【摘 要】
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面对日益加重的全球能源紧缺和环境污染加剧的问题,开发和利用天然气、氢能、核能等能源,提高资源利用率是解决该问题的重要途径。换热器是这些能源工业中的重要设备,提高换热器的性能对该问题有重要的意义。印刷电路板式换热器（Printed circuit heat exchanger,PCHE）作为一种紧凑式换热器,具有耐高/低温,耐高压,换热效率高,可靠性高等优点,具有非常广阔的应用前景。本文设计了一种螺
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面对日益加重的全球能源紧缺和环境污染加剧的问题,开发和利用天然气、氢能、核能等能源,提高资源利用率是解决该问题的重要途径。换热器是这些能源工业中的重要设备,提高换热器的性能对该问题有重要的意义。印刷电路板式换热器（Printed circuit heat exchanger,PCHE）作为一种紧凑式换热器,具有耐高/低温,耐高压,换热效率高,可靠性高等优点,具有非常广阔的应用前景。本文设计了一种螺旋缠绕印刷电路板式换热器（Helical Twine Printed Circuit Heat Exchanger,HTPCHE）,构建出三维螺旋缠绕式流道。建模并通过数值模拟的方法和传统Z字型PCHE进行了对比,通过场协同理论计算出场协同角,其平均场协同角降低了约4°,表明了HTPCHE具有强化传热的能力,随后对HTPCHE的倾斜角度、节距长度、穿孔板厚度进行了进一步的优化。结果表明,倾斜角度越小或者节距增大都能提高HTPCHE的综合性能,穿孔板厚度对综合性能影响不大。当倾斜角度为10°,节距为10 mm时,其综合性能相较于传统15°Z字型PCHE,提高了37.6%。随后根据实际浮式储存再气化装置（Float storage and regasification unit,FSRU）气化模块的工况,探究了不同压力下高压甲烷在HTPCHE的传热、流动及综合性能。增大甲烷的质量流量、提高甲烷的压力都能够强化换热效果。采用综合性能评价指标,结果表明其在等泵功下相比传统Z字型PCHE有强化传热能力。接着对HTPCHE进行了进一步的结构设计,构建了三股流HTPCHE,对比并分析了两股流和三股流HTPCHE,探究了流动方式和结构对三股流PCHE性能的影响。结果表明采用三股流HTPCHE的形式,其换热量虽然减少了约10-20%,但甲烷侧压降仅为两股流HTPCHE的21-22%,水乙二醇侧压降则为两股流HTPCHE的11-12%。本论文的研究工作,设计了两股流和三股流的HTPCHE,在特定工况下具有较好的传热及综合性能。对于未来的印刷电路板式换热器的设计奠定了基础并提供了理论指导。
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