收稿日期： 2023-07-03

作者簡(jiǎn)介： 安雯（1997-）， 女，碩士，山西省陽泉市人，研究方向：印刷電路板式換熱器。

摘""""" 要： 使用數(shù)值模擬方法研究了超臨界LNG在波形通道印刷電路板式換熱器中的流動(dòng)傳熱特性，針對(duì)不同質(zhì)量流量和不同進(jìn)口溫度進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，在質(zhì)量流量在0.72 kg/h至1.44 kg/h范圍內(nèi)增加時(shí)，流體的質(zhì)量流量增加對(duì)流動(dòng)傳熱性能有積極的影響。此外，在進(jìn)口溫度在120～140 K范圍內(nèi)增加時(shí)，進(jìn)口溫度對(duì)印刷電路板式LNG氣化器的熱力性能有積極的影響，對(duì)水力性能的影響較小。因此，適當(dāng)提高流體的質(zhì)量流量和進(jìn)口溫度有助于提高波形通道印刷電路板式換熱器的熱工水力性能。

關(guān)" 鍵" 詞：印刷電路板式換熱器； 超臨界LNG； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TQ052.6"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A"""" 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）02-0214-05

選用高效清潔的能源及高性能的換熱設(shè)備是提高熱能利用率、減少損耗的有效途徑之一[1]。為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)燃料如煤和石油儲(chǔ)量的日益減少以及污染較大的問題，作為低碳清潔的化石能源，天然氣在能源體系從化石能源向可再生能源過渡中扮演著重要的角色，成為可再生能源的理想伴侶[2]。近年來，天然氣（Natural Gas，NG）開始被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。天然氣因其環(huán)保、清潔的性質(zhì)以及高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，被普遍認(rèn)為是目前傳統(tǒng)燃料如煤和石油的最佳替代品，需求量迅速增加。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是目前實(shí)現(xiàn)天然氣大批量?jī)?chǔ)運(yùn)的最普遍方式[3-4]。LNG在使用前必須氣化，因此提高換熱器的效率對(duì)于LNG的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

印刷電路板式換熱器（PCHE）是一種微通道換熱器，其流體通道由金屬板片通過光化學(xué)蝕刻技術(shù)加工而成。相比傳統(tǒng)換熱器，PCHE具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如高換熱效率、耐低溫高溫（-196～900 ℃）和耐高壓（60 MPa）等[5-6]。印刷電路板式換熱器（ PCHE） 廣泛應(yīng)用于微電子行業(yè)、天然氣氣化領(lǐng)域、核工業(yè)、化工換熱反應(yīng)器等領(lǐng)域[7-8]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于印刷電路板式換熱器的研究從未停止，主要采用超臨界二氧化碳（SCO2）作為工質(zhì)。Chang等[9]提出并測(cè)試了一種新型帶翼型翅片的PCHE。分析了熱阻變化對(duì)傳熱性能的影響。Han等[10]提出了通過雙面蝕刻傳熱板在半圓形通道頂部平壁上放置的肋骨結(jié)構(gòu)，并研究了肋結(jié)構(gòu)分布對(duì)通道性能的影響。研究表明，肋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致通道內(nèi)湍流動(dòng)能明顯增加，提高了速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)之間的協(xié)同作用，從而增強(qiáng)了傳熱能力。Liu等[11]搭建了一個(gè)PCHE測(cè)試平臺(tái)并獲得了大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并基于海洋布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中預(yù)冷器的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了PCHE的軸向、徑向和全局水力熱力學(xué)特性，提出了SCO2新的傳熱相關(guān)性。Shin等[12]設(shè)計(jì)并制造了預(yù)計(jì)能夠進(jìn)行200 kW熱交換的印刷電路熱交換器（PCHE），利用實(shí)測(cè)溫度和壓力值計(jì)算冷側(cè)相變傳熱系數(shù)，提出了一個(gè)新的相關(guān)方程。Wang等[13]通過數(shù)值模擬方法分析了不同通道結(jié)構(gòu)下PCHE傳熱性能的優(yōu)缺點(diǎn)。Xu等[14]研究了PCHE的整體規(guī)模，提出了固定體積的PCHE的最佳尺寸?？偟膩碚f，這些研究結(jié)果為設(shè)計(jì)和優(yōu)化PCHE提供了重要的參考，可以幫助改進(jìn)PCHE的流動(dòng)和換熱性能。

然而，對(duì)于超臨界LNG在波形通道PCHE中流動(dòng)傳熱特性研究較少。本文建立波形通道印刷電路板式換熱器模型，在不同質(zhì)量流量和進(jìn)口溫度下進(jìn)行模擬，通過分析不同工況下的出口溫度、進(jìn)出口壓降、努塞爾數(shù)及范寧摩擦因子對(duì)波形通道PCHE中流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行研究。從而得到運(yùn)行參數(shù)對(duì)波形通道PCHE中流動(dòng)傳熱特性的影響規(guī)律，為PCHE在實(shí)際應(yīng)用中提供理論依據(jù)。

1" 數(shù)值計(jì)算方法

1.1" 工質(zhì)特性

超臨界流體由于其特殊的物理性質(zhì)與普通流體存在顯著差異，因此其傳熱特性也會(huì)有很大不同。與普通流體相比，超臨界流體具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱性和擴(kuò)散性，傳熱和流動(dòng)特性更加優(yōu)越。它能夠以較低的氣態(tài)壓降實(shí)現(xiàn)高效的液態(tài)換熱效果。同時(shí)，與普通流體相比，超臨界流體在換熱過程中大大減少了壓力損失的發(fā)生。在本文中，選擇超臨界LNG作為工質(zhì)，其各組分的摩爾分?jǐn)?shù)如下：甲烷占94.37％，乙烷占4.28％，丙烷占1.01％，正丁烷占0.13％，異丁烷占0.16％，氮?dú)庹?.05％。

1.2" 幾何模型及數(shù)學(xué)模型

由于印刷電路板式換熱器的通道數(shù)目眾多，無法對(duì)所有通道進(jìn)行模擬，鑒于PCHE具有周期性的特點(diǎn)，因此，在本文中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用單一通道進(jìn)行模擬。模型的實(shí)體部分采用了結(jié)構(gòu)鋼作為材料，尺寸為2.5 mm×1.84 mm，矩形通道的尺寸為2 mm×0.88 mm。波形通道PCHE的通道中心軸線為正弦曲線，振幅A=3 mm，波長(zhǎng)λ=25 mm，流道波狀段的投影長(zhǎng)度為200 mm。為了防止超臨界LNG回流，流道的出入口側(cè)分別設(shè)有25 mm長(zhǎng)的直管段作為穩(wěn)定段。

印刷電路板式換熱器流道中的工質(zhì)通常處于湍流狀態(tài)。湍流是工程應(yīng)用中常見的一種流動(dòng)狀態(tài)，它在大雷諾數(shù)情況下發(fā)生。湍流滿足連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，同時(shí)具有不規(guī)則性。在湍流中，流體不斷混合，并且溫度、壓力、速度等參數(shù)都呈現(xiàn)隨機(jī)脈動(dòng)的特征。本文選擇使用基于k-ω模型的剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型（Shear Stress Transport，SST）進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3" 邊界條件設(shè)置及數(shù)學(xué)方法

本文中，將波形通道印刷電路板式換熱器的內(nèi)部流道壁面定義為流固耦合邊界。采用耦合傳熱理論對(duì)固體區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行求解和分析對(duì)于流道，入口邊界被定義為質(zhì)量流量入口，而出口邊界被定義為壓力出口。對(duì)于流道的上、下壁面，采用周期性邊界條件。而對(duì)于前、后、左、右壁面，將其定義為絕熱壁面。在數(shù)值求解方面，使用ANSYS Fluent軟件對(duì)控制方程進(jìn)行求解。速度和壓力之間的耦合采用SIMPLE算法，變量梯度的求解則采用Least Squares Cell Based方法，壓力項(xiàng)的求解使用PRESTO！方法，而其他項(xiàng)則使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。設(shè)定殘差小于10-6作為計(jì)算收斂的判定標(biāo)準(zhǔn)。

本文采用ICEM CFD劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，近壁區(qū)采用較小的網(wǎng)格間距，以保證邊界層熱物性梯度得到更加精確的分析。邊界層初始高度0.006 mm，增長(zhǎng)率為1.25。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮到計(jì)算的時(shí)間成本，在本文中，使用相同的設(shè)置繪制了五組網(wǎng)格，分別為20萬、40萬、60萬、80萬和100萬。通過計(jì)算和驗(yàn)證，得到了它們的結(jié)果，并在表1中進(jìn)行了展示。在這些網(wǎng)格設(shè)置下，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增大至60萬時(shí)，平均出口溫度以及壓降的相對(duì)誤差均小于1%?；谟?jì)算成本的考慮，選擇了60萬的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算和分析。

2" 結(jié)果分析

2.1" 模型驗(yàn)證

在進(jìn)行模擬前，有必要進(jìn)行數(shù)值模型驗(yàn)證，以此證明本數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。在本文中，基于吳維武等[15]研制的直通道印刷電路板式LNG氣化器縮比樣機(jī)，建立了相應(yīng)的模型。為了盡可能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，將采用吳維武等的實(shí)驗(yàn)入口邊界條件作為數(shù)值計(jì)算的入口邊界條件。然后，對(duì)數(shù)值模擬所得的工質(zhì)進(jìn)出口溫差與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并計(jì)算了它們之間的相對(duì)誤差。通過這種對(duì)比和分析，可以評(píng)估數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性并進(jìn)一步探究LNG氣化器在不同條件下的性能特點(diǎn)。

2.2" 進(jìn)口溫度對(duì)波形通道PCHE流動(dòng)傳熱特性的影響

在本節(jié)中，設(shè)定超臨界LNG的進(jìn)口溫度變化范圍為120～140 K，并以每隔5 K取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，保持其他邊界條件不變，即超臨界LNG的出口壓力為8 MPa，質(zhì)量流量為1.08 kg/h。通過這種設(shè)定，可以系統(tǒng)地研究波形通道PCHE中的超臨界LNG在不同進(jìn)口溫度條件下的性能和行為變化。

圖1為L(zhǎng)NG進(jìn)口溫度變化區(qū)間在120～140 K時(shí)，超臨界LNG的出口溫度及進(jìn)出口壓降的變化情況。根據(jù)圖表可以觀察到，隨著LNG進(jìn)口溫度的增加，其出口溫度也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這意味著LNG進(jìn)口溫度的變化對(duì)于LNG出口溫度產(chǎn)生了影響。LNG進(jìn)口溫度為120 K時(shí)，對(duì)應(yīng)其出口溫度

269.04 K，LNG進(jìn)口溫度為140 K時(shí)，對(duì)應(yīng)其出口溫度273.38 K；隨著LNG進(jìn)口溫度的升高，其進(jìn)出口壓降隨之降低。LNG進(jìn)口溫度為120 K時(shí)，對(duì)應(yīng)其壓降為1 399 Pa，LNG進(jìn)口溫度為140 K時(shí)，對(duì)應(yīng)其壓降為1 520 Pa。

圖2為L(zhǎng)NG進(jìn)口溫度變化區(qū)間在120～140 K時(shí)，超臨界LNG的努塞爾數(shù)及范寧摩擦因子的變化情況。

由圖2可知，不同LNG進(jìn)口溫度下努塞爾數(shù)變化較為明顯，且隨著LNG進(jìn)口溫度的升高，努塞爾數(shù)呈線性增大的趨勢(shì)。當(dāng)LNG進(jìn)口溫度為120 K時(shí)，努塞爾數(shù)為26.31，當(dāng)LNG進(jìn)口溫度為140 K時(shí)，努塞爾數(shù)為31.10。即說明通過提高LNG的入口溫度，可提高印刷電路板式LNG氣化器的熱力性能。范寧摩擦因子整體表現(xiàn)為隨LNG進(jìn)口溫度升高而增大。但其隨LNG進(jìn)口溫度變化較小，LNG進(jìn)口溫度為120 K時(shí)，范寧摩擦因子為0.008 227；LNG進(jìn)口溫度為140 K時(shí)，范寧摩擦因子為0.008 239。僅相差0.000 012。綜上所述，提高超臨界LNG的進(jìn)口溫度可以提升印刷電路板式LNG氣化器的熱力性能，而其水力性能受到輕微的負(fù)向影響。因此，提高LNG進(jìn)口溫度有助于提升印刷電路板式LNG氣化器的綜合性能。

2.3" 質(zhì)量流量對(duì)波形通道PCHE流動(dòng)傳熱特性的影響

在本節(jié)中，設(shè)定超臨界LNG進(jìn)口質(zhì)量流量的變化范圍為0.72 kg/h至1.44 kg/h，并以每隔0.18 kg/h取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，保持其他邊界條件不變，即超臨界LNG的出口壓力為8 MPa，進(jìn)口溫度為128.9 K。通過這樣的設(shè)定，可以系統(tǒng)地研究矩形截面波形通道PCHE中的超臨界LNG在不同進(jìn)口質(zhì)量流量條件下的性能和行為變化。

圖3為L(zhǎng)NG質(zhì)量流量變化區(qū)間在0.72～1.44 kg/h時(shí)，超臨界LNG的出口溫度及進(jìn)出口壓降的變化情況。由圖可知，隨著LNG質(zhì)量流量的升高，其出口溫度隨之降低。當(dāng)LNG的質(zhì)量流量為0.72 kg/h時(shí)，其對(duì)應(yīng)的出口溫度為280.14 K；而當(dāng)LNG的質(zhì)量流量增加至1.44 kg/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的出口溫度降低至264.94 K。此外，隨著LNG進(jìn)口溫度的升高，輸送過程中的進(jìn)出口壓降也隨之增加。當(dāng)LNG的質(zhì)量流量為0.72 kg/s時(shí)，壓降為813 Pa；而當(dāng)LNG的質(zhì)量流量增加至1.44 kg/h時(shí)，壓降增至2 239 Pa。

根據(jù)圖4顯示的結(jié)果，當(dāng)超臨界LNG通道中的質(zhì)量流量在0.72 kg/h至1.44 kg/h的范圍內(nèi)變化時(shí)，努塞爾數(shù)和范寧摩擦因子也相應(yīng)發(fā)生變化。努塞爾數(shù)在不同的LNG質(zhì)量流量下有明顯的變化，并呈線性增加的趨勢(shì)，即隨著LNG質(zhì)量流量的提高而增加。這意味著增加LNG質(zhì)量流量對(duì)于增強(qiáng)印刷電路板式LNG氣化器的傳熱能力具有顯著作用。例如，當(dāng)LNG質(zhì)量流量為0.72 kg/h時(shí)，努塞爾數(shù)為20.86；而當(dāng)LNG質(zhì)量流量增加至1.44 kg/h時(shí)，努塞爾數(shù)增至34.71，兩者相差13.85。另一方面，范寧摩擦因子隨著LNG質(zhì)量流量增大而減小，并且下降趨勢(shì)較為明顯。當(dāng)LNG質(zhì)量流量為0.72 kg/h時(shí)，范寧摩擦因子為0.008 860；而當(dāng)LNG質(zhì)量流量增加至1.44 kg/h時(shí)，范寧摩擦因子降至0.007 884，減小了0.000 976。綜上所述，增加LNG進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)于提高波形通道印刷電路板式LNG氣化器的綜合性能具有顯著的正向影響。

3" 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)矩形截面波形通道印刷電路板式換熱器中超臨界LNG的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了研究，并探究了進(jìn)口溫度和質(zhì)量流量的變化對(duì)PCHE的熱工水力性能的影響，結(jié)論如下：

1）在進(jìn)口溫度為120～140 K范圍內(nèi)，增加進(jìn)口溫度對(duì)于矩形截面波形通道印刷電路板式LNG氣化器的熱力性能具有正向作用，對(duì)其水力性能具有較小的負(fù)向作用，適當(dāng)提高LNG的進(jìn)口溫度有利于提高波形通道印刷電路板式換熱器的熱工水力性能。

2）在質(zhì)量流量為0.72～1.44 kg/h范圍內(nèi)，流體質(zhì)量流量的增加對(duì)流動(dòng)傳熱性能具有正向作用，適當(dāng)提高LNG的質(zhì)量流量有利于提高波形通道印刷電路板式換熱器的熱工水力性能。

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Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Wave Channel

Printed Circuit Heat Exchanger

AN Wen

（Xi’an Shiyou University， Xi’an Shaanxi 710065， China）

Abstract：" The numerical simulation method was used to study the flow and heat transfer characteristics of supercritical LNG with different mass flow and different inlet temperatures in the wave channel printed circuit heat exchanger. It was found that the increase of fluid mass flow had a positive effect on the flow heat transfer performance in the range of 0.72～1.44 kg·s-1.In the range of 120 K to 140 K for the inlet temperature， it was observed that increasing the inlet temperature had a positive impact on the thermal performance of the printed circuit LNG gasifier. However， it had a slight negative effect on its hydraulic performance. Therefore， it was beneficial to appropriately increase the mass flow rate of the fluid and the LNG inlet temperature to enhance the thermal-hydraulic performance of the printed circuit heat exchanger with wave channels.

Key words： Printed circuit heat exchanger; Supercritical LNG; Numerical simulation