优点,主要包括:① 具有极高的换热效率;② 具有极强的耐高温和耐高压能力;③ 在同等功率的条件下,印制电路板式换热器的体积和质量为管壳式换热器的1/5[1]。

2 结构

印制电路板式换热器的流道截面形状为直径1～2 mm的半圆,不同的板块之间通过原子扩散粘合的扩散焊工艺叠置在一起,组装成一个换热器心体,如图1所示[2]。

图1 印制电路板式换热器结构

3 适用性分析

印制电路板式换热器能够满足换热过程中的高温、高压、泄漏少、结构紧凑、高效等要求,可以承受的最大压力为60 MPa,最高温度不高于900 ℃,换热效率高于90%,甚至高达98%。在相同的热载荷和压降下,印制电路板式换热器的体积为传统管壳式换热器的1/6～1/4,交换单位热载荷所占材料质量仅为200 kg/MW。各种类型换热器的适用性分析见表1[3]。研究表明,印制电路板式换热器的主要优点如下:① 制造工艺采用光电化学刻蚀和扩散粘合技术,能够形成各种形状的流道结构,换热单元由唯一的母体材料构成,无需垫圈和焊接,能有效减少泄漏和振动损失,延长使用寿命;② 连续流道能有效减小压降,减小堵塞带来的影响;③ 传热面积密度高,一般传热面积密度大于700 m2/m3时属于紧凑式热交换器,而印制电路板式换热器的传热面积密度高达2 500 m2/m3;④ 可以实现在一台换热器中同时存在两种以上介质进行换热,节省空间,并大大减少连接换热器的管道和阀门数量。

表1 换热器适用性分析

4 特点

印制电路板式换热器已广泛应用于英国北海、澳大利亚西北大陆架等海上油气开发领域所涉及的天然气处理工艺中,主要有七方面特点。

(1)具有极高的换热效率,最高达98%。在转移同等热量的条件下,管壳式换热器将介质从25 ℃加热到45 ℃,对应印制电路板式换热器可以将介质从25 ℃加热到60 ℃,由此大幅降低能耗。

(2)具有极强的耐高温、高压能力,最高可承压60 MPa,操作温度适用范围为-200～900 ℃。

(3)在同等功率的条件下,印制电路板式换热器的体积和质量仅为管壳式换热器的1/5。

(4)能实现苛刻的设计温差,换热温差达到2 ℃,并能适应较大的温度变化及温度瞬变。由于特殊的制造原理,无需垫片等辅助密封元件,设备安全性较高,内部结构不存在泄漏腐蚀等缺陷。

(5)允许多股流体同时换热,能优化工艺设计流程,解决潜在的应用投资问题,达到节省空间、能耗和初始投资的目的。

(6)对换热介质清洁度要求较高,换热器前需配置精细滤器,过滤精度一般为300μm。换热器整体不能拆卸,内部清洗维护需专业化学清洗。

(7)由于换热板片上流道的光电化学刻蚀工艺,换热器材质通常选用不锈钢或双相不锈钢。同时,特殊的制造工艺使印制电路板式换热器的造价较高。

5 制造工艺

印制电路板式换热器由于采用特殊的制造工艺,整体结构非常紧凑,其制造加工工艺过程如图2所示。采用光电化学刻蚀方法加工板片换热流道,流道由直径为1～2 mm的半圆形微通道组成。将加工出的全部流道板片按流道介质的性质冷热交替重叠,流体间实现逆流换热。重叠的板片整体放置于特制的容器内,向板片施加一定的压力和温度。基于原子扩散的原理,经过一定时间后,板片之间的接触面相互粘合,所有的板片粘合成为一个不可拆卸的金属换热心体。最后,将外壳和金属换热心体进行焊接密封组装。

6 研究现状

印制电路板式换热器最早由英国Heatric公司开发,其设计、制造、维护和成套技术被Heatric公司垄断近30 a。基于板片加工制造工艺的特点,从流体传热与流动综合特性等多方面考虑,印制电路板式换热器大多采用半圆形截面Z字形通道。近些年,瑞典阿法拉伐公司、日本神户制钢、美国桑迪亚研究中心联合真空扩散焊公司等陆续推出印制电路板式换热器产品[4-5]。

吴维武等[6]研制了印制电路板式换热器型液化天然气气化器比例样机,对印制电路板式换热器的热力性能进行了试验研究。研究结果表明,印制电路板式换热器可以满足液化天然气气化工艺中低温、高压工作环境的要求。赖展程等[7]对Z字形半圆形通道制冷剂相变两相流进行了数值模拟,发现弹状流型下的换热效果最好,其次是环状流、分层流。Dai等[8]通过试验研究了单相流体水在半圆形Z字形通道内的流动与传热特性。Ma等[9]对高温氦在Z字形通道内的传热与流动特性进行了数值模拟,发现在高温状态下流体的流速与温度分布很难达到完全稳定状态,但无量纲速度与温度分布从第二个周期之后即达到稳定。Kwon等[10]通过数值模拟对比了不同角度Z字形通道的传热与流动特性。Khan等[11]对印制电路板式换热器进行了三维数值模拟,研究了不同角度、不同雷诺数下流体的传热与流动特性,认为Z字形通道转角的存在影响了流体核心区域与边界层的分布,边界层分离导致的漩涡使传热效果增强。Ma等[9]应用数值模拟的方法,对不同角度下Z字形通道的传热系数与阻力降进行了分析,认为当质量流量一定时,随着雷诺数的增大,努塞特数增大,阻力降及摩擦因数均减小,同时针对不同质量流量范围给出了对应的最佳角度。研究人员对印制电路板式换热器的传热与流动规律及相关影响因素进行了较多研究,确认其中角度、雷诺数对Z字形通道流体的传热与流动均有显著影响[12]。

图2 印制电路板式换热器加工工艺过程

7 应用进展

印制电路板式换热器的水力直径小,换热效率高,已经被广泛应用于油气、化工、燃料加工、电能、制冷等领域。

7.1 浮式液化天然气用印制电路板式换热器

随着海上液化天然气生产的快速发展,作为液化天然气浮式储存和再气化装置中再气化模块的关键设备,热交换器面临更大的技术挑战。印制电路板式换热器作为一种紧凑式热交换器,具有体积小、换热效率高等特点,在液化天然气再气化装置上具有广阔的应用前景。

液化天然气在我国的需求量近年来以每年15%以上的速率增长,俨然成为我国能源领域中必不可少的产业。根据我国能源战略规划,将在长三角、环渤海地区、珠三角地区建设十个左右的液化天然气接收站,到2020年形成5×107t以上规模的液化天然气接收站设施。液化天然气接收站中,液体加热型气化器主要有三种:开架式气化器、浸没燃烧式气化器、中间流体气化器。

印制电路板换热器是一种新型微通道换热器,其换热的高效性和集成性非常适合用于液化天然气接收站的中间流体换热器中[13]。

中间流体换热器依靠中间介质进行热量传递。中间介质先吸收外界热源的热量,再将热量通过中间流体换热器传递至液化天然气,从而使液化天然气气化。近年来,对于液化天然气中间流体换热器的技术研究也越来越多。

海上天然气开发工艺有两种,包括近浅海开发工艺和深海浮式天然气液化工艺。深海浮式天然气液化的工作空间狭小,海况环境恶劣,这就要求液化装置的主换热器结构紧凑、耐低温、耐高压、泄漏少、高效。印制电路板式换热器凭借紧凑、高效、可靠的特点,能够满足深海浮式天然气液化主低温换热器的要求,近几年逐渐成为深海浮式天然气液化主低温换热器的首选。

最早应用于浮式天然气液化的印制电路板式换热器,作为主低温换热器成功应用于年产150万t浮式天然气液化装置中,然后扩展到其它领域,如布雷顿循环高温氦氦换热器、超临界二氧化碳循环热水装置。

印制电路板式换热器在液化天然气产业中已经得到了较多应用。作为垄断印制电路板式换热器设计制造技术的Heatric公司,与马来西亚国家石油公司、巴西国家石油公司、荷兰壳牌公司在海上液化天然气方面进行了广泛合作。在相关合作中,Heatric公司为浮式液化天然气生产储卸装置提供了印制电路板式换热器。此外,Heatric公司为壳牌公司世界上第一个浮动天然气液化设施提供印制电路板式换热器,为巴西国家石油和天然气公司离岸油田供应高性能的印制电路板式换热器[14]。

应用效果表明,印制电路板式换热器的总效率达到95.4%,体积和面积密度在相同传热面积下分别为管壳式换热器34%和252%,质量仅为管壳式换热器的15%。

由应用效果可见,一台印制电路板式换热器实现了原本需四台管壳式换热器并联才能达到的换热效果。若考虑两种类型换热器采用相同材质,从设备总投资成本而言,采用一台印制电路板式换热器替代四台管壳式换热器,可节约费用约120万元。印制电路板式换热器紧凑的结构大幅度缩小了占地面积,节省平台结构甲板建造成本,折合费用约90万元。印制电路板式换热器引入国内海上油气田开发领域,满足了天然气处理系统的高要求,使天然气工艺换热设备的选型多样化。对于目前发展较迅速的浮式液化天然气生产储卸装置而言,印制电路板式换热器的应用显得尤为重要。

7.2 超高温气冷核反应堆用印制电路板式换热器

由于印制电路板式换热器具有高效的传热性能和可靠的结构特性,在超高温气冷核反应堆、光热发电等领域具有广阔的应用前景。

高温换热器是第四代超高温气冷核反应堆系统中的重要组成部分,要求具有极高的紧凑度,并且能够在高温、高压等极端工况下安全可靠运行。印制电路板式换热器作为一种新型换热器,适用于高温气冷核反应堆,不仅具有极高的紧凑度,而且能够满足反应堆系统各种极端工况的要求[15]。

7.3 其它应用

印制电路板式换热器以高效、紧凑、耐高温、耐高压等特点,在核能、太阳能、液化天然气等清洁能源领域具有广阔的发展潜力。

随着电子技术及航空、航天工业的蓬勃发展,火箭、飞机等所搭载的电子设备热载荷越来越大,这对承担冷却作用的换热器而言,提出了更高的性能要求。但飞机、火箭、航天器等工程设备因空间有限,往往需要采用尺寸小、质量轻、传热效率高的紧凑式热交换器。印制电路板式换热器具有高效、紧凑、体积小等特点,能很好地满足航空、航天等领域的应用要求。

干气压缩机后单台冷却器功率为20 MW,如果选用管壳式换热器,在19.480 MPa的操作条件下,质量大于100 t,且设备尺寸很大。在同样条件下,如果选用印制电路板式换热器,质量将小于20 t。

由于印制电路板式换热器紧凑度极高,英国BP阿莫科石油公司已将钛制的印制电路板式换热器用作石油平台的空气冷却交换器[16]。

8 结束语

印制电路板式换热器作为一种新型高效紧凑式热交换器,近年来已成功应用,在极端苛刻条件下进行热量传递的潜力非常大。目前,印制电路板式换热器不仅成为深海浮式天然气液化主低温换热器的首选,而且广泛应用于高温反应器中间冷却器、布雷顿循环高温氦氦换热器、超临界二氧化碳循环热水装置、化工换热反应器和超高温气冷核反应堆等设备中。笔者对印制电路板式换热器的研究现状与应用进展进行了介绍,以供技术人员参考。