高壓印刷電路板熱交換器芯體結構參數的優化

李明海 王 瑤 郭 超 羅金鑫 何婷婷

（蘭州蘭石換熱設備有限責任公司）

印刷電路板熱交換器 （Printed Circuit Heat Exchangers，PCHE） 是一種高效緊湊的新型熱交換器。 PCHE采用光化學蝕刻在薄板上形成細小流道（流道截面通常為直徑1～3mm的半圓形），再通過真空擴散焊技術將換熱板與壓板焊裝成芯體。 PCHE具有極高的耐壓性、耐溫性、安全性和穩定性，在相同的熱載荷和壓降下，其體積為管殼式熱交換器的1/6～1/4［1～4］。

目前，PCHE已廣泛應用于燃氣輪機、FLNG裝置等復雜工況中，同時在加氫站裝置上也展現出了良好的應用前景［5］。 加氫站通常采用高壓氫氣壓縮儲存技術和高壓加注技術，對配套的熱交換器的可靠性提出了更高要求［6］。 筆者針對某加氫站用高壓PCHE芯體結構進行應力分析， 探討了流道兩個主要結構參數對芯體應力的影響，為高壓PCHE結構強度計算提供參考。

1 有限元分析計算

1.1 計算參數與物理模型

已知某加氫站用PCHE熱側（介質為氫氣）設計壓力為90MPa， 設計溫度為80℃， 芯體材料為316L。 通過查詢ASME標準［7］可知，芯體在80℃的設計應力強度Sm=115MPa， 彈性模量E=190GPa，泊松比為0.3。

圖1所示為PCHE芯體結構示意圖。 墊板位于最外側換熱板與壓板之間，冷、熱側換熱板交替排列。 冷、熱換熱板初始尺寸：長×寬為200mm×400mm，流道為半圓直通道，流道半徑R=0.9mm，板厚δ=1.5mm，肋寬L=0.6mm。

圖1 PCHE芯體結構示意圖

1.2 網格劃分與條件加載

由于PCHE流道較多，模型較為復雜，為了減少計算量，將二維模型作為有限元計算模型。 采用結構實體平面單元PLANE183進行網格劃分（圖2），為了保證計算的準確性，對網格進行細致劃分，以保證網格的無關性。 在下壓板底邊施加固定約束；在熱側流道上施加90MPa壓力載荷。

圖2 網格劃分

1.3 評定依據

根據JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》［8］進行應力強度評定。

總體一次薄膜應力強度極限為KSm（其中，設計工況下載荷系數K=1）， 局部一次薄膜應力強度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應力強度極限為1.5KSm，一次薄膜應力強度加二次彎曲應力強度極限為3Sm。SⅡ表示一次局部薄膜應力強度（PL），SⅣ表示一次加二次應力強度（PL+Pb+Q）［9］。

2 結果分析

圖3為PCHE的Tresca應力云圖。 由圖3可知，最大應力點位于半圓通道的尖點處。 從整體來看，該結構應力具有局部性，主要集中于熱側半圓通道周邊。最大Tresca當量應力S=445.307MPa，該部位的一次局部薄膜應力強度極限為1.5KSm=172.5MPa，S＞1.5KSm，需要進行應力線性化處理。

圖3 PCHE的Tresca應力云圖

在最大應力點處沿肋寬方向做路徑，得到線性化結果如圖4所示。 其中，MEMBRANE為一次局部薄膜應力強度， 即SⅡ=211.5MPa＞1.5KSm=172.5MPa；MEM+BEND為一次加二次應力強度，即SⅣ=396.6MPa＞3Sm=345MPa；TOTAL為總應力強度。 可見，結構安全評定不合格。

3 結構優化

3.1 優化模型

由上述分析可知，換熱板初始設計尺寸無法滿足設計要求， 且應力主要集中于半圓通道周邊，故需進一步優化換熱板流道。 影響換熱板流道強度的主要尺寸參數為：流道半徑R、板厚δ、肋寬L。 優化目標是降低流道應力，滿足應力限制條件。 優化方法：設定流道半徑R不變，流道數不變，板厚和肋寬改變。 板厚δ取3個水平：1.5、2.0、2.5mm。肋寬L取5個水平：0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mm。

圖4 線性化結果

3.2 優化結果

板厚、肋寬對一次局部薄膜應力的影響如圖5所示。由圖5可知，當肋寬L為0.6mm時，各曲線上對應的SⅡ＞1.5KSm，無法達到應力評定條件。 當肋寬L≥0.8mm時， 各曲線上對應的SⅡ滿足條件，且安全裕量足夠。 另外，當肋寬L一定時，SⅡ隨著板厚δ的增加基本變化不大； 當板厚δ一定時，SⅡ隨著肋寬L的增大而變小，說明板厚δ對SⅡ的影響較弱，而肋寬L對SⅡ的影響顯著。

圖5 板厚、肋寬對SⅡ的影響

板厚、 肋寬對一次加二次應力的影響如圖6所示。 由圖6可知， 當肋寬和板厚的參數組合為0.6、1.5mm和0.6、2.0mm時，SⅣ＞3Sm，無法滿足應力評定條件。 當肋寬和板厚的參數組合為0.6、2.5mm時，SⅣ=339.4MPa＜3Sm=345MPa， 恰好滿足條件。 當為其余參數組合時，SⅣ均滿足條件，且安全裕量足夠。 另外，當肋寬L一定時，SⅣ隨著板厚δ的增大而減小； 當板厚δ一定時，SⅣ隨著肋寬L的增大而減小。同時也發現，δ=1.5mm時的SⅣ遠大于δ=2.0mm時的，而δ=2.0mm時和δ=2.5mm時的SⅣ差值則相對較小，說明當板厚δ達到一定值后，對SⅣ的影響將減弱。

圖6 板厚、肋寬對SⅣ的影響

綜上所述， 基于結構安全可靠和節材的原則，并考慮換熱板流道的蝕刻偏差和擴散焊過程中芯體承壓變形的影響， 最終設計采用肋寬L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的參數組合。

4 結束語

采用有限元法對某加氫站用PCHE芯體的二維模型進行了應力分析及結構優化，得到了肋寬和板厚對應力的影響規律，并選取肋寬L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的參數組合作為最終結構設計參數，為高壓PCHE的設計提供參考。