李明海 王 瑤 郭 超 羅金鑫 何婷婷

（蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)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(xué)蝕刻在薄板上形成細(xì)小流道（流道截面通常為直徑1～3mm的半圓形），再通過真空擴(kuò)散焊技術(shù)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(wěn)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(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、FLNG裝置等復(fù)雜工況中，同時(shí)在加氫站裝置上也展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景［5］。 加氫站通常采用高壓氫氣壓縮儲(chǔ)存技術(shù)和高壓加注技術(shù)，對(duì)配套的熱交換器的可靠性提出了更高要求［6］。 筆者針對(duì)某加氫站用高壓PCHE芯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析， 探討了流道兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)芯體應(yīng)力的影響，為高壓PCHE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

1 有限元分析計(jì)算

1.1 計(jì)算參數(shù)與物理模型

已知某加氫站用PCHE熱側(cè)（介質(zhì)為氫氣）設(shè)計(jì)壓力為90MPa， 設(shè)計(jì)溫度為80℃， 芯體材料為316L。 通過查詢ASME標(biāo)準(zhǔn)［7］可知，芯體在80℃的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=115MPa， 彈性模量E=190GPa，泊松比為0.3。

圖1所示為PCHE芯體結(jié)構(gòu)示意圖。 墊板位于最外側(cè)換熱板與壓板之間，冷、熱側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分與條件加載

由于PCHE流道較多，模型較為復(fù)雜，為了減少計(jì)算量，將二維模型作為有限元計(jì)算模型。 采用結(jié)構(gòu)實(shí)體平面單元PLANE183進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2），為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)致劃分，以保證網(wǎng)格的無關(guān)性。 在下壓板底邊施加固定約束；在熱側(cè)流道上施加90MPa壓力載荷。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 評(píng)定依據(jù)

根據(jù)JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［8］進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

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

2 結(jié)果分析

圖3為PCHE的Tresca應(yīng)力云圖。 由圖3可知，最大應(yīng)力點(diǎn)位于半圓通道的尖點(diǎn)處。 從整體來看，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有局部性，主要集中于熱側(cè)半圓通道周邊。最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力S=445.307MPa，該部位的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm=172.5MPa，S＞1.5KSm，需要進(jìn)行應(yīng)力線性化處理。

圖3 PCHE的Tresca應(yīng)力云圖

在最大應(yīng)力點(diǎn)處沿肋寬方向做路徑，得到線性化結(jié)果如圖4所示。 其中，MEMBRANE為一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度， 即SⅡ=211.5MPa＞1.5KSm=172.5MPa；MEM+BEND為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度，即SⅣ=396.6MPa＞3Sm=345MPa；TOTAL為總應(yīng)力強(qiáng)度。 可見，結(jié)構(gòu)安全評(píng)定不合格。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型

由上述分析可知，換熱板初始設(shè)計(jì)尺寸無法滿足設(shè)計(jì)要求， 且應(yīng)力主要集中于半圓通道周邊，故需進(jìn)一步優(yōu)化換熱板流道。 影響換熱板流道強(qiáng)度的主要尺寸參數(shù)為：流道半徑R、板厚δ、肋寬L。 優(yōu)化目標(biāo)是降低流道應(yīng)力，滿足應(yīng)力限制條件。 優(yōu)化方法：設(shè)定流道半徑R不變，流道數(shù)不變，板厚和肋寬改變。 板厚δ取3個(gè)水平：1.5、2.0、2.5mm。肋寬L取5個(gè)水平：0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mm。

圖4 線性化結(jié)果

3.2 優(yōu)化結(jié)果

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

圖5 板厚、肋寬對(duì)SⅡ的影響

板厚、 肋寬對(duì)一次加二次應(yīng)力的影響如圖6所示。 由圖6可知， 當(dāng)肋寬和板厚的參數(shù)組合為0.6、1.5mm和0.6、2.0mm時(shí)，SⅣ＞3Sm，無法滿足應(yīng)力評(píng)定條件。 當(dāng)肋寬和板厚的參數(shù)組合為0.6、2.5mm時(shí)，SⅣ=339.4MPa＜3Sm=345MPa， 恰好滿足條件。 當(dāng)為其余參數(shù)組合時(shí)，SⅣ均滿足條件，且安全裕量足夠。 另外，當(dāng)肋寬L一定時(shí)，SⅣ隨著板厚δ的增大而減小； 當(dāng)板厚δ一定時(shí)，SⅣ隨著肋寬L的增大而減小。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，δ=1.5mm時(shí)的SⅣ遠(yuǎn)大于δ=2.0mm時(shí)的，而δ=2.0mm時(shí)和δ=2.5mm時(shí)的SⅣ差值則相對(duì)較小，說明當(dāng)板厚δ達(dá)到一定值后，對(duì)SⅣ的影響將減弱。

圖6 板厚、肋寬對(duì)SⅣ的影響

綜上所述， 基于結(jié)構(gòu)安全可靠和節(jié)材的原則，并考慮換熱板流道的蝕刻偏差和擴(kuò)散焊過程中芯體承壓變形的影響， 最終設(shè)計(jì)采用肋寬L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的參數(shù)組合。

4 結(jié)束語

采用有限元法對(duì)某加氫站用PCHE芯體的二維模型進(jìn)行了應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了肋寬和板厚對(duì)應(yīng)力的影響規(guī)律，并選取肋寬L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的參數(shù)組合作為最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，為高壓PCHE的設(shè)計(jì)提供參考。