液化天然氣（LNG）是優質低碳清潔能源，在新能源結構轉型中發揮著重要作用，已經成為工業和民用燃料的主導供應方式。LNG氣化工藝中選用低溫印刷板式熱交換器（PCHE）替代傳統的板式或管殼式熱交換器，可減小占用空間和支撐重量，滿足精細化和降本增效的目標。文中針對PCHE和LNG氣化流程進行研究，分析在LNG氣化工藝中應用PCHE的可行性，優化低溫PCHE在蒸發氣（BOG）冷卻和LNG氣化模塊的應用及其設計分析流程。

1、PCHE技術研究概況

1.1產品結構

PCHE重要結構示意圖見圖1。PCHE是一種傳熱效率高、結構緊湊的微通道熱交換器，其特點是以傳統板式熱交換器為原型，依次通過化學蝕刻方法、板片的堆疊和擴散、機械加工獲得最終產品。

1.2技術優勢[1-3]

PCHE依靠冷側板片與熱側板片交替排列形成的冷熱流體流動通道（圖2）進行傳熱，流體在板片刻蝕后的微通道內流動，熱量由熱流體間壁傳遞至冷流體。

特殊材質、結構、制造、集成和化學處理技術打造出的微通道換熱芯體全方位提升了熱交換器的性能，使得PCHE兼具換熱效率高、耐高溫、耐高壓、體積小、質量輕及無需墊圈等特性。目前PCHE產品的使用溫度在-196～900℃，工作壓力約90MPa，國產最大單芯體尺寸為1500mm×600mm×600mm。單元換熱效率可以達到98%,體積和質量僅為傳統管殼式熱交換器的1/6～1/4，可以實現多種介質同時換熱，泄漏和振動損失少，壽命長。

1.3研究進展

國內PCHE產品研究突破了一系列瓶頸技術難題，掌握了設計制造關鍵技術，包括原材料生產技術、熱交換器結構計計算、板片刻蝕技術、擴散連接技術、集成建造技術、檢測評價技術等，產品應用行業廣泛。目前已實現海洋工程、石油煉化、航空運輸、氣化液化換熱等領域國產化應用，實現了原材料、加工設備、制造工藝、檢驗試驗等完整流程自有技術和生產規模化，形成的產品實體制造典型工藝流程見圖3。

2、LNG氣化工藝中PCHE應用研究算例

2.1可行性分析

在LNG氣化工藝流程中的BOG冷卻和LNG氣化模塊應用PCHE是一種合理的雙向選擇，一方面PCHE的微通道換熱板片可滿足縮小熱交換器尺寸和質量需要，另一方面LNG清潔度高的特點也能滿足PCHE的介質選用要求。

BOG冷卻和LNG氣化時通常會有氣液相變過程，氣液間轉換會對流道產生應力沖擊，所以換熱體的應力分析也是必須考慮的。此外，PCHE本體和支撐結構也需要整體考慮和分析[4]。

2.2有限元分析

2.2.1模型

以國內某LNG氣化項目BOG冷卻器為例，在ANSYS軟件中建立BOG冷卻PCHE有限元分析模型，見圖4。

圖4LNG氣化項目BOG冷卻PCHE有限元分析模型

2.2.2設計條件

LNG氣化工藝流程中BOG冷卻PCHE設計條件見表1。

2.2.3運行參數

根據LNG組分特點、流量、操作壓力(表壓)等參數共確定9種BOG冷卻PCHE運行工況，見表2。9種工況對應的LNG介質組分組成見表3，BOG介質組分組成見表4。

2.3應力分析

2.3.1計算

選取9種工況中換熱量最大的工況3進行BOG冷卻PCHE換熱面積計算。已知工況3參數為，熱負荷2187kW，LNG側流量180000kg/h，BOG流量21850kg/h。出于保守考慮，按照110%流量重新確定計算輸入的最大熱負荷，即2187×1.1=2405.7（kW），將此熱負荷定義為設計工況，其它工況為校核工況。PCHE換熱面積計算的理論基礎是接觸換熱，考慮到2種介質流道之間滿足設計換熱量要求，計算時將接觸傳熱簡化為常規非接觸換熱。

換熱面積A分7個步驟進行計算，①選定設計換熱量Q，Q=2405.7kW。②計算平均對數溫差LMTD。③計算修正后平均對數溫差MTD。④計算清潔傳熱系數Uclean，通過HYSYS軟件輸入物性參數計算得出U_clean=1230.6W/（m2·℃）。⑤計算考慮污垢總傳熱系數U_fouled，通過HYSYS軟件輸入物性參數計算得出U_fouled=1172.9W/（m2·℃）。⑥計算污垢情況下所需換熱面積A_fouled。⑦考慮10%換熱面積裕量，最后確定所需換熱面積A[5-7]。

其中LMTD、MTD、A_fouled、A采用以下公式進行計算：

式（1）~式（4）中，t_hi、t_co分別為熱側進、出口溫度，t_hi、t_co分別冷側進、出口溫度，F_corrected為溫差修正因子，取值0.9。

將Q=2405.7kW、t_hi=-170℃、t_ho=149℃、t_co=60℃、F_corrected=0.9、U_clean=1230.6W/（m2·℃）、t_ci=-170℃、U_fouled=1172.9W/（m2·℃）帶入計算，得到LMTD=49.22℃、MTD=44.3℃、A_fouled=46.3m2、A=50.9m2。

2.3.2換熱芯體結構及應力分析評定

依據上述計算結果進行BOG冷卻PCHE結構參數設計，確定板片層數為220層、每層流道數量為96道，板片的微通道直徑為0.95mm。建立BOG冷卻PCHE換熱芯體結構網格模型，依據JB4732—1995《鋼制壓力容器———分析設計標準(2005年確認)》對BOG冷卻PCHE換熱芯體板片結構模型進行應力分析。設置邊界條件為，模型底部約束豎直方向位移，模型對稱面約束法向位移。按照一側板片通道內壁受13.9MPa設計壓力加載模型。PCHE換熱芯體板片結構模型應力分析及應力評定路徑設置見圖5[8-15]。

分析圖5a可知，應力最大值為112.2MPa，位于板片通道肋根部。BOG冷卻PCHE換熱芯體板片材質為S31603，其在設計工況下的結構強度應力評定結果見表5。

表5中，Pm為一次總體薄膜應力，PL為一次局部薄膜應力，Pb為一次彎曲應力，PL+Pb為一次薄膜加一次彎曲應力，Sm為許用應力，SⅠ為一次總體薄膜應力強度，SⅡ為一次局部薄膜應力強度，SⅢ為一次薄膜加一次彎曲應力強度，設計工況系數K取1.0，擴散焊接頭系數準取0.7。

由表5可知，BOG冷卻PCHE換熱芯體板片結構均通過了強度校核評定，能夠滿足相關標準的要求。

3、BOG冷卻PCHE產品換熱面積復核

LNG氣化項目BOG冷卻PCHE換熱芯片設計參數見表6。

換熱面積計算及其修正計算公式如下[5]：

式（5）~式（8）中：A計算為理論計算換熱面積，U為濕周，D為通道直徑，Ac為單個通道流通面積，Np為單側板片數量，Nc為單層板片通道數量，Lc為單個通道沿程有效長度（由產品板片圖樣測量而來），A實際為綜合考慮了制造加工等因素及工程經驗因素影響后用經驗系數修正后的傳熱面積（即最終提供的PCHE換熱面積），準為修正系數。

將D=1.9mm、Np=218層、Nc=96道、Lc=516×10-6mm、準=0.97帶入上述各式中計算，得到A計算=58.07mm2，A實際=56.3mm2。

LNG氣化項目BOG冷卻PCHE實際提供換熱面積（考慮污垢情況下）為56.3mm2,理論計算所需換熱面積(考慮污垢情況下)為46.3m2,實際提供面積相對于修正后的理論計算面積有21.6%的余量。工況1～工況2和工況4～工況9為校核工況，熱負荷均小于設計熱負荷2260.6kW，換熱面積余量更大，計算過程相似。

4、BOG冷卻PCHE換熱計算分析總結

合理的PCHE設計方案和優化后的PCHE產品設計參數的獲得，需要同時考慮換熱芯體應力分析和換熱面積復核結果，對上述計算分析進行梳理，總結得到的換熱計算分析流程見圖6。

通過合理選擇PCHE參數，可滿足工藝換熱和相變承壓要求，并控制尺寸重量，同時考慮換熱余量，實現覆蓋全部設計工況的目標。

5、結束語

在LNG氣化應用場景選用低溫PCHE替代以傳統板式或管殼式熱交換器，具有減小占用空間和支撐重量及降本增效重要意義。以某LNG項目BOG冷卻模塊低溫PCHE的換熱面積計算為例，進行了傳熱計算面積計算和換熱芯體板片有限元建模及模型應力分析，進行了低溫PCHE產品的傳熱復核計算，對比了有限元分析設計結果與傳熱復核計算結果，驗證了有限元方法的可靠性。總結了低溫PCHE換熱計算分析流程，此流程在常規熱交換器根據工藝參數計算的基礎上，同時考慮了換熱芯體的應力分析，創新了PCHE結構設計思路，具有優化PCHE設計的實踐意義。

參考文獻：

[1]尤學剛,劉新宇,曾冬，等.國產印刷電路板式換熱器的首次工業應用研究[J].石油機械,2022,50(2):46-52.

[2]王濤,陳江龍,吳璇.印刷電路板式換熱器的研究進展與應用[J].機電設備,2024,41(3):27-30.

[3]周修龍,付儷靜,沈小兵.印刷板式換熱器在海洋環境下的腐蝕與防護[J].機電設備,2021,38(1):55-57.

[4]徐婷婷,趙紅霞,韓吉田，等.結構和工況參數對印刷電路板式換熱器性能的影響[J].熱力發電,2020,49(12):28-35.

[5]鋼制壓力容器———分析設計標準(2005年確認)：JB/T4732—1995[S].

[6]余智強,吳建澤,任亞濤,等.印刷板式微通道換熱器流動與傳熱特性的理論模型[J].化工學報,2022,73(12):5324-5342.

[7]張義飛,劉舫辰,張雙星,等.超臨界二氧化碳用印刷電路板式換熱器性能分析[J].化工學報,2023,74(S1):183-190.

[8]楊軍,劉歡鵬.印刷電路板式換熱器換熱流動特性數值分析[J].節能技術,2023,41(3):273-278.

[9]閆棟,史新鑫,王瑋,等.印刷電路板式換熱器熱應力與機械應力的耦合分析[J].山東化工,2023,52(16):183-187.

[10]王子豪,杜家磊,梁國柱.大溫差下印刷電路板式換熱器起動過程建模與實驗[J].航空學報,2023,44(16):39-57.

[11]徐哲,張明輝,段天應,等.超臨界二氧化碳在印刷電路板式換熱器內的流動換熱特性研究[J].原子能科學技術,2021,55(5):849-855.

[12]李秋龍,徐哲,郭繼冠,等.板片表面缺陷尺度對印刷板式換熱器擴散焊接的影響研究[J].材料開發與應用,2021,36(2):74-78.

[13]張明輝,徐哲,段天應,等.印刷板式換熱器流道結構優化研究[J].化工管理,2021(28):155-158.

[14]丁源.ANSYS Workbench18.0有限元分析案例詳解[M].北京：清華大學出版社,2019.

[15]楊志鋒,曲瑞波,梁晨.基于ANSYS對印刷電路板換熱器肋板應力分析[J].化工裝備技術,2021,42(5):9-11.