基于定位精度的印刷電路板式熱交換器結(jié)構(gòu)可靠性研究

張曉慧，陳 杰，密曉光，石景禎，尹全森

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.杭州沈氏節(jié)能科技股份有限公司，浙江 杭州 311600）

印刷電路板式熱交換器（PCHE）是基于化學(xué)蝕刻和擴(kuò)散連接的微通道熱交換器［1-8］，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效，適用于高壓、高低溫等苛刻條件的特點(diǎn)，已成為海洋油氣領(lǐng)域的首選熱交換器［9-12］。在國內(nèi)某海洋石油平臺(tái)PCHE國產(chǎn)化研制工作中，首次提出了鈦合金對扣型PCHE設(shè)計(jì)方案。但在試驗(yàn)件試制時(shí)發(fā)現(xiàn)蝕刻板片在疊片及焊接過程中存在錯(cuò)邊現(xiàn)象，錯(cuò)邊量在0～0.25 mm。為此，筆者采用ANSYS有限元軟件，建立PCHE擴(kuò)散連接芯體有限元模型，評估不同流道方案下錯(cuò)邊量對芯體強(qiáng)度可靠性的影響。

1 對扣型PCHE板片芯體結(jié)構(gòu)及錯(cuò)邊情況

根據(jù)該海洋石油平臺(tái)工藝條件，為滿足其換熱壓降要求，首次提出對扣型PCHE設(shè)計(jì)理念。對扣型PCHE板片芯體局部剖面結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中d為通道直徑，tf為通道節(jié)距，tp為板片厚度，p為通道中心間距。PCHE中，冷側(cè)介質(zhì)流道是通過2片完全鏡像的蝕刻板片對扣在一起形成的類圓形微通道截面，熱側(cè)介質(zhì)流道是由2片蝕刻板片在同一法線方向疊加形成的半圓型微通道。

圖1 對扣型PCHE板片芯體局部剖面結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到直流道壓降較低，而Zigzag流道傳熱效果較好［13-26］，因此基于不同流道類型完成了2套熱交換器芯體設(shè)計(jì)方案，具體參數(shù)見表1。

表1 PCHE芯體不同流道設(shè)計(jì)參數(shù)

為驗(yàn)證對扣型PCHE制造工藝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性，研制了對扣型PCHE試驗(yàn)件，對其邊緣余量區(qū)進(jìn)行切除，采用3D輪廓測量儀檢測記錄實(shí)際流道尺寸。觀察發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散連接后PCHE芯體對扣流道存在錯(cuò)邊現(xiàn)象，見圖2。3D輪廓測量儀測量結(jié)果見圖3。

圖2 PCHE芯體對扣微通道錯(cuò)邊情況

圖3 中柱狀圖表示不同錯(cuò)邊量的通道數(shù)量，曲線表示小于等于某錯(cuò)邊量的通道數(shù)量占全部通道總數(shù)的百分比。在所有微通道中，無錯(cuò)邊的占24%、發(fā)生單錯(cuò)邊的占45%、發(fā)生雙錯(cuò)邊的占31%。

圖3 PCHE芯體微通道錯(cuò)邊量測量結(jié)果

分析認(rèn)為，導(dǎo)致PCHE擴(kuò)散連接芯體出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象的原因主要有，①原材料蝕刻板片的筋寬精度、跨度蝕刻誤差。②蝕刻板片的疊片誤差。③擴(kuò)散連接過程中壓力作用下的微通道尺寸延展。由于流道錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致PCHE產(chǎn)品與設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生偏差，因此有必要對不同定位尺寸偏差的PCHE內(nèi)部芯體應(yīng)力分布進(jìn)行評估，以保證最終PCHE產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。

2 PCHE芯體有限元模型建立

假定PCHE擴(kuò)散連接焊合率為100%，在此前提下對該熱交換器芯體進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)PCHE試驗(yàn)件芯體的微通道實(shí)測尺寸，選取9層蝕刻板片構(gòu)成的15個(gè)換熱單元。針對2套流道設(shè)計(jì)方案，錯(cuò)邊量分別選取 0、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm，共建立12個(gè)有限元分析模型。采用SOLID286實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約430萬，得到的PCHE擴(kuò)散連接芯體有限元模型見圖4。

圖4 PCHE擴(kuò)散連接芯體有限元模型

3 PCHE芯體有限元模型載荷及邊界條件

根據(jù)PCHE工藝使用條件，熱側(cè)介質(zhì)走半圓形微通道，介質(zhì)壓力0.5 MPa；冷側(cè)介質(zhì)走圓形微通道，介質(zhì)壓力5 MPa。由于介質(zhì)壓力載荷對定位精度誤差引起的應(yīng)力波動(dòng)敏感性遠(yuǎn)大于溫度載荷的，因而未考慮熱應(yīng)力影響。參考PCHE在海洋平臺(tái)的實(shí)際安裝位置，對芯體模型微通道沿程兩側(cè)壁面支座處施加位移約束。考慮到PCHE水壓試驗(yàn)及檢修等特殊作業(yè)，對處于表2所示5種工況下的模型進(jìn)行計(jì)算校核。

表2 PCHE芯體模型有限元校核工況

4 基于錯(cuò)邊量的PCHE芯體有限元模型應(yīng)力模擬分析

4.1 直流道方案

5種工況下無錯(cuò)邊直流道芯體的應(yīng)力分布云圖見圖5，不同錯(cuò)邊量的直流道芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值見圖6。

圖5 5種工況下無錯(cuò)邊直流道芯體應(yīng)力分布云圖

由圖5、圖6可以知道，冷側(cè)介質(zhì)水壓試驗(yàn)的工況4為最不利工況，應(yīng)力峰值均高于其他4種工況的，無錯(cuò)邊時(shí)應(yīng)力為25.397 2 MPa，錯(cuò)邊量在0.05 mm或0.25 mm時(shí)，芯體應(yīng)力達(dá)到峰值42.74 MPa。工況1與工況2的應(yīng)力峰值基本重合，工況3的應(yīng)力峰值最低，說明熱側(cè)介質(zhì)壓力載荷對熱交換器芯體的應(yīng)力分布影響較小。此外，熱側(cè)介質(zhì)流道截面為半圓形，流通面積為冷側(cè)介質(zhì)的1/2，因此芯體的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于冷側(cè)介質(zhì)壓力載荷。

圖6 5種工況下不同錯(cuò)邊量直流道芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值

由圖6還可以看出，當(dāng)芯體結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)值保持一致，即錯(cuò)邊量為0時(shí)，5種工況下的應(yīng)力峰值相比發(fā)生錯(cuò)邊后的應(yīng)力峰值處于最低水平。當(dāng)錯(cuò)邊量為0.05 mm時(shí)，由于芯體微通道的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，使得芯體內(nèi)部的應(yīng)力峰值達(dá)到第1個(gè)波峰。隨著錯(cuò)邊量進(jìn)一步增大，錯(cuò)邊位置緩沖區(qū)域增大，芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值有所降低，錯(cuò)邊量為0.15 mm時(shí)對芯體內(nèi)部的應(yīng)力分布影響最小。當(dāng)錯(cuò)邊量進(jìn)一步增大時(shí)，對扣蝕刻板片的實(shí)際焊接面積逐步受到影響，芯體內(nèi)部應(yīng)力將隨錯(cuò)邊量的增大而增大。當(dāng)錯(cuò)邊量為0.05 mm或0.25 mm時(shí)，芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值達(dá)到最高，約為無錯(cuò)邊芯體應(yīng)力峰值的2倍。

在直流道芯體模型中定義20條后處理錯(cuò)邊路徑PATH1～PATH20，見圖7。在最不利的工況4下，錯(cuò)邊量為0.1 mm時(shí)直流道芯體錯(cuò)邊路徑上的應(yīng)力分布曲線見圖8。

圖7 直流道芯體后處理錯(cuò)邊路徑

圖8 工況4下錯(cuò)邊量為0.1 mm時(shí)直流道芯體錯(cuò)邊路徑上應(yīng)力分布曲線

分析圖8所示的各應(yīng)力曲線可以知道，直流道芯體發(fā)生錯(cuò)邊后，微通道最外側(cè)錯(cuò)邊路徑上的應(yīng)力約為內(nèi)側(cè)錯(cuò)邊路徑上應(yīng)力的4倍，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在芯體前后端面處。PATH1和PATH20路徑受到芯體外側(cè)位移約束影響，沿軸向應(yīng)力分布呈不規(guī)則波動(dòng)，芯體其余內(nèi)部流道的應(yīng)力分布沿軸向較為平穩(wěn)。

4.2 Zigzag流道方案

5種工況下不同錯(cuò)邊量的Zigzag流道芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值見圖9。

從圖9可以看出，Zigzag流道芯體的應(yīng)力分布與直流道芯體的應(yīng)力分布趨勢（圖6）基本保持一致，不同錯(cuò)邊量的Zigzag流道芯體的最大應(yīng)力值均高于直流道芯體。冷側(cè)介質(zhì)水壓試驗(yàn)的工況4為最不利工況，應(yīng)力峰值最高為54.79 MPa。工況1與工況2的應(yīng)力峰值基本重合，工況3的應(yīng)力峰值最低。當(dāng)芯體無錯(cuò)邊量時(shí)，5種工況的應(yīng)力峰值均為最低。錯(cuò)邊量為1 mm時(shí)，芯體內(nèi)部的應(yīng)力峰值達(dá)到第1個(gè)波峰。隨著錯(cuò)邊量進(jìn)一步增大，錯(cuò)邊位置緩沖區(qū)域增大，應(yīng)力峰值有所降低，錯(cuò)邊量為0.15 mm時(shí)對芯體內(nèi)部的應(yīng)力分布影響最小。當(dāng)錯(cuò)邊量進(jìn)一步增大時(shí)，對扣蝕刻板片的實(shí)際焊接面積逐步受到影響，芯體內(nèi)部應(yīng)力將隨著錯(cuò)邊量的增大而增大。錯(cuò)邊量為0.25 mm或者0.1 mm時(shí)，芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值達(dá)到最高，約為無錯(cuò)邊芯體應(yīng)力峰值的2倍。

在Zigzag流道芯體模型中定義20條后處理錯(cuò)邊路徑PATH1～PATH20，見圖10。在最不利工況4下，錯(cuò)邊量為0.1 mm時(shí)Zigzag流道芯體錯(cuò)邊路徑上的應(yīng)力分布曲線見圖11。

圖9 5種工況下不同錯(cuò)邊量Zigzag流道芯體內(nèi)部應(yīng)力峰值

圖10 Zigzag流道芯體后處理錯(cuò)邊路徑

圖11 工況4下錯(cuò)邊量為0.1 mm時(shí)Zigzag流道芯體錯(cuò)邊路徑上應(yīng)力分布曲線

分析圖11可知，芯體發(fā)生錯(cuò)邊后，微通道最外側(cè)錯(cuò)邊路徑上的應(yīng)力約為內(nèi)側(cè)錯(cuò)邊路徑應(yīng)力的4倍，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在芯體前后端面處，芯體內(nèi)部流道的應(yīng)力呈正弦曲線分布，波峰或波谷出現(xiàn)在Zigzag流道轉(zhuǎn)折處，流道內(nèi)側(cè)相鄰路徑和外側(cè)相鄰路徑的應(yīng)力分布呈鏡像關(guān)系，即圖10中的A點(diǎn)出現(xiàn)波峰 （波谷） 時(shí)，B點(diǎn)出現(xiàn)波谷 （波峰）。PATH1和PATH20路徑受到芯體外側(cè)位移約束影響，沿軸向應(yīng)力分布波動(dòng)較大。

5 結(jié)語

對直流道和Zigzag流道方案下對扣型PCHE擴(kuò)散連接芯體結(jié)構(gòu)的有限元核算表明，①在設(shè)計(jì)壓力下，2套方案下的PCHE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能滿足要求。②在最不利工況下，Zigzag流道芯體應(yīng)力為54.79 MPa，直流道芯體應(yīng)力為 42.74 MPa，該應(yīng)力約為Zigzag流道應(yīng)力的3/4。2套流道方案下芯體的應(yīng)力峰值均小于鈦合金TA10的許用應(yīng)力。③2套流道方案下芯體的最大應(yīng)力均發(fā)生在前后端面處，直流道芯體應(yīng)力在錯(cuò)邊量為0.05 mm或0.25 mm時(shí)達(dá)到峰值，Zigzag流道芯體應(yīng)力在錯(cuò)邊量為0.1 mm或0.25 mm時(shí)達(dá)到峰值。在錯(cuò)邊量為0.15 mm時(shí)，直流道芯體和Zigzag流道芯體應(yīng)力均出現(xiàn)暫時(shí)回落。

與直流道相比，Zigzag流道可強(qiáng)化傳熱，但同時(shí)會(huì)增加流體的流動(dòng)阻力，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)綜合考慮流動(dòng)傳熱特性和錯(cuò)邊量，方能確定PCHE擴(kuò)散連接芯體微通道的工藝結(jié)構(gòu)。芯體前后端面處應(yīng)力較高，在對蝕刻板片進(jìn)行擴(kuò)散連接時(shí)，應(yīng)盡量采用多壓頭擴(kuò)散連接設(shè)備，以保證芯體邊緣處的焊合率。如必需采用對扣型蝕刻板片，可以通過以下方法控制其錯(cuò)邊量處于合理范圍，①嚴(yán)格把控原材料板片的表面平整度，減小蝕刻工藝難度。②優(yōu)化蝕刻液配方及蝕刻工藝，提高蝕刻精度。③用于同臺(tái)設(shè)備的蝕刻板片需為同一批次。④開發(fā)新型定位工裝，減小蝕刻板片的疊片錯(cuò)邊量。