摘要：随着海上天然气贸易的逐渐兴起，海上浮式装置对LNG气化器提出了更高的要求。印制电路板式换热器（PCHE）作为一种新型的微通道换热器，由于其高效、紧凑的特点，是LNG载体和LNG浮式接收站上低温换热器的首选。以印刷电路板式换热器的单Z型通道为研究对象，折流角15°,采用Ansys Fluent软件，研究超临界LNG在该通道内的流动换热特性，探究了不同深度的通道在不同入口速度下的对流传热系数h、努塞尔数Nu、范宁摩擦因子f、综合评价指标PEC的变化情况。结果表明：随着通道深度和入口速度的提高，h、Nu均呈现增大的趋势，f呈现减小的趋势。通过综合分析，流体流过Z型通道，产生了旋涡，使得流体的有效流动面积减小，增强了流体的扰动性，深度0.955 mm的通道，在1.05 m/s的入口速度下，有着最佳的流动换热性能。
关键词：印刷电路板式换热器,超临界甲烷,通道深度,数值模拟
0引言
近年来，液化天然气（LNG）作为一种热值高、污染低的能源，受到各国的广泛关注。随着海上天然气贸易的逐渐兴起，LNG接收站的数量也在迅速增加，LNG气化器是这些接收站的关键设备。海上环境不稳定，因此海上浮式装置对LNG气化器提出了更高的要求。印制电路板式换热器（PCHE）效率高、结构紧凑、不受晃动影响，是LNG运输船和液化天然气浮式接收站的低温换热器的首选[1]。
PCHE是一种耐高低温、适用介质广的高效换热器，采用光电化学蚀刻工艺，蚀刻出微米至毫米量级的各种形状的流体通道，然后真空扩散焊接成整体，可广泛应用于电力、氢能、航空航天等领域[2]。目前，在实际的工程应用中，PCHE最常见的通道为直通道、Z型通道、波浪型通道及翼型通道[3-6]，许多学者已对此进行了广泛研究，Z型通道形状因其相对简单的制造工艺和较低的成本而被广泛使用。
Khalesi等[7]对超临界CO2在矩形微通道中的共轭传热和流体流动分析进行了数值研究，该微通道在基底壁底部具有均匀的热通量。数值结果表明，在比热的近范围内，SCO2特性的大幅变化会影响通道沿线的传热和流动，壁面剪切应力和热通量随压力增大而增大；在高工作压力下，努塞尔数的大变化消失，努塞尔数在层流状态下不受雷诺数的影响。Yoon等[8]采用单通道等温CFD模型研究了PCHE在Z型通道中的摩擦因数，采用双通道CFD模型研究了Z型通道中的努塞尔数以及温度相关流体特性对压力损失的影响。结果表明：Z型通道PCHE的摩擦因数主要受通道几何形状的影响，而努塞尔数则受包括增压段在内的整个换热器设计的影响。李雪等[9]建立了Z型双通道流固耦合模型，通过数值模拟重点研究了通道折流角度对流体传热影响，得出结论：雷诺数较小时，折流角度对通道性能影响不大；雷诺数较大时，15°通道综合性能最好。Chen等[10]通过STAR-CCM+模拟了氦-氦在Z型通道PCHE的热工水力性能，结果表明：每个锯齿形Z型弯曲处有周期性流动扰动，PCHE中的局部和全局传热系数存在很大差异，不同段的热通量分布存在显著差异，但每个段沿流体流动方向的热通量趋势是相似的；当Z型折流角大于30°时，努塞尔数没有显著增加。贾丹丹[11]用数值模拟的方法研究了Z型微细通道内不同质量通量和折流角度对超临界LNG的流动换热特性影响，结果表明：其他条件不变时，其换热能力随着折流角度的增大而增大，压降也会增加；当折流角度不变时，质量流量增大同样带来压力损失，但它的对流换热能力的增加更占优势。Xu[12]等在对传统Z型PCHE进行数值模拟的基础上，提出了一种新的螺旋Z型PCHE，结果表明：螺旋结构旋转角度θ的增加会不同程度地减小总压降，旋转角度越大，螺旋结构压降减小越明显；螺旋旋转角度的PCHE综合性能优于原始结构，最优结构为旋转角度为20°的结构，角度θ的增加会在一定程度上抑制流体的传热。Torre等[13]采用CFD对Z型PCHE在大参数范围内的热工水力性能进行了分析，研究发现，折流角对压降和传热值的贡献率分别为50%和70%左右。虽然锯齿形相移是影响最小的参数，但在湍流状态下，其贡献率接近10%，与节距长度和弯曲半径的贡献相当；努塞尔数和范宁摩擦因数的相关性提出了雷诺数和几何参数的函数。与文献中现有的相关性相比，新的相关性被认为更准确。张义飞等[14]通过数值模拟分析了SCO2在变径PCHE中的热工水力性能，结果表明：随着宽径的减小，表面传热系数增大，其相对于等径PCHE的提升效果更加显著；较大宽径PCHE的变径形式有着较小的CO2压降增长率，宽径较小时变径结构会使综合性能有更显著的提高；表面传热系数随着渐变比的增加而增加，将变径段置于PCHE后端具有更优的传热特性，其表面传热系数峰值较其他形式提高了23%。Li等[15]以超临界甲烷为流动介质，研究了结构参数对Z型通道PCHE中流动和传热特性的影响。从温度分布、湍流耗散速率、涡矢量、湍流强度和螺旋度等方面分析了结构参数对流动和传热特性的影响机制。同时，还利用热性能因子（TPF）对PCHE的流动和传热性能进行耦合考虑，进行了优化分析。
综上所述，目前关于PCHE的研究大多是将氦[16]、水[17]、超临界二氧化碳[18]等作为工作流体，探究其流动换热性能或优化流道截面形状，尤其是在流道截面形状研究方面，大多数围绕半圆[19]、圆、方形等，对超临界LNG及拱形截面的研究甚少。本文将超临界LNG作为PCHE的工作流体，采用数值模拟的方法，通过改变拱形通道的深度，研究超临界LNG在折流角度为15°的Z型通道内的流动换热特性。
1物理模型
1.1超临界LNG物性参数
LNG的临界压力和临界温度分别为4.59 MPa和190.55 K。LNG中甲烷占比约90％，二者具有相近的热物性，许多文献都用甲烷代替LNG进行计算[20]。本文研究的甲烷温度范围为195~360 K，压力8 MPa，该范围内甲烷热物性变化剧烈[21]，图1所示为8 MPa下甲烷的密度ρ、定压比热cp、动力黏度μ、导热系数λ随温度变化的曲线。由图可知，甲烷的密度随着温度升高而逐渐减小，定压比热先迅速升高然后减小，动力黏度和导热系数先减小后缓慢升高。甲烷在拟临界温度附近物性剧烈变化，进而会影响到其传热特性。
1.2物理模型及边界条件
已有结果表明，Z型通道在弯折角15°时有着最佳的综合性能[11]。因此本文所计算模型折流角均为15°。考虑到PCHE几何结构的周期特性。为了简化计算，选择单根Z型流道作为研究对象，如图2（a）所示，研究超临界甲烷在不同深度流道内的流动换热特性。
计算模型共10个周期，总长度295.2 mm，其中通道长度246 mm，横截面尺寸2.62 m×1.46 mm，通道折流角15°,如图2（a）~（c）所示。在通道进出口均加上24.6 mm的延长段，用来保证进口处流速均匀及防止出口处回流。工作压力设为8 MPa，通道进口边界设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件；计算模型左侧和右侧壁面绝热，核心区域顶部和底部壁面定热流密度5×104 W，延长段顶部和底部壁面绝热。
由于超临界甲烷的物性变化剧烈，在近壁面处速度梯度变化也剧烈，对通道边界的边界层进行一定的加密，共设置5层，第一层网格0.01 mm，膨胀率设为1.2，如图2（d）所示。
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