谷家揚,魏世松,景寶金,陶延武,陳育平

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,鎮(zhèn)江212100)(2. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院,鎮(zhèn)江 212003)(3.中國船舶工業(yè)集團第七○八研究所,上海 200011)(4.江蘇科技大學 能源與動力學院, 鎮(zhèn)江 212100)

天然氣(nature gas,NG)作為一種清潔能源,越來越受到歐美等發(fā)達國家重視．通過提高天然氣在一次能源消費的比重作為優(yōu)化本國能源結構的重要途徑,天然氣全球需求量逐年增長,預計2020年將達4.5億噸．天然氣經(jīng)過凈化、冷卻、分離等工藝后制得的液化天然氣,其甲烷含量大大高于管道天然氣,且能量密度大,1 m3LNG≈ 600 m3天然氣．目前全球 LNG 已進入一個嶄新時代[1]．

隨著我國天然氣需求的快速增加和液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,LNG接收站急劇增加,海上LNG浮式儲存和再汽化裝置(floating storage and revaporization unit,FSRU)也將得到日益廣泛的應用,目前已經(jīng)逐步形成了一個從生產(chǎn)、儲運、裝運到接收再汽化、冷量利用、調峰等完整的工業(yè)體系．LNG使用前,必須經(jīng)過換熱器汽化,以5℃左右的氣體狀態(tài)通過管道輸送至能源消費端．

LNG汽化器是實現(xiàn)液化天然氣汽化的關鍵設備．常用于LNG汽化的有纏繞管式和板殼式兩種傳統(tǒng)型換熱器,鑒于耐高壓、耐低溫、耐腐蝕性以及泄露、工作空間等因素,傳統(tǒng)型換熱器在船舶等一些領域中應用受限．在工程技術領域中,常以單位體積內所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的指標,并把這一指標大于700 m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器[2]．與用于LNG汽化的傳統(tǒng)換熱器相比,緊湊高效微通道換熱器的優(yōu)點[3-6]:① 有較高的傳熱能力,換熱面積密度高達2 500 m2/m3;② 耐高壓、耐低溫,工作壓力高達96.5 MPa，工作溫度從深低溫-200 ℃至980 ℃(1 800 ℉);③ 緊湊性高,易于模塊化．緊湊高效微通道換熱器在船舶上廣泛用于LNG 再汽化、FSRU 及燃氣供應系統(tǒng)中的高壓汽化．近年來,緊湊高效微通道換熱器也已廣泛用于海上油氣加工[7-8]、浮動液化天然氣裝置[9]、高溫反應堆中間冷卻器[10]、布雷頓循環(huán)換熱器等領域．緊湊高效微通道微通道換熱器在新一代核反應堆熱交換[11]、太陽能熱發(fā)電[12]、氫能[13]等領域具有顯著的應用潛力．

近年來,國內外學者對緊湊高效微通道換熱器開展了大量研究,主要涉及兩方面:① 緊湊高效微通道換熱器微通道幾何參數(shù)的變化對流動與換熱性能的影響;② 微通道流動中范寧摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的依變關系．目前微通道換熱器流動與換熱特性的數(shù)值計算介質以單相氦或超臨界CO2為主,而氮為工質的研究較少．微通道內的多相流以及高雷諾數(shù)下的流動換熱等問題也有待研究．

1 微通道換熱器概述

英國Heatric公司最早發(fā)明了緊湊高效微通道換熱器,如圖1,并于1985年將其應用于冰箱[14],得益于化學蝕刻技術和擴散焊技術的應用而進一步快速發(fā)展．Heatric公司掌握各種尺寸的LNG換熱器的設計、芯體制造和裝配技術,在國際上處于領先地位,其生產(chǎn)的微通道換熱器系統(tǒng)重量為6～60 t,裝配后最重可達100 t,滿足陸上、海上、浮式接收站的LNG熱處理需求．目前,該公司已為世界上各大油氣公司提供了2 000多套陸上和海上油氣處理微通道換熱器[15]．

圖1 緊湊高效微通道換熱器結構Fig.1 Structure of printed circuit plate heat exchanger

瑞典阿法拉伐緊湊高效微通道換熱器換熱能力遠超其他焊接板式換熱器,其換熱器具有良好的堅固性、完整性及極高的傳熱率,裝配體積比同等的管殼式換熱器小 85%,重量更輕,如圖2．阿法拉伐公司產(chǎn)品獨特的設計,有效減少了安裝所需的甲板和滑動量、結構支撐要求、運行管道尺寸等．近年來,阿法拉伐研發(fā)出一種專利 3D 板圖案換熱器,可解決低溫應用中的冷凍問題．該換熱器即使在冷卻區(qū)域結冰時,水基液體(如乙二醇)也可在板上移動,確保最高的換熱效率和正常的運行時間．

圖2 微通道換熱器與傳統(tǒng)殼管式換熱器Fig.2 Microchannel heat exchangers and conventional shell and tube heat exchangers

印刷電路板換熱器具體技術參數(shù)見表1．

表1 印刷電路板換熱器技術參數(shù)Table 1 Printed circuit plate heat exchanger technical data

緊湊高效微通道換熱器多使用316L奧氏體不銹鋼材料制造,經(jīng)過多年來的不斷發(fā)展,研發(fā)出了適用不同環(huán)境的新型微通道換熱器材料．主要材料類型有Duplex 2205(S31803)-雙相不銹鋼、雙認證316L(S31603)-奧氏體不銹鋼、雙認證304L(S30403)-奧氏體不銹鋼、鈦2級(R50400)、6%鉬(N08367)-Al-6XN超級奧氏體不銹鋼、合金617(N06617)鐵-鎳-鉻基合金．正在研究合金59(NO6059)、不銹鋼310(S31008)和合金800H(NO8810)以及用于高級和專業(yè)工作換熱器的其他潛在材料．

目前,開展緊湊高效微通道換熱器實驗研究的單位有俄亥俄州立大學、韓國先進科學技術研究所、威斯康星大學等單位等[16]．江蘇科技大學創(chuàng)新性提出采用增材制造技術整體制備微通道換熱器,并對微通道換熱器進行了強度實驗和換熱性能優(yōu)化．中船重工七二五研究所開展了緊湊型換熱器設計及制造技術研究,其板片通道采用化學蝕刻加工,芯體采用多層板片擴散焊集成,完成了小型工程樣機的研制和真實介質換熱性能測試與驗證．國內緊湊高效微通道換熱器研究與國外存在較大差距,大多還處于工程樣機試驗階段．

2 微通道換熱器結構與性能

2.1 微通道換熱器結構

緊湊高效微通道換熱器板厚通常為1.6 mm,通過化學蝕刻加工出細微流道,疊層處理并進行擴散焊接[17],最終形成固體熱交換芯．擴散鍵合是一種固態(tài)連接工藝,該過程用高溫高壓工藝將剛板粘合,材料原子相互纏繞時,將鋼板間的界面區(qū)域焊接在一起,不會導致微通道變形,確保流動路徑的形狀尺寸,流道完整性及精確性．與傳統(tǒng)換熱器相比,化學刻蝕加擴散焊的制備工藝不僅可實現(xiàn)1 000 m2/m3以上單位體積導熱面積,在換熱器核芯內創(chuàng)造約高達98%的換熱率,而且使微通道換熱器具有良好的耐壓性和耐溫性．

目前,微通道換熱器的流道布置主要有橫流、平行流、逆流[18]3種類型,如圖3．研究發(fā)現(xiàn),逆流組態(tài)的平均傳熱速率和傳熱性能分別比平行流組態(tài)高6.8%和10%～15%[19]．根據(jù)傳熱介質在流道內的流動路徑,微通道換熱器可分為連續(xù)型和不連續(xù)型兩種[20]． 連續(xù)流道有直流道[21]、梯形流道[22]和之字形流道等．微通道換熱器中不連續(xù)流道的概念最初由日本學者提出,而文獻[23]對不連續(xù)S形翅片的流動與傳熱研究最具代表性,研究表明,不連續(xù)S形翅片的壓降顯著低于鋸齒形翅片,不連續(xù)S形鰭具有更均勻的速度剖面,并消除了在曲折流道中出現(xiàn)的渦流和再循環(huán)區(qū)域．在實際工程應用中,常見的流道主要有直流道、之字形流道、S型流道和翼型翅片流道[24],而流道的截面形狀有半圓[25]、矩形[26]、梯形[26]等．根據(jù)相關學者對微通道截面和流道類型的研究成果,并考慮到微通道制備的經(jīng)濟性,半圓截面之字形流道在工程中廣泛應用．

圖3 微通道換熱器內部流道布置類型Fig.3 Microchannel heat exchangers internal flow channel layout type

2.2 不同微通道結構換熱器性能

近年來,大量有關微通道換熱器流道研究集中在波狀或鋸齒形溝道上,研究發(fā)現(xiàn),波狀或鋸齒形溝道微通道換熱器比傳統(tǒng)直線溝道微通道換熱器具有更好的傳熱性能,而壓降增加并不顯著．文獻[27]研究了波紋幅度、波紋周期等波度因素對傳熱性能的影響,研究表明,波道微通道換熱器的傳熱性能顯著高于相應的直道微通道換熱器,最高可達16.4%．波道微通道換熱器的傳熱性能Q隨振幅或周期的增大而單調增加,流道尺寸對熱工性能的影響較小．波道微通道換熱器單位質量散熱率隨波幅的增大而顯著增大,壓降隨波紋度的增加顯著增大,如圖4．與之前研究相比,當雷諾數(shù)小于1 500時,驗證了波道微通道換熱器內不存在流體的渦流和再循環(huán)流動．

對于傳統(tǒng)直流道微通道換熱器,文獻[28]通過數(shù)值計算提出了一種預測微通道換熱器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)行為的動態(tài)模型,并通過實驗對其有效性進行了評估．文獻[29]對直通道和鋸齒通道的微通道換熱器進行了數(shù)值模擬．研究發(fā)現(xiàn)換熱介質的壓降和努塞爾數(shù)都隨雷諾數(shù)變化．此外,隨著彎道彎曲角的增大,壓降增大,整體換熱性能隨之提高．文獻[30]研究了化學蝕刻工藝對翅片端壁圓角的影響,發(fā)現(xiàn)圓角將導致流道內產(chǎn)生小漩渦,增大了流體努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)．文獻[31]利用數(shù)值計算研究了幾何參數(shù)(流道角和冷邊流道的半橢圓長徑比)對半圓截面之字形流道微通道換熱器性能的影響．研究發(fā)現(xiàn),當冷側流道與熱側流道角度相近時,換熱器的換熱效率最高．文獻[32]分析了不同流型的直管微通道換熱器熱工水力性能,在微通道換熱器通道內研發(fā)了增強傳熱的半球形凹口．文獻[33]研究了半圓、矩形、梯形、圓形四種流道截面和4種不同流道構型對換熱器性能的影響,對比了4種流道截面形狀的性能有效性．研究發(fā)現(xiàn),矩形流道熱性能最佳,水力性能最差,圓形流道熱性能最差,水力性能最好．矩形微通道換熱器的傳熱效率最高,圓形微通道換熱器傳熱效率最低,傳熱效率與流道表面積有關,如圖5．

圖5 截面的有效性和換熱表面積Fig.5 Effectiveness of sections and surface area of heat transfer

文獻[34-35]研究了微通道數(shù)對換熱器性能的影響．在相同的換熱面積下,換熱器的壓降隨微通道數(shù)的增加而增大．文獻[36]研究了流體在兩種不同流動條件(改變熱側入口溫度和改變冷側質量流量)下微通道換熱器幾何結構(襯底厚度、橫截面積、進出口位置)對換熱性能的影響．研究表明,橫截面積對換熱性能參數(shù)的影響比襯底厚度影響更顯著,橫截面積越小,熱流密度和壓降越高．流體進出口位置對直流道和S型流道換熱性能的影響基本相同,但S型流道的熱流密度和壓降均高于直流道換熱器．近年來,鑒于高密度換熱面積(高達3 000 m2/m3),良好的結構穩(wěn)定性和較強的抗變形能力等優(yōu)點,仿生蜂窩狀結構被用于改善換熱器的傳熱性能[37]．文獻[38]對六邊形蜂窩換熱器的熱性能研究表明,相同的運行條件下,當雷諾數(shù)值在3 000～35 000時,其綜合熱性能優(yōu)于微通道換熱器．

換熱性能和壓力降作為微通道換熱器設計及性能評價中兩個最為關鍵的指標,微通道換熱器的傳熱系數(shù)、范寧摩擦系數(shù)是學者數(shù)值模擬和實驗研究的重點．實際工程中需平衡換熱性能和壓降性能來選擇微通道換熱器類型．

3 微通道換熱器流動與傳熱特性數(shù)值模擬研究

3.1 S-CO2為工質的微通道換熱器數(shù)值研究

目前,國內外學者利用數(shù)值模擬的方法對微通道換熱器的流動與傳熱特性開展了大量研究．數(shù)值模擬主要以超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO2)和氦氣為工質,而以液氮為工質的研究較少．

基于二氧化碳熱物性對溫度和壓力的高敏感性,在能源和電力領域被廣泛應用．CO2在擬臨界點附近的熱物性發(fā)生劇烈變化,具有相當獨特的流動和傳熱性能[39]．超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)較高的熱效率和致密性等優(yōu)點,近年來被廣泛應用于燃煤發(fā)電、太陽能及核工業(yè)．緊湊高效微通道換熱器良好的耐壓性和緊湊性非常適用于S-CO2布雷頓循環(huán),是目前最具發(fā)展前景的換熱器之一．

文獻[40]研究了超臨界二氧化碳入口側溫度和壓力對鋸齒形翅片微通道換熱器傳熱性能的影響．研究表明,整體換熱系數(shù)隨質量流量和工作壓力的增加而增大,隨入口溫度的升高而減?。墨I[41]對帶翼型翅片微通道換熱器研究顯示,相同傳熱性能下,翼型微通道換熱器的壓降是之字形型微通道換熱器壓降的1/12．

文獻[42]就新型非均質微通道換熱器的流道尺寸、流道間距和流道截面形狀對熱性能的影響開展數(shù)值計算．研究表明,固定質量流量下,由于流速減小,微通道換熱器的傳熱性能隨流道尺寸的增大而單調下降,而流道間距對微通道換熱器的熱性能影響較?。３至鞯浪χ睆讲蛔?流道截面形狀對熱性能無顯著影響．數(shù)值模擬中采用標準k-ε湍流模型可顯著降低計算成本,shear stress transport (SST)湍流模型能在較大壓力梯度下精確求解邊界層,精確捕捉分離再循環(huán)區(qū)域[43]．而SST湍流模型被廣大學者采用主要基于其能較好的預測微通道換熱器內部的壓力損失[44]．

微通道換熱器數(shù)值計算中邊界條件的設置非常重要．微通道換熱器全幾何建模計算量較大,采用周期邊界條件可減少數(shù)值計算的流道數(shù)量,顯著降低計算需求[45]．文獻[46]研究中,CO2流道的入口邊界條件為恒溫和恒質量流量,出口邊界條件為恒壓．將微通道換熱器分析模型的上、下壁設定為周期邊界條件,前后左右側壁均設置絕熱狀態(tài),如圖6(a)．而文獻[47]在正弦波翅片型微通道換熱器的數(shù)值模擬中邊界條件均設定周期性邊界條件,如圖6(b)．

圖6 微通道換熱器微通道內數(shù)值模擬所采用的兩類邊界條件Fig.6 Two types of boundary conditions used in microchannel heat exchangers numerical simulation

目前,大量微通道換熱器流動與換熱性能的數(shù)值計算中,均假定微流道壁面的溫度恒定或熱流密度恒定作為壁面邊界條件,忽略了流體沿流動路徑的物性變化．目前的研究未能準確反映出微通道換熱器流道內流場和溫度場的實際演變過程．

3.2 氦為工質的微通道換熱器數(shù)值研究

超高溫反應器(very-high-temperature reactor,VHTR)具有高效發(fā)電和提供高溫熱源的能力,是一種極具發(fā)展前景的先進反應器．VHTRs的發(fā)電可直接使用以一次氦為工質的布雷頓循環(huán),或以二次氦為工質的間接布雷頓循環(huán)．VHTRs的發(fā)電效率和工藝熱應用依賴中間換熱器(intermediate heat exchangers,IHEs)的性能,需要非常高效的換熱裝置,如氦回收器．近年來,微通道換熱器因效率高,能承受高壓和高溫[48],在該領域廣泛應用,受到越來越多學者關注．

文獻[49]在考慮氦熱物性隨溫度變化的情況下,對耦合傳熱開展了三維穩(wěn)態(tài)模擬．在雷諾數(shù)Re=350、700、1 400和2 100范圍內,研究了流道彎曲角θ=0(直)、5°、10°、15°對微通道換熱器水力性能的影響,基于三維波道微通道換熱器模型,給出了詳細的熱工水力特性及性能參數(shù),與平面流道微通道換熱器相比,波狀結構具有更好的熱工水力性能．文獻[50]用實驗和數(shù)值計算研究了微通道換熱器氦氦試驗回路的熱工水力性能,并用Fluent軟件開發(fā)了包括角度、直徑等不同幾何形狀流道的范寧系數(shù)和努塞爾數(shù)物理模型．文獻[51]對氦為工質的單層微通道換熱器的簡化模型開展數(shù)值模擬,利用歸一化螺旋曲面可視化,研究了周期流道內的局部流動和傳熱特性,將研究成果與文獻中已有結果對比驗證．研究模型中,梯形微通道換熱器的傳熱效率最高,壓降最大,而正弦、三角形和直線流道的微通道換熱器的傳熱效率最低．文獻[52]利用實驗和數(shù)值計算研究微通道換熱器全局和局部熱工水力性能,并利用系統(tǒng)分析代碼GAMMA研究兩者的相關性．研究表明,利用全局范寧系數(shù)可直接得到局部平均范寧系數(shù),但利用全局努塞爾數(shù)不能直接預測局部平均努塞爾數(shù)．

目前,針對低溫微通道換熱器的研究非常少見．低溫換熱器內部溫度梯度較大,軸向導熱對換熱器的熱工性能影響較大．文獻[53-54]提出了非平衡逆流式換熱器高傳熱單元軸向導熱的閉式方程．文獻[55]研究了在考慮軸向傳導的情況下,可通過優(yōu)化流道形狀使熵最小化．工程中緊湊低溫系統(tǒng)對微通道換熱器的傳熱性能提出了新的要求．

4 總結與展望

(1) 微通道換熱器不同微通道結構的流動與換熱特性各異．對比了工程中常見的不同流道截面的直流道、之字形流道、S型流道和翼型翅片流道的換熱特性及壓降,并考慮到微通道制備的經(jīng)濟性,半圓截面之字形流道在實際工程中廣泛應用．

(2) 目前,研究微通道換熱器流動和傳熱特性的方法主要有數(shù)值模擬和實驗兩種,數(shù)值模擬中工質以單相氦或超臨界CO2為主,研究微通道幾何參數(shù)對微通道換熱器流動與傳熱性能的影響,對低溫下微通道換熱器性能的研究較缺乏．在今后微通道換熱器的設計及研究中,應更詳細考慮數(shù)值計算中的邊界條件問題,提出更普遍適用的相關性．

(3) 由于微通道換熱器實驗的可視化較差,大型的微通道換熱器工業(yè)化實驗較少．目前,我國微通道換熱器方面的基礎研究仍然薄弱,設計技術、設計標準及設計軟件等方面有待提高．

(4) LNG并不是由單一物質組成,多相流與微通道換熱器換熱特性的相關性研究尤為重要.應用于船舶上時,搖擺周期和角度對微通道換熱器流動和傳熱性能的影響也有待研究．