1研究背景
印刷电路板式换热器（Printed circuit heat exchanger，PCHE）作为一种新型换热器，具有结构紧凑、效率高、耐高压等优点。由于其良好的热工水力特性，PCHE广泛应用于超临界流体。在现有的研究中，一方面通过改变PCHE的通道形状[1]和排布[2]、通道结构[3]等优化流动传热性能，另一方面分析运行工况、循环工质等对流动传热性能的影响[4]。实际工程应用中，需要建立计算准确的流动传热经验关联式[5]，为PCHE的设计和优化提供参考。笔者研究团队总结了PCHE在超临界工质下的研究成果和工程案例[6]，发现PCHE低温工况下热工水力特性的研究略显不足，且多以数值模拟为主，缺乏相关的试验验证。因此，我们在低温深冷领域进行了一些数值模拟和试验研究。
2模拟研究
2.1 海洋动载下翼型正弦通道SLNG“热-流-力”耦合关系
超临界液化天然气（S-LNG）具有密度更高、粘度更低、扩散速度更快、换热系数更高等优点，具有更好的流动和换热特性。浮式液化天然气（FLNG）平台和双燃料船舶高压供气系统（FGSS）中，海洋动载是不可避免的[7]。海洋动载是一种特殊的复杂运动，其包含六个自由度，同时引入了附加惯性力和加速度。因此，研究海洋动载下S-LNG的热工水力性能具有重要意义[8]。为了提高S-LNG在PCHE中的温度和流速均匀性，笔者研究团队提出了一种带翼型翅片的正弦通道PCHE结构[9]，如图1所示。进口条件113.15K、32MPa的S-LNG为冷流体，进口条件293.15K、0.1MPa的乙二醇为热流体。在三维模型中，对其传热和流动性能进行了数值研究，并分析了新型结构中流体温度和流速的均匀性。
图1 带翼型翅片的正弦通道结构
如图2所示，和无翼型翅片正弦通道相比，翼型翅片能够提高S-LNG流速，湍流动能提高19.78%，局部换热温差提高约6.95%。翼型翅片有效地改善了正弦通道的温度和流速均匀性，速度分布更均匀，湍流动能损失更小。图3和图4给出了海洋动载对流动和传热性能的影响，海洋动载使得翼型翅片周围涡流位置更靠下，速度分布更不均匀，Nu降低6.18%，综合性能因子（PEC）降低约23.51%。海洋动载恶化了传热和流动性能，但提高了通道的温度均匀性。
图2 翼型翅片在3/2π到9/2π周期正弦通道的速度云图和湍流动能云图
图3 海洋动载下3/2π到9/2π周期正弦通道的速度云图和湍流动能云图
图4 海洋动载下X3截面的流线云图
2.2 PCHE微通道内乙二醇流动传热与防冻结特性
在双燃料船舶FGSS中，通常使用乙二醇（EG）作为S-LNG气化的加热介质，但面临较高的冻结风险。因此，迫切需要厘清S-LNG在PCHE中的传热机理和冻结机制，以保证PCHE的正常运行。为此，笔者研究团队提出了一种新型的交叉逆流PCHE[10]，如图5所示。此外，论证了25°的Zigzag型流道综合性能最好[11]。利用ANSYS Fluent 2021 R1对S-LNG的气化过程进行了数值模拟。模拟工况为：S-LNG进口温度为113.15K，压力为32MPa，乙二醇进口温度为328.15K，压力为0.5MPa。研究了逆流（CF）和交叉逆流（CCF）构型的热工水力现象，并对不同S-LNG流量下的冻结风险进行了分析和比较。
通道冻结率的定义如下：
图5 逆流PCHE（a）和交叉逆流PCHE（b）的结构示意图
图6展示了CF PCHE和CCF PCHE在不同工况下的局部热流密度。和CF PCHE相比，CCF结构最大热流密度增加了124%，平均热流密度增加了约5.8%。图7展示了CF PCHE和CCF PCHE的压力云图，CCF PCHE压降始终高于CF PCHE，增长率约为3.3%。这是因为CCF PCHE中通道数量的增加不可避免地导致更大的摩擦压降。图8以CF PCHE为参考条件，对比了PCHE的综合评价因子PEC。随着Re的增加，CCF PCHE的优势变得更加突出，整体性能提高4.6%。
图6 CF PCHE（a）和CCF PCHE（b）的局部热流密度
图7 CF PCHE（a）和CCF PCHE（b）的压力云图
图8 不同SLNG的Re下CF PCHE和CCF PCHE的PEC对比
图9和图10分别给出了不同质量流量下CF PCHE和CCF PCHE热侧冻结示意图。随着S-LNG质量流量的增加，冻结通道数量增加，通道中相应的冰含量也相应增加，最大冻结率为0.25。图11给出了热侧各通道段结冰比例，与相同条件下的CF PCHE相比，CCF PCHE的冻结通道数减少了4~6个，通道内冻结率可降低5%~19%。
图9 不同质量流量下 CF PCHE热侧冻结示意图
图10 不同质量流量下 CCF PCHE热侧冻结示意图
图11 热侧各通道段结冰比例
3试验研究
笔者研究团队搭建了一个面向低温深冷的PCHE热工水力性能试验平台，如图12所示。低温PCHE性能试验台流程图如图13所示，测试件PCHE的结构参数如图14所示。考虑到安全问题，采用液氮（L-N2）作为冷流体代替LNG，以50wt%乙二醇用作热流工质。液氮的进口压力为0.50~1.25MPa，进口温度为-179℃，乙二醇的进口压力为0.105~0.108 MPa，进口温度为45℃。试验研究了液氮（mL-N2）和乙二醇（mEG）质量流量对PCHE热工水力性能的影响。同时，对比了顺流（PF）PCHE和逆流（CF）PCHE的热工水力性能。
图12 低温PCHE性能试验台照片
图13 低温PCHE性能试验台流程图
图14 PCHE的结构参数
图15给出了Qave随mEG和mL-N2的变化，当保持mL-N2相同的情况下，PCHE的平均换热量(Qave)和液氮摩擦压降(ΔPL-N2)随着mEG的增加而增加，且CF-PCHE的Qave和ΔPL-N2总是高于PF-PCHE。图15展示了Qave随mEG和mL-N2的变化，图16展示了ΔPL-N2随mEG和mL-N2的变化。以mL-N2=90 kg/h、mEG=0.99×103 kg/h为例，CF-PCHE的Qave与PF-PCHE相比，提高了3.3%～15.8%。CF-PCHE的ΔPL-N2与PF-PCHE相比，提高了15.2%～16.6%。
图15 Qave随mEG和mL-N2的变化
图16 ΔPL-N2随mEG和mL-N2的变化
4工程案例
迄今为止，对于PCHE的研发制造已有多项突破性进展，并在多个工业领域实现了自主研发。表1 为笔者团队与企业合作的部分PCHE工程案例。
表1 工程案例
5未来展望
文章介绍了印刷电路板式换热器（PCHE）在低温深冷领域的研究成果，在进行数据模拟的同时，推进了试验验证。在未来的工作中，将继续推进以下工作：1）对超临界PCHE性能实验测试；2）讨论多自由度动载对PCHE综合性能的影响；3）探究动态响应下参数之间的耦合关系。
感谢项目合作方杭州沈氏节能科技股份有限公司、中央引导地方科技发展基金（2023ZY1046）、上海自然科学基金（22ZR1426900）、海南省科重点研发计划（ZDYF2024GXJS010）、教育部动力机械与工程重点实验室基金（UNI202304）的支持。
作者简介
彭辉，上海海事大学商船学院硕士研究生，师从田镇教授。主要从事微小尺度强化传热方面的研究。
E-mail: 2424763824@qq.com
田镇，上海海事大学商船学院教授，博士生导师，现任《制冷与空调》、《制冷学报》、《Complex Engineering Systems》青年编委。主持国家自然科学基金面上项目、中央引导地方科技发展基金、上海市自然科学基金、IAMU国际合作项目等重要课题。入选中国科协青年人才托举工程、上海市人才计划等4项。研究领域：微小尺度强化传热、车船动力电池热管理、LNG冷能利用与船舶碳捕集。
E-mail: ztian@shmtu.edu.cn
参考文献
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