高壓微通道換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及自增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用

王曉靜 段李強(qiáng)

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

加氫站是氫能源供應(yīng)的重要保障，而換熱器是整個(gè)氫氣加注系統(tǒng)的重要部件［1］。 然而加氫系統(tǒng)中微型換熱裝置在設(shè)計(jì)、制造、裝配及密封等技術(shù)方面還存在很多難點(diǎn)，因此需要借助大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究對其結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，我國已進(jìn)入70MPa車載儲氫氣瓶的研究階段，在70MPa加氫站加注過程中，需要通過高效換熱器將氫氣冷卻至-40℃后方可加注進(jìn)車輛儲氣瓶，以保證車輛儲氣瓶的溫度和壓力在要求范圍內(nèi)。 加注流量大、加注壓力變化大、加注過程間斷是車輛加注對換熱器的主要要求。 高壓工況極易使材料出現(xiàn)安全性問題，因此確保加氫換熱過程的高壓安全性和高效換熱，已成為該類換熱器研究的核心問題。

筆者提出一種用于70MPa加氫站的高效換熱器結(jié)構(gòu)形式。 在完成對新型換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上， 利用ANSYS APDL有限元分析軟件對換熱關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析，并應(yīng)用自增強(qiáng)處理技術(shù)，確保微通道翅片換熱器的高壓承載能力和安全性。

1 高壓微通道換熱器結(jié)構(gòu)

1.1 模型設(shè)計(jì)

高壓微通道換熱器整體為管殼式結(jié)構(gòu)，由殼體、傳熱管束和擋板組成，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 高壓微通道換熱器結(jié)構(gòu)模型

換熱器內(nèi)安裝若干有肋板強(qiáng)化的微通道換熱管并固定在擋板上。 管內(nèi)流動的熱流體為70MPa氫氣，管外流動的是冷卻劑（如液氮等）。同時(shí)，為提高管外流體傳熱效能，實(shí)現(xiàn)換熱器結(jié)構(gòu)的小型化、輕量化設(shè)計(jì)，管束外壁設(shè)置大量翼形肋板，以滿足強(qiáng)化傳熱和高壓承載的需要。

高壓微通道換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

氫氣平均流量 1.67kg/min

氫氣進(jìn)入溫度 40℃

氫氣排出溫度 -40℃

冷卻劑流量 6.8m3/h

冷卻劑溫度 -50℃

管束材料 SS316/316L

換熱面積 1.17m2

管束內(nèi)半徑 5mm

管束外半徑 10mm

管長 250mm

工作壓力 70MPa

換熱管束作為換熱器結(jié)構(gòu)的承壓件，其結(jié)構(gòu)可靠性和安全性極為重要，因此有必要完成相關(guān)應(yīng)力驗(yàn)證分析。 換熱管束的形狀可以簡化為帶加強(qiáng)肋板結(jié)構(gòu)的薄壁圓筒，管束在受力時(shí)筒壁中的應(yīng)力分布很不均勻，容易出現(xiàn)外壁應(yīng)力較小而內(nèi)壁材料已經(jīng)屈服的情況。

1.2 工作壓力下的應(yīng)力分布規(guī)律

選用普通換熱管模擬工作壓力下的應(yīng)力分布，其特性如下：

換熱管材料 022Cr17Ni12Mo2

彈性模量E 200GPa

泊松比υ 0.3

屈服極限σs不小于175MPa

工作壓力p 70MPa

為了比較換熱管束結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和自增強(qiáng)處理前后相同工作壓力下的等效應(yīng)力， 根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)，在ANSYS中完成未經(jīng)任何處理的換熱管（簡稱普通管）應(yīng)力分布情況分析。 依據(jù)對稱性，只需建立1/4截面即可［3］。 分別在x、y方向?qū)δＰ瓦吘€進(jìn)行零位移約束，然后對內(nèi)圓弧施加70MPa的壓力。 圖2為工作壓力下普通管的等效應(yīng)力云圖， 圖3為工作壓力下普通管的Mises等效應(yīng)力曲線。

在不進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和自增強(qiáng)處理的情況下，普通管內(nèi)壁處的等效應(yīng)力達(dá)到最大值161.72MPa， 并沿壁厚逐漸減小， 外壁最小僅為41.47MPa，安全裕量0.08，應(yīng)力分布不合理。因此，僅增加管束的厚度或換用強(qiáng)度更高的材料是無法明顯提高管束的承載能力的。

圖2 70MPa工作壓力下普通管的等效應(yīng)力云圖

圖3 70MPa工作壓力下普通管的Mises等效應(yīng)力曲線

2 高壓管內(nèi)壁自增強(qiáng)處理對承壓性能的影響規(guī)律

2.1 最佳自增強(qiáng)內(nèi)壓理論計(jì)算

在設(shè)備投入使用前，為了達(dá)到最佳的彈塑性界面，需要預(yù)先施加一定的內(nèi)壓力，使管壁內(nèi)表面產(chǎn)生屈服壓力， 卸載后有一定的殘余應(yīng)力［4，5］，這樣在工作壓力的作用下， 設(shè)備內(nèi)部應(yīng)力值最小。 定義最佳自增強(qiáng)內(nèi)壓pa，鋼制薄壁圓筒（圖4）的換熱管內(nèi)半徑r1=5mm，r3為最佳彈塑性界面半徑，r2為換熱管外半徑。自增強(qiáng)處理會在圓筒內(nèi)表面一定區(qū)域內(nèi)形成有利的殘余應(yīng)力，能夠提高其承載能力和疲勞壽命，因此控制殘余應(yīng)力的大小、掌握其分布規(guī)律，是自增強(qiáng)處理技術(shù)的關(guān)鍵［6］。

圖4 鋼制薄壁圓筒彈塑性區(qū)域分布

自增強(qiáng)處理的目的在于管壁屈服而獲得殘余應(yīng)力，因此換熱管能獲得的彈性儲備的大小將受到殘余應(yīng)力的影響，所以需要施加的自增強(qiáng)處理壓力有最佳值［7～9］。首先算出最佳彈塑性界面半徑，再依據(jù)第三強(qiáng)度理論計(jì)算最佳自增強(qiáng)處理壓力。 最佳彈塑性界面半徑的經(jīng)驗(yàn)公式為［10，11］：

r1=5mm，p=70MPa，無軸向壓力，材料的屈服極限σs=175MPa，計(jì)算得到r3=7.07mm。 取界面半徑為最佳彈塑性界面半徑，根據(jù)文獻(xiàn)［12，13］，并利用第三強(qiáng)度理論，可以推導(dǎo)得到該彈塑性分界面半徑下的最佳自增強(qiáng)內(nèi)壓力為：

已知r2=10mm，r3=7.07mm， 通過計(jì)算可以得到pa=120.54MPa。

加載時(shí)，管壁的應(yīng)力分布計(jì)算式為：

式中 p——內(nèi)壁施加的壓力；

r——界面半徑；

σr——法向應(yīng)力；

σt——切向應(yīng)力。

將相應(yīng)的數(shù)值代入式（3）、（4），可得r=r1、r3、r2處由內(nèi)壁施加的工作壓力引起的切向應(yīng)力σt分別為81.53、152.26、63.15MPa。

卸載后，管壁的殘余應(yīng)力計(jì)算式為：

將相應(yīng)的數(shù)值代入式（5）、（6），可得r=r1、r3、r2處卸載工作壓力后殘余應(yīng)力引起的切向應(yīng)力σt分別為-119.37、2.88、12.93MPa。

2.2 自增強(qiáng)過程應(yīng)力分析

模擬管壁自增強(qiáng)處理過程并進(jìn)行受力分析。首先在內(nèi)壁施加pa=120.54MPa的自增強(qiáng)內(nèi)壓，此時(shí)內(nèi)壁處會進(jìn)入屈服階段而產(chǎn)生塑性變形。 而換熱管其余部分未進(jìn)入屈服階段，處于彈性變形狀態(tài)；然后將施加的自增強(qiáng)內(nèi)壓卸載到零，卸載后的管壁在發(fā)生塑性變形的半徑范圍內(nèi)會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，再施加70MPa的工作壓力；最后分別讀取各載荷步應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，分析整個(gè)過程的等效應(yīng)力以及周向、徑向應(yīng)力分布變化。

120.54MPa自增強(qiáng)內(nèi)壓下管束的Mises應(yīng)力分布如圖5所示，可以看出，在半徑5～8mm處發(fā)生塑性變形，進(jìn)入屈服階段，此值與理論計(jì)算值相符。因?yàn)樵谠O(shè)置材料屬性時(shí)把切變模量設(shè)為0， 即設(shè)定了材料為理想彈性，所以其應(yīng)力在塑性區(qū)均為極限值175MPa。 管束其余部分未進(jìn)入屈服階段，處于彈性變形狀態(tài)，如圖6所示，Mises等效應(yīng)力沿半徑方向減小，在外壁面有最小值102.62MPa。 周向應(yīng)力略有起伏， 在r=7.5mm 處有最大值145.70MPa，驗(yàn)證了計(jì)算的合理性。 徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值在內(nèi)壁，為118.04MPa。 隨后，將所施加的自增強(qiáng)內(nèi)壓卸載，卸載后的殘余應(yīng)力分布以及各向應(yīng)力沿半徑變化如圖7、8所示。 由圖7可以看出，殘余應(yīng)力沿半徑方向向外呈現(xiàn)出先遞減后遞增而后又遞減的趨勢，且均處于材料彈性范圍之內(nèi)，沒有發(fā)生反向屈服，最大殘余應(yīng)力在內(nèi)壁處， 為113.26MPa， 最 小 值 在r=6.5mm 處，為11.25MPa。 由圖8可以看出，周向殘余應(yīng)力浮動較大，在內(nèi)壁處體現(xiàn)為壓應(yīng)力，為113.97MPa；在r=7.5mm處為拉應(yīng)力，為31.03MPa。徑向殘余應(yīng)力在r=6.5mm處有最大壓應(yīng)力，為11.72MPa；最小壓應(yīng)力在外壁處，為0.35MPa。

圖5 120.54MPa自增強(qiáng)內(nèi)壓下管束的Mises等效應(yīng)力云圖

圖6 120.54MPa自增強(qiáng)內(nèi)壓下各向應(yīng)力分布曲線

圖7 自增強(qiáng)內(nèi)壓卸載后管束的Mises殘余等效應(yīng)力云圖

圖8 自增強(qiáng)內(nèi)壓卸載后各向殘余應(yīng)力曲線

經(jīng)自增強(qiáng)處理后在70MPa工作壓力下觀察應(yīng)力分布 （圖9） 和各向應(yīng)力沿徑向變化趨勢 （圖10）。 由圖9可以看出，經(jīng)自增強(qiáng)處理后，70MPa工作壓力下的等效應(yīng)力最大值115.66MPa從內(nèi)壁處移動到r=7.5mm處，與最佳彈塑性界面接近，與未經(jīng)自增強(qiáng)處理的161.72MPa 相比， 降低了46.06MPa，并且處于材料彈性范圍內(nèi)，安全裕量0.51，承載能力得到提高。 由圖10可以看出，經(jīng)自增強(qiáng)處理后， 周向應(yīng)力峰值96.66MPa在r=7.4mm處；徑向應(yīng)力最大值在內(nèi)壁處，為69.16MPa的壓應(yīng)力。 經(jīng)過自增強(qiáng)處理的管束，產(chǎn)生了非常有利的殘余應(yīng)力，改善了筒壁的應(yīng)力水平，提高了承載能力。

圖9 經(jīng)自增強(qiáng)處理后在70MPa工作壓力下管束的Mises等效應(yīng)力云圖

圖10 經(jīng)自增強(qiáng)處理后在70MPa工作壓力下各向應(yīng)力曲線

3 加強(qiáng)肋板換熱管自增強(qiáng)優(yōu)化

在應(yīng)用自增強(qiáng)技術(shù)的過程中，若自增強(qiáng)壓力過大，容易對管壁造成破壞，過小則自增強(qiáng)效果不理想。 可以在自增強(qiáng)過程中，加入肋板強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，配合自增強(qiáng)過程改善管壁應(yīng)力分布，同時(shí)增大換熱面積，起到強(qiáng)化傳熱效果。

肋板強(qiáng)化微通道換熱管結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，其中r4為加強(qiáng)肋板的外半徑。

圖11 肋板強(qiáng)化微通道換熱管結(jié)構(gòu)示意圖

對進(jìn)行肋板加強(qiáng)的微通道換熱管完成自增強(qiáng)強(qiáng)化處理，探究其對應(yīng)力分布的影響。 圖12為未經(jīng)自增強(qiáng)處理工作壓力下的應(yīng)力分布，圖13為施加自增強(qiáng)壓力下的受力情況， 圖14、15分別為殘余應(yīng)力分布和獲得殘余應(yīng)力后工作壓力下的應(yīng)力分布。 由圖13可知，在120.54MPa自增強(qiáng)內(nèi)壓下，等效應(yīng)力最大值174.00MPa，自增強(qiáng)內(nèi)壓卸載后的殘余應(yīng)力最大值為6.82MPa， 且屈服范圍縮小。經(jīng)自增強(qiáng)處理再施加70MPa的工作壓力，等效應(yīng)力最大值為99.90MPa，與只有自增強(qiáng)而未經(jīng)肋板加強(qiáng)所受應(yīng)力最大值115.66MPa相比， 減小了15.76MPa；與沒有進(jìn)行自增強(qiáng)處理，也未經(jīng)肋板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化所受的161.72MPa 相比， 減小了61.82MPa。此時(shí)安全裕量為0.75，管壁高壓承載能力得到明顯提升。 通過肋板加強(qiáng)得以進(jìn)一步改善應(yīng)力分布狀況，提高了自增強(qiáng)處理效果。

圖12 加強(qiáng)肋板換熱管70MPa工作壓力下Mises等效應(yīng)力云圖

圖13 加強(qiáng)肋板換熱管120.54MPa自增強(qiáng)內(nèi)壓下Mises等效應(yīng)力云圖

圖14 加強(qiáng)肋板換熱管自增強(qiáng)卸載殘余等效應(yīng)力云圖

圖15 加強(qiáng)肋板換熱管經(jīng)自增強(qiáng)在70MPa工作壓力下Mises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

為了解決加氫站運(yùn)行過程中高壓氫氣加注產(chǎn)生的溫升問題，利用自增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，完成換熱器設(shè)備技術(shù)改進(jìn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化。 由于加氫機(jī)空間結(jié)構(gòu)小，在工作中需承受近70MPa的高壓作用，其應(yīng)力沿壁厚的分布極不均勻，且氫氣需要被冷卻至-40℃，換熱要求高。 為此，筆者提出一種新型的管殼式微通道換熱結(jié)構(gòu)，以滿足實(shí)際工況對換熱效率和結(jié)構(gòu)承壓強(qiáng)度的需求。 通過自增強(qiáng)處理技術(shù)和肋板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，很好地解決了高壓換熱管壁應(yīng)力集中問題，增加了換熱面積，提高了強(qiáng)化傳熱，滿足設(shè)計(jì)要求。