高压印刷电路板热交换器芯体结构参数的优化

李明海 王 瑶 郭 超 罗金鑫 何婷婷

（兰州兰石换热设备有限责任公司）

印刷电路板热交换器 （Printed Circuit Heat Exchangers，PCHE） 是一种高效紧凑的新型热交换器。 PCHE采用光化学蚀刻在薄板上形成细小流道（流道截面通常为直径1～3mm的半圆形），再通过真空扩散焊技术将换热板与压板焊装成芯体。 PCHE具有极高的耐压性、耐温性、安全性和稳定性，在相同的热载荷和压降下，其体积为管壳式热交换器的1/6～1/4［1～4］。

目前，PCHE已广泛应用于燃气轮机、FLNG装置等复杂工况中，同时在加氢站装置上也展现出了良好的应用前景［5］。 加氢站通常采用高压氢气压缩储存技术和高压加注技术，对配套的热交换器的可靠性提出了更高要求［6］。 笔者针对某加氢站用高压PCHE芯体结构进行应力分析， 探讨了流道两个主要结构参数对芯体应力的影响，为高压PCHE结构强度计算提供参考。

1 有限元分析计算

1.1 计算参数与物理模型

已知某加氢站用PCHE热侧（介质为氢气）设计压力为90MPa， 设计温度为80℃， 芯体材料为316L。 通过查询ASME标准［7］可知，芯体在80℃的设计应力强度Sm=115MPa， 弹性模量E=190GPa，泊松比为0.3。

图1所示为PCHE芯体结构示意图。 垫板位于最外侧换热板与压板之间，冷、热侧换热板交替排列。 冷、热换热板初始尺寸：长×宽为200mm×400mm，流道为半圆直通道，流道半径R=0.9mm，板厚δ=1.5mm，肋宽L=0.6mm。

图1 PCHE芯体结构示意图

1.2 网格划分与条件加载

由于PCHE流道较多，模型较为复杂，为了减少计算量，将二维模型作为有限元计算模型。 采用结构实体平面单元PLANE183进行网格划分（图2），为了保证计算的准确性，对网格进行细致划分，以保证网格的无关性。 在下压板底边施加固定约束；在热侧流道上施加90MPa压力载荷。

图2 网格划分

1.3 评定依据

根据JB 4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》［8］进行应力强度评定。

总体一次薄膜应力强度极限为KSm（其中，设计工况下载荷系数K=1）， 局部一次薄膜应力强度极限为1.5KSm，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5KSm，一次薄膜应力强度加二次弯曲应力强度极限为3Sm。SⅡ表示一次局部薄膜应力强度（PL），SⅣ表示一次加二次应力强度（PL+Pb+Q）［9］。

2 结果分析

图3为PCHE的Tresca应力云图。 由图3可知，最大应力点位于半圆通道的尖点处。 从整体来看，该结构应力具有局部性，主要集中于热侧半圆通道周边。最大Tresca当量应力S=445.307MPa，该部位的一次局部薄膜应力强度极限为1.5KSm=172.5MPa，S＞1.5KSm，需要进行应力线性化处理。

图3 PCHE的Tresca应力云图

在最大应力点处沿肋宽方向做路径，得到线性化结果如图4所示。 其中，MEMBRANE为一次局部薄膜应力强度， 即SⅡ=211.5MPa＞1.5KSm=172.5MPa；MEM+BEND为一次加二次应力强度，即SⅣ=396.6MPa＞3Sm=345MPa；TOTAL为总应力强度。 可见，结构安全评定不合格。

3 结构优化

3.1 优化模型

由上述分析可知，换热板初始设计尺寸无法满足设计要求， 且应力主要集中于半圆通道周边，故需进一步优化换热板流道。 影响换热板流道强度的主要尺寸参数为：流道半径R、板厚δ、肋宽L。 优化目标是降低流道应力，满足应力限制条件。 优化方法：设定流道半径R不变，流道数不变，板厚和肋宽改变。 板厚δ取3个水平：1.5、2.0、2.5mm。肋宽L取5个水平：0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mm。

图4 线性化结果

3.2 优化结果

板厚、肋宽对一次局部薄膜应力的影响如图5所示。由图5可知，当肋宽L为0.6mm时，各曲线上对应的SⅡ＞1.5KSm，无法达到应力评定条件。 当肋宽L≥0.8mm时， 各曲线上对应的SⅡ满足条件，且安全裕量足够。 另外，当肋宽L一定时，SⅡ随着板厚δ的增加基本变化不大； 当板厚δ一定时，SⅡ随着肋宽L的增大而变小，说明板厚δ对SⅡ的影响较弱，而肋宽L对SⅡ的影响显著。

图5 板厚、肋宽对SⅡ的影响

板厚、 肋宽对一次加二次应力的影响如图6所示。 由图6可知， 当肋宽和板厚的参数组合为0.6、1.5mm和0.6、2.0mm时，SⅣ＞3Sm，无法满足应力评定条件。 当肋宽和板厚的参数组合为0.6、2.5mm时，SⅣ=339.4MPa＜3Sm=345MPa， 恰好满足条件。 当为其余参数组合时，SⅣ均满足条件，且安全裕量足够。 另外，当肋宽L一定时，SⅣ随着板厚δ的增大而减小； 当板厚δ一定时，SⅣ随着肋宽L的增大而减小。同时也发现，δ=1.5mm时的SⅣ远大于δ=2.0mm时的，而δ=2.0mm时和δ=2.5mm时的SⅣ差值则相对较小，说明当板厚δ达到一定值后，对SⅣ的影响将减弱。

图6 板厚、肋宽对SⅣ的影响

综上所述， 基于结构安全可靠和节材的原则，并考虑换热板流道的蚀刻偏差和扩散焊过程中芯体承压变形的影响， 最终设计采用肋宽L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的参数组合。

4 结束语

采用有限元法对某加氢站用PCHE芯体的二维模型进行了应力分析及结构优化，得到了肋宽和板厚对应力的影响规律，并选取肋宽L=1.0mm、板厚δ=2.0mm的参数组合作为最终结构设计参数，为高压PCHE的设计提供参考。