高承壓印刷電路板熱交換器的設計制造及性能檢測

作者簡介：陳穎（1984-），工程師，從事熱交換器等能源化工裝備的研究，240005374@qq.com。

引用本文：陳穎，齊潤華，王森，等.高承壓印刷電路板熱交換器的設計制造及性能檢測[J].化工機械，2024，51（2）：300-303.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402020

摘 要 以某工況為例，介紹了印刷電路板熱交換器（PCHE）結構設計和主要制造工藝，簡述了高承壓PCHE的設計和制造過程，并對制造的PCHE樣機進行拉伸試驗、金相檢測和極限水壓爆破試驗，結果顯示，設計的PCHE樣機承壓能力強、焊縫強度高，結構和性能符合設計要求。

關鍵詞 印刷電路板熱交換器 結構設計 電化學蝕刻 真空擴散焊接

中圖分類號 TQ051.5" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2024）02?0300?04

印刷電路板熱交換器（Printed Circuit Heat Exchangers，PCHE）是一種結構緊湊、能效高的新型熱交換設備[1]，其傳熱效率高達98%、承壓高達60 MPa、耐溫范圍為-200～900 ℃、緊湊度高達2 500 m2/m3，體積重量相對常規管殼式熱交換器降低了80%左右[2]。目前，PCHE廣泛應用于燃機、核能、電力、熱泵、液化天然氣及加氫站等諸多領域[2，3]，相較于其他換熱器具有明顯優勢。

在先進艦船燃氣輪機中，PCHE作為間冷器，能夠大幅降低高壓級壓氣機做功。在核能領域，PCHE作為中間換熱器、高溫回熱器、低溫回熱器和冷卻器，可極大地提高核反應堆的緊湊度和安全性。在超臨界CO布雷頓循環發電系統中，PCHE作為高溫回熱器、冷卻器等[4]，可滿足運行壓力20 MPa和溫度500 ℃以上的工況要求。在熱泵機組中，PCHE作為冷凝器或蒸發器，可進一步減小熱泵體積，提高系統效率和安全性。PCHE作為浮式LNG存儲再氣化裝置（FSRU）的熱交換設備，具有效率高、比體積高、安全性高及穩定性高等優點。

筆者以某工況為例進行高承壓PCHE的設計和制造，并對制造的PCHE樣機進行強度和壓力試驗。

1 結構設計

PCHE工況參數及工藝條件設計方案列于表1。

PCHE換熱流道設計采用之字形結構，冷、熱側換熱板交替排列，具體如圖1所示。

如圖2所示，封頭采用天方地圓結構，經計算和有限元分析，冷流體側進出口接管規格統一為DN 50，熱流體側進出口接管規格統一為DN 100。經設計，PCHE的具體結構為換熱芯體由冷、熱側316L板片各30片交替排列而成，冷、熱流道采用化學蝕刻的工藝技術，在熱交換板片上蝕刻出細小的流道，流道截面為半圓形，然后利用真空擴散焊技術將換熱板疊加焊接而成[5]。最后，將芯體、封頭等部件組焊裝配起來，形成PCHE樣機。

2 制造工藝

根據工況要求，考慮到流體冷、熱側壓力較高，封頭、接管、法蘭設計采用鍛件整體加工形成整體封頭，板片采用化學蝕刻工藝加工，壓板、定位銷采用機械加工工藝，芯體采用真空擴散焊接工藝。

2.1 板片制造工藝

電化學蝕刻工藝是通過曝光制版、顯影后，將要蝕刻區域的保護膜去除，在蝕刻時接觸化學溶液，達到溶解腐蝕的作用，形成凹凸或者鏤空成型的加工效果。步驟主要包括清潔處理、防蝕處理、腐蝕加工、清除防蝕層[6，7]。

蝕刻工藝線路為：清洗→入板→涂布→熱風預烘干→顯影→補光固化→蝕刻→脫墨（祛膜）→清洗→干燥→出板。

針對不銹鋼的腐蝕液體一般為三氯化鐵（FeCl3），化學蝕刻最佳配方和工藝參數為FeCl3濃度660～850 g/L，36%HCl濃度8～20 mL/L，添加劑濃度10～20 g/L，溫度45～50 ℃，蝕刻速度10～20 μm/h[8]。

得到化學蝕刻板片如圖3所示。

2.2 芯體制造工藝

芯體是由板片間通過擴散焊接組成的冷、熱流體單元模塊和上下壓板組焊裝配而成。芯體制造工藝為：下壓板固定→安裝定位銷→冷、熱板片按順序交疊安裝→安裝上壓板→真空擴散焊接→PCHE芯體。

擴散焊接技術為芯體制造的關鍵技術，主要通過對兩焊接面施加一定的溫度和壓力，在真空氛圍中保持一段時間，使待焊件的接觸面發生局部塑性變形，以達到原子間相互擴散連接的一種焊接技術[9～11]。擴散焊接工藝（圖4）為：待焊板片焊前清洗→芯體裝配→入爐焊接→抽真空加熱→真空擴散焊接→芯體出爐→焊后加工處理→性能檢測。

整個擴散焊接過程包括準備階段、升溫加壓階段、保溫保壓階段和隨爐冷卻階段，如圖5所示，具體焊接工藝需根據焊件材質、待焊件尺寸及結構等情況而定。

影響擴散焊接工藝的參數主要有溫度、壓力、時間、真空度及表面粗糙度等[9～11]，擴散焊接的加熱溫度一般為母材熔點的0.6～0.8倍[10]，因而對母材性能影響較小，形成的焊縫組織性能也與母材接近。PCHE芯體屬于同種材質擴散焊接，避免了異種材質擴散連接時的接頭脆性金屬化合物等焊接缺陷問題，且由于是對焊件整體進行加熱，焊后變形小，使得芯體的加工精度較高。

3 性能檢測

樣機性能檢測根據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對真空擴散焊接而成的316L不銹鋼擴散焊接頭的屈服強度和抗拉強度進行測試[12]。

表2為316L擴散焊接板片和316L板料的拉伸試驗數據，根據焊接結構的強度設計原則，一般要求焊縫強度至少與母材強度相等，即“等強”設計原則。從表2可以看出，擴散焊接后試樣的屈服強度和抗拉強度均高于母材，符合焊接設計原則，而根據屈服比=屈服強度/抗拉強度，得出316L擴散焊接板片的屈服比為0.49，高于316L板料的屈服比0.38，說明316L板料的可塑性比316L擴散焊接板片好。

從圖6可以看出，擴散焊接頭為奧氏體金相組織，焊縫處無明顯孔洞和焊接缺陷，擴散焊接熔合界面平滑清晰，并且焊縫一側的組織穿越熔合線向另一側生長，形成了新的連續封閉晶粒，即晶界從擴散熔合區域發生了遷移現象，進一步說明擴散焊接后的焊縫處結合良好，達到設計要求。

水壓爆破試驗壓力與時間的關系曲線如圖7所示。可以看出，試驗樣機在82.1 MPa時仍未爆破，且產品在試驗過程中未出現泄漏和明顯變形現象。同時從表3可以看出，保壓10 min左右時，壓降較小且降幅均小于2.0%，在高壓82.1 MPa下保壓22 min后，壓降較高，降幅達到5.7%。即隨著保壓時間的增加，壓力降幅隨之增大，且82.1 MPa的承壓能力遠超設計壓力和常規PCHE的承壓能力，說明試驗樣機承壓性能完全滿足設計要求。

4 結束語

對設計制造的PCHE樣機進行性能檢測，拉伸試驗和水壓爆破試驗結果表明，擴散焊接后試樣的屈服強度和抗拉強度均高于母材，焊縫處結合良好，符合焊接設計原則，承壓性能也完全滿足設計要求。本文的研究可為高承壓PCHE的發展提供一定的研發思路和實例參考，進一步助推高端PCHE的技術進步和商業化進程。

參 考 文 獻

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[5] 韓思佳.印刷電路板式換熱器的數值與實驗研究[D].青島：中國石油大學（華東），2018.

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[10] 葉培舉.316L不銹鋼擴散焊接頭蠕變損傷和裂紋擴展研究[D].青島：中國石油大學（華東），2020.

[11] 胡海軍，李治國，張忠發，等.316L不銹鋼擴散焊工藝研究[J].焊接技術，2021，50（8）：56-59.

[12] 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1—2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

（收稿日期：2023-05-11，修回日期：2024-03-13）