印刷板式換熱器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張明輝，徐哲，段天應，李晟，李秋龍，李培躍

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023)

0 引言

印刷板式換熱器(printed circuit heat exchanger，PCHE)是一種新型高效緊湊換熱器，可應用于高效火力發(fā)電、核電、氫能源、海洋工程、船舶等眾多工業(yè)領域的工藝流程中，如超臨界二氧化碳布雷頓發(fā)電系統(tǒng)的回熱器/冷卻器、第四代核電系統(tǒng)一回路二回路中間換熱器、加氫站氫氣冷卻器、海洋油氣平臺干/濕氣換熱器、浮式存儲與再氣化裝置(FSRU)的LNG氣化器等。PCHE因其耐高溫高壓、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)勢，已逐步在各應用領域投用，并成為國內(nèi)外研究熱點。

PCHE結(jié)構(gòu)如圖1所示。該換熱器的芯體部分采用化學蝕刻等方式成型出換熱板片流道，將換熱板片按照流道介質(zhì)冷熱交替堆疊，采用擴散焊接技術(shù)將換熱板片連接成不可拆卸的整體，形成換熱芯體，并與管箱、接管、法蘭等部件組成完整的PCHE設備。PCHE相比傳統(tǒng)的管殼式換熱器和板式換熱器具有非常突出的優(yōu)點：(1)單位體積換熱面積大；(2)換熱系數(shù)高；(3)承壓能力、耐溫能力高；(4)緊湊度高，在同等功率條件下，體積和重量僅是傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/5。

圖1 PCHE結(jié)構(gòu)示意圖

針對該型換熱器，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了一些試驗和數(shù)值研究。賴展程等[1]對Z型通道相變兩相流進行了數(shù)值研究，對比分析了各流型下的換熱效果。

Tsuzuki等[2]發(fā)現(xiàn)在連續(xù)Z字形通道的轉(zhuǎn)折部位，流體會產(chǎn)生渦流和局部循環(huán)流，這種循環(huán)流會抑制傳熱，增加阻力，相對于Z字形通道，S形通道流動更加均勻，這種通道漩渦和回流現(xiàn)象都變少。Kwon等[3]對比了不同角度Z型流道的換熱和流動特性，分析了傳熱速率和壓力降的變化規(guī)律。Kim等[4]研究了冷、熱流道相對位置對流動換熱的影響。基于S型通道，Kim等設計了一種流道帶有流線形翼型翅結(jié)構(gòu)的新型PCHE，翼型通道中流線更加平滑，渦流和逆流基本消失，數(shù)值計算結(jié)果表明，翼型流道單位體積的總傳熱率與傳統(tǒng)Z字形流道基本一致，而新型翼型通道的壓降降至傳統(tǒng)Z字形PCHE的1/20[5]。吳維武等[6]研制了采用PCHE形式的FSRU再氣化模塊主換熱器樣機，對樣機的熱工性能進行了試驗研究，結(jié)果表明，PCHE形換熱器可滿足LNG氣化主換熱器的低溫、高壓工作環(huán)境的使用要求。

針對PCHE的研究，國內(nèi)外多集中在換熱流道的流動和傳熱特性等方面[7-9]，對于PCHE板片流道結(jié)構(gòu)強度方面的研究鮮有報道。隨著PCHE應用領域的不斷拓展，工作環(huán)境向著高壓工況發(fā)展，設備的安全可靠性越來越引起使用者的重視。因而，本文從PCHE流道結(jié)構(gòu)應力分析出發(fā)，針對某型PCHE的換熱板片流道結(jié)構(gòu)，采用有限元方法對比分析了直流道、Z型流道、S型流道等結(jié)構(gòu)的應力狀況，為PCHE換熱板片的結(jié)構(gòu)選型設計提供理論參考。

1 有限元計算模型

1.1 分析模型

PCHE的換熱板片通過化學蝕刻工藝在平板上形成流道，換熱板片根據(jù)冷熱工質(zhì)依次交替堆疊構(gòu)成換熱芯體，其截面如圖2所示。由于化學蝕刻本身工藝特點，所成型的流道截面通常為半圓形，而在流道流向方向可成型成任意形狀，如直流道，Z型流道，S型流道、翼型流道及其他帶有擾流結(jié)構(gòu)的流道等。目前工業(yè)上應用較多PCHE流道形式為直流道，隨著蝕刻技術(shù)的發(fā)展，尺寸精度控制水平已大幅提高，制備具有Z型、S型流道的大尺寸工業(yè)級換熱板片的能力已經(jīng)具備。

圖2 PCHE板片截面圖

本文分別建立了具有直流道、Z型流道、S型流道的計算模型，流道截面結(jié)構(gòu)及流向結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，W為流道截面寬度，D為流道間肋寬，H為單個換熱板片厚度，L為流道流向方向單個周期波長，A為流道轉(zhuǎn)折角度，R為S型流道過渡圓角半徑。

圖3 PCHE流道結(jié)構(gòu)圖

計算模型及網(wǎng)格如圖4所示，流道結(jié)構(gòu)尺寸為W=2 mm，D=1 mm，H=2 mm，L=14 mm，A=120°，R=4 mm。本文構(gòu)造的模型包括共6層冷熱流道，交替布置，流道流向方向為5個周期。計算模型采用八節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)格劃分，為減小邊界條件的影響，計算結(jié)果取中間層冷熱流道應力狀況進行分析。

圖4 有限元計算模型及網(wǎng)格

1.2 邊界條件

參考某型天然氣冷卻器的設計要求，設置計算模型中冷流道承壓16.8 MPa，熱流道承壓0.6 MPa，在計算模型中相應的流道內(nèi)表面施加壓力載荷。根據(jù)PCHE實際的約束狀況進行簡化，對計算模型兩側(cè)面設置固定約束。

本文分別計算了直流道、Z型流道、S型流道內(nèi)的應力狀況，對比分析了不同流道形狀的應力變化情況，計算過程采用商用有限元分析軟件進行。

2 結(jié)果分析

2.1 直流道應力狀況

圖5～圖7給出了直流道PCHE芯體整體計算模型的應力分布及冷熱流道的應力狀況。從圖5中可以看到計算模型整體應力水平較低，在冷熱流道附近區(qū)域存在較大應力，模型最大應力為49.93 MPa，位于最底層冷流道進口處。

圖5 直流道計算模型整體應力分布(單位：MPa)

圖6為中間層冷流道應力分布狀況，為清楚顯示整個流道半圓區(qū)域應力狀況，取兩個傾斜視角進行展示。圖6中可以看到，沿流動方向流道內(nèi)應力分布均勻，流道內(nèi)圓弧底面應力最小，沿圓弧面向上應力逐漸增大，至流道頂部平面處應力達到最大。以計算模型中中間流道進行分析，流道內(nèi)圓弧面與頂部平面的交匯處存在較大應力，最大應力為44.68 MPa，此處的較大應力是由于圓弧面與頂部平面交匯處的幾何結(jié)構(gòu)造成的。

圖6 直流道模型冷流道應力分布(單位：MPa)

圖7所示為計算模型中間層熱流道的應力分布狀況，可以看到熱流道內(nèi)應力均勻，但分布狀況與冷流道不同，熱流道內(nèi)圓弧底面應力較大，沿著圓弧面向上應力逐漸減小。這種應力分布狀況是由于熱流道承壓較小，而上下兩層冷流道承壓較大，中間層熱流道受上下層冷流道擠壓，導致熱流道圓弧底部應力較大。以中間流道分析，熱流道的最大應力為19.63 MPa，位于流道圓弧底部。

圖7 直流道模型熱流道應力分布(單位：MPa)

2.2 Z型流道應力狀況

圖8～圖10給出了Z型流道PCHE芯體整體計算模型的應力分布及冷熱流道的應力狀況。從圖8中可以看到計算模型整體應力分布與直流道結(jié)果相似，整體應力水平較低，在冷熱流道附近區(qū)域存在較大應力，模型最大應力為73.72 MPa，位于底層冷流道處。

圖8 Z型流道計算模型整體應力分布(單位：MPa)

圖9為中間層冷流道應力分布狀況，可以看到沿流動方向，流道內(nèi)應力分布均勻，流道內(nèi)圓弧底面應力最小，沿圓弧面向上應力逐漸增大，至流道頂部平面處應力達到最大。以計算模型中中間流道進行分析，流道內(nèi)圓弧面與頂部平面的交匯處存在較大應力，與直流道應力結(jié)果相似，最大應力為64.15 MPa，位于Z形流道的轉(zhuǎn)折處，該處的較大應力主要因為Z形流道在轉(zhuǎn)折處的幾何變形所致。

圖9 Z型流道模型冷流道應力分布(單位：MPa)

圖10所示為計算模型中間層熱流道的應力分布狀況，可以看到Z型流道的熱流道層與上文直流道的熱流道層的應力分布狀況一致，流道內(nèi)應力均勻，圓弧底面應力較大，沿著圓弧面向上應力逐漸減小，以中間流道分析，熱流道的最大應力為21.94 MPa，位于流道圓弧底部。

圖10 Z型流道模型熱流道應力分布(單位：MPa)

2.3 S型流道應力狀況

前文結(jié)果顯示，采用Z型流道的模型中，在高壓的冷流道側(cè)，流道Z形轉(zhuǎn)折處存在較大應力?？紤]在Z型轉(zhuǎn)折處增加圓角結(jié)構(gòu)，形成S型流道結(jié)構(gòu)，使流道圓滑過渡，以減小此處的應力集中。

采用S型流道結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)折處圓角半徑R=4 mm，計算該流道結(jié)構(gòu)的應力分布情況。圖11～圖13為S型流道PCHE芯體計算模型的應力計算結(jié)果。圖11顯示S型流道芯體整體應力分布與直流道、Z型流道相同，冷熱流道附近區(qū)域應力較大，模型最大應力為49.37 MPa。

圖11 S型流道計算模型整體應力分布(單位：MPa)

圖12為S型流道結(jié)構(gòu)冷流道應力分布，整體應力分布與直流道、Z型流道一致，流道圓弧底面應力最小，至流道頂部平面幾何轉(zhuǎn)折處應力較大。冷流道最大應力為48.96 MPa，位于流道圓弧面與頂部平面的交匯處，S型流道轉(zhuǎn)角處。結(jié)合圖12和圖9可以看到，S型流道結(jié)構(gòu)最大應力相較于Z型流道的64.15 MPa降低了23.7%，改善了PCHE芯體的應力狀況。

圖12 S型流道模型冷流道應力分布(單位：MPa)

圖13為S型流道結(jié)構(gòu)熱流道應力分布，與直流道、Z型流道一致，流道圓弧底面應力較大，最大應力為18.60 MPa，相較于圖10中Z型流道的最大應力21.94 MPa降低了15.2%。

圖13 S型流道模型熱流道應力分布(單位：MPa)

2.4 三種流道結(jié)構(gòu)應力分析對比

綜合分析上文直流道、Z型流道、S型流道等三種PCHE流道結(jié)構(gòu)的應力計算結(jié)果，可以看到三種流道結(jié)構(gòu)的冷熱側(cè)流道內(nèi)應力分布相似：冷流道內(nèi)圓弧底面應力較小，沿圓弧面向上應力逐漸增大，至流道頂部平面處應力達到最大；熱流道內(nèi)流道圓弧底面應力較大，沿圓弧面向上應力逐漸減小。

表1給出了三種流道結(jié)構(gòu)的冷流道側(cè)和熱流道側(cè)最大應力值。對比分析可以看到，直流道結(jié)構(gòu)整體應力水平較低，Z型流道、S型流道相對較高。其中，Z型流道最大應力位于Z型轉(zhuǎn)折處，此處應力較大是由于流道幾何形狀突變引起，采用S型流道結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)折處圓滑過渡，可以有效降低此處的應力水平。本文計算結(jié)果中S型流道結(jié)構(gòu)的冷流道最大應力相較Z型流道結(jié)構(gòu)的冷流道最大應力降低了23.7%，熱流道最大應力降低了15.2%，降幅明顯。

表1 不同結(jié)構(gòu)流道最大應力對比 單位：MPa

結(jié)合本文計算結(jié)果進行分析，直流道的應力水平較低，承壓能力較好，是目前應用最多的流道類型。但從換熱方面考慮，Z型流道、S型流道增加了流體擾動，可以顯著提高換熱效果，減小PCHE設備體積，提高設備緊湊度，這一結(jié)論已被很多學者的仿真和試驗研究證實，同時隨著國內(nèi)蝕刻工藝水平的提高，Z型流道、S型流道的尺寸精度已基本可以得到保證，因此Z型流道、S型流道的應用已逐漸增多。進一步地對比Z型流道、S型流道的應力分布狀況，采用S型流道可以顯著減少Z型流道轉(zhuǎn)折處的應力水平，改善流道的承壓能力，提高設備安全性。隨著換熱設備不斷向高壓方向發(fā)展，需要綜合考慮換熱性能、應力分布狀況等，選取合適的流道形式，保證設備的各方面性能。

3 結(jié)語

本文采用有限元分析方法，針對PCHE換熱板片流道結(jié)構(gòu)，分別對直流道、Z型流道、S型流道等三種結(jié)構(gòu)進行仿真計算，對比分析了三種結(jié)構(gòu)的應力分布狀況，主要結(jié)論如下：

(1)三種流道結(jié)構(gòu)具有相似的應力分布狀況，冷流道側(cè)(高壓側(cè))流道底面應力較小，頂部平面幾何轉(zhuǎn)折處應力較大，熱流道側(cè)(低壓側(cè))流道底面應力較大，頂部平面處應力較小。

(2)三種結(jié)構(gòu)中直流道應力水平最低，Z型流道、S型流道應力相對較高，其中Z型、S型流道最大應力位于流道流向轉(zhuǎn)折處。

(3)在Z型流道結(jié)構(gòu)基礎上，將流向轉(zhuǎn)折處設置為圓角，形成S型流道，可顯著降低此處的應力水平，改善應力狀況，進而提高設備安全性。