基于超临界天然气的PCHE流动传热特性数值模拟

doi:10.3969/j.issn.1006-8805.2023.02.002

石油化工设备技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 7-12.doi: 10.3969/j.issn.1006-8805.2023.02.002

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基于超临界天然气的PCHE流动传热特性数值模拟

郭志芳¹，张晓慧²，李方遒²，于真真¹，密晓光²

1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；
2. 中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 100028

收稿日期:2022-12-03 接受日期:2023-02-28 出版日期:2023-03-15 发布日期:2023-03-17
通讯作者: 张晓慧 E-mail:guozf@cooec.com.cn
作者简介:郭志芳，女，1993年毕业于大连理工大学化工设备与机械专业，学士，主要从事海洋及陆地油气开采工程、石油化工、炼化工程的成套设备的总体工艺和机械设计工作，高级工程师，现任中国海油海洋石油工程股份有限公司机械首席工程师。
基金资助:
国家发改委科研课题——陵水半潜式生产平台研究专项，项目资助（E-0820J010）。

Numerical Simulation of PCHE Flow and Heat Transfer Characteristics Based on Supercritical Natural Gas

Guo Zhifang¹, Zhang Xiaohui², Li Fangqiu², Yu Zhenzhen¹, Mi Xiaoguang²

1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin, 300451;
2. Technology R&D Center of CNOOC Gas and Power Group, Beijing, 100028

Received:2022-12-03 Accepted:2023-02-28 Online:2023-03-15 Published:2023-03-17
Contact: Zhang Xiaohui E-mail:guozf@cooec.com.cn

摘要/Abstract

摘要： 印刷电路板式热交换器（PCHE）是一种基于化学蚀刻和扩散连接的微通道热交换器。PCHE应用于国内海洋石油平台时，常出现换热介质为超临界天然气的情况。为了探究不同介质流速、不同介质组分、不同板片结构对换热器流动传热特性的影响，采用FLUENT软件对天然气超临界流体物性、流动传热特征参数进行了系统分析。计算结果表明：流速对换热器的流动传热特性影响最为显著，其对流换热系数随流速升高呈线性升高趋势；通道直径为影响换热器流动传热特性的第二大因素；不同介质组分、不同板片厚度和不同通道间距对换热介质的范宁摩擦因子和平均表面对流换热系数影响可忽略不计。该研究成果可为未来PCHE工艺设计提供理论指导。

关键词: 印刷电路板式热交换器, PCHE, 超临界, 天然气, 数值模拟, 换热器

Abstract: Printed circuit board heat exchanger (PCHE) is a microchannel heat exchanger based on chemical etching and diffusion bonding. When PCHE is applied to domestic offshore oil platforms, it often occurs that the heat exchange medium is supercritical natural gas. In order to explore the effects of different medium flow rates, different medium components and different plate structures on the flow and heat transfer characteristics of the heat exchanger, the physical properties, flow and heat transfer characteristic parameters of natural gas supercritical fluid are systematically analyzed by FLUENT software. The results show that the flow velocity has the most significant effect on the flow and heat transfer characteristics of the heat exchanger and the convective heat transfer coefficient increases linearly with the increase of flow velocity. The channel diameter is the second largest factor affecting the flow and heat transfer characteristics of the heat exchanger. The effects of different medium components, plate thickness and channel rib width on the fanning friction factor and average surface convective heat transfer coefficient of the heat exchange medium can be ignored. The research results can provide theoretical guidance for the process design of PCHE in the future.

Key words: printed circuit plate heat exchanger (PCHE), supercritical, natural gas, numerical simulation, heat exchanger

郭志芳，张晓慧，李方遒，于真真，密晓光. 基于超临界天然气的PCHE流动传热特性数值模拟[J]. 石油化工设备技术, 2023, 44(2): 7-12.

Guo Zhifang, Zhang Xiaohui, Li Fangqiu, Yu Zhenzhen, Mi Xiaoguang. Numerical Simulation of PCHE Flow and Heat Transfer Characteristics Based on Supercritical Natural Gas[J]. Petro-chemical Equipment Technology, 2023, 44(2): 7-12.

参考文献

［1］路达，贺翔，张引弟，等. 正弦波微通道PCHE中超临界LNG流动换热研究[J]. 低温与超导，2021，49（7）：45-52.
［2］陈永东，于改革，闫永超，等. FSRU中印刷电路板式换热器换热性能的试验研究[J]. 天然气工业，2021，41（6）：120-126.
［3］李明海，王瑶，郭超，等. 高压印刷电路板热交换器芯体结构参数的优化[J]. 化工机械，2021，48（2）：248-250.
［4］史美琦，李悦，王悦，等. Zigzag微通道内超临界甲烷流动与换热特性数值模拟[J]. 节能技术，2020，38（3）：213-216，229.
［5］王宇桐，张思缘，刘思敏，等. 打印电路板式换热器流动与传热数值模拟研究[J]. 北京石油化工学院学报，2020，28（1）：35-42.
［6］张海燕，郭江峰，淮秀兰，等. PCHE内轴向导热对局部换热性能的影响研究[J]. 化工学报，2019，70（12）：4590-4598.
［7］谢丽懿，李智强，丁国良. FLNG用印刷板路换热器技术特点及发展趋势[J]. 化工学报，2019，70（11）：4101-4112.
［8］ HOU Y Q, TANG G H. Thermal-Hydraulic-Structural Analysis and Design Optimization for Micron-Sized Printed Circuit Heat Exchanger[J]. Journal of Thermal Science, 2019, 28(2):252-261.
［9］刘贵军，陈德奇，胡练，等. 基于CFD方法的PCHE窄小流道内超临界CO₂流动传热特性数值研究[J]. 核动力工程，2019，40（3）：12-16.
［10］于改革，陈永东，李雪，等.印刷电路板式换热器传热与流动研究进展[J]. 流体机械，2017，45（12）：73-79.
［11］WEN Z X, LV Y G, LI Q. Comparative Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Sinusoidal and Zigzag Channel Printed Circuit Heat Exchangers[J]. Science China(Technological Sciences), 2020, 63(4):655-667.
［12］CONG T L,WANG Z H, ZHANG R, et al. Thermal-Hydraulic Performance of a PCHE with Sodium and sCO₂ as Working Fluids[J]. Annals of Nuclear Energy, 2021,157:108210.1-108210.14.
［13］XU H, DUAN C J, DING H, et al. The Optimization for the Straight-Channel PCHE Size for Supercritical CO₂ Brayton Cycle[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2020, 53(6):1786-1795.
［14］MA T, ZHANG P, SHI H N, et al. Prediction of Flow Maldistribution in Printed Circuit Heat Exchanger[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020,152: 119561.1-119560.14.
［15］汤寿超. 直通道PCHE内超临界流体流动与传热特性数值模拟研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[1]	陈兵，任金平，孟国亮，芦娅妮，于春柳，韩泽. LNG蒸发气中氦气提取技术及应用[J]. 石油化工设计, 2023, 40(1): 6-9.
[2]	谷长超. 烟风道结构优化设计的探讨[J]. 石油化工设计, 2023, 40(1): 21-25.
[3]	吴冬梅，杨素春，张俊，顾江伟，杜涛，张文立. 大型NEN型立式换热器计算要点分析[J]. 石油化工设备技术, 2023, 44(1): 27-30.
[4]	元少昀. 一类高参数多管程换热器的管箱泄漏机理及防漏设计[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(5): 13-17.
[5]	郭志芳，孟凡昌，许小波，任来超，蒋文春，付敏翔，张玉财. 干气压缩机后冷却器扩散焊工艺优化研究[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(5): 18-22.
[6]	孟振亮. 加热炉出口管线内气液流场的数值模拟研究[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(5): 28-34.
[7]	李煌，任海波，闫渊，魏利平. 原料天然气初级旋流净化数值模拟研究[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(4): 15-20,31.
[8]	王玲，关键. 基于自主技术的LNG接收站主要装备标准化探究[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(4): 36-41.
[9]	潘伟亮, 钟丰平, 姚远, 钱青江, 张亚彬. 套筒式调节阀结构优化与流量特性数值模拟研究[J]. 石油化工设计, 2022, 39(3): 29-33.
[10]	白飞. 大型卧式急冷换热器入口流体分配数值模拟[J]. 石油化工设计, 2022, 39(3): 34-37.
[11]	善世文. 大庆乙烯装置稀释蒸汽系统问题分析[J]. 乙烯工业, 2022, 34(3): 26-30.
[12]	崔乃云, 邓玮, 许建雄, 陈华. 裂解气压缩机段间换热器结垢处理[J]. 乙烯工业, 2022, 34(3): 45-48.
[13]	蒋柳龙. 乙烯装置循环水换热器内漏问题探讨[J]. 乙烯工业, 2022, 34(3): 54-57.
[14]	吴卓新, 谢向群, 龚强, 王洪图, 陈晓东. 乙烯装置复工后循环水系统出现的问题及对策[J]. 乙烯工业, 2022, 34(2): 15-19.
[15]	王天宇. 石脑油加氢进料换热器的设计与优化[J]. 石油化工设备技术, 2022, 43(1): 1-4，8.

基于超临界天然气的PCHE流动传热特性数值模拟

Numerical Simulation of PCHE Flow and Heat Transfer Characteristics Based on Supercritical Natural Gas

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