新型高效换热器升温速率对设备本体结构强度的影响

　　

新型高效微通道换热器升温速率对设备本体结构强度的影响

Effect of heating rate of a new high-efficiency microchannel heat exchanger on structural strength of equipment body

黄立龙 朱海舟 许德强 倪鹏博 冯旭

Huanglilong Zhuhaizhou Xudeqiang Nipengbo Fengxu

（兰州兰石换热设备有限责任公司 兰州 730000）

（Lanzhou Lanshi Heat Exchange Equipment Co. LTD Lanzhou 730000）

摘要：本文运用有限元法模拟计算了升温速率对新型高效微通道换热器结构强度的影响，为后期此种换热器的设计提供了参考依据。

Abstract: In this paper, the finite element method is used to simulate the effect of heating rate on the structural strength of a new type of high efficiency heat exchanger, which provides a reference for the later design of this kind of heat exchanger.

关键词： 新型高效微通道换热器、升温速率、强度

Key words: new high efficiency micro-channel heat exchanger, heating rate, strength

1. 背景和目的

本文所述的新型高换热器是一种适用于高压、高温工况的新结构板式热交换器。由于其具有特殊的结构特点，可在苛刻的高温、高压工况下使用。其主要由热侧进口集箱、热侧出口集箱、冷侧进口集箱、冷侧出口集箱、热侧进出口接管、冷侧进出口接管、换热核心体、吊耳、支架、法兰等部件构成。

上文所述的换热核心体由带有特殊结构的微型通道的热侧金属板片和冷侧金属板片交错叠加构成。热侧金属板片和冷侧金属板片上的微型通道均蚀刻而成，即根据微型通道特点通过特殊工艺曝光制板（与微型通道结构相同的板型）、显影后，将板片要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，没有保护膜的区域形成凹凸或者镂空成型的微型通道。热侧金属板片和冷侧金属板片之间通过真空扩散焊接连接而成。此种特殊的焊接是在一定的真空度条件下，将两个或多个平整光洁的焊接表面（焊接表面通常需符合GB/T3280-2015标准要求的8#表面加工类型）加热到一定的温度，在不加任何焊料或中间金属的情况下，在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，利用焊件接触表面的电子、原子或分子互相扩散转移，并且形成离子件，金属键或者共价键，经一段时间保温，使焊接区的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。由此可见，扩散焊接主要是依靠焊接表面发生微观塑性变流变后，达到紧密接触，使原子相互大量扩散而实现焊接的。因此，焊接过程是在完全没有液相或仅有极小过渡相参加下，形成接头后再经过扩散处理的过程，这使其成分和组织完全与基体一致，能够保持和母材相同的物理、化学、力学性能。因此，换热核心体的特殊结构及特殊制作工艺使其具备在高温、高压工况下的运行。最后，在此种换热核心体的热侧、冷侧进出口分别装配热侧进、出口集箱和冷侧进、出口集箱即组成了新型高效紧凑型焊接式热交换器的主体部分。

此种新型高效紧凑型焊接式热交换器应用领域广泛。在核能领域，第四代核反应堆是目前全球核能的主要发展方向。此种新型热交换器作为中间换热器、高温回热器、低温回热器、冷却器，属其关键核心设备，可大大提高核反应堆的紧凑度及安全性。在超临界CO2发电领域的超临界CO2布雷顿循环发电系统中，此种新型热交换器作为高温回热器、低温回热器、冷却器等核心热交换设备，可满足运行压力15MPa和温度500℃以下的高温高压工况要求。在天然气液化气化领域，此种新型热交换器作为浮式LNG存储再气化装置(FSRU)的热交换设备，具有极高的效率、比体积、安全性和稳定性等优点。

由于新型高效微通道换热器主要由热侧进口集箱、热侧出口集箱、冷侧进口集箱、冷侧出口集箱、热侧进出口接管、冷侧进出口接管、换热核心体、吊耳、支架、法兰等部件构成，并且零件之间均焊接装配，基于这样的结构特点并且处于苛刻的高温、高压工况下，设备的强度将受到何种影响。这将是本文的研究重点。

在某项目中，一台新型高效微通道换热器（如图3.1所示，此设备的热侧有两个进口和两个出口，冷侧有两个进口和两个出口，即介质同时由两个并联的管口进出设备本体）从室温经过4小时匀速升温至最高温，由于集箱和芯体材料随着温度升高，设备整体的厚度方向存在温度梯度，需要对升温速率进行深入验证。现用国际通用有限元大型结构分析软件ansys15.0 workbench建模计算，并参照JB4732-1995 《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）的评定方法来进行结果评定。

2.设计参数及设计温度下的材料参数

2.1设计参数如表1.

	热侧	冷侧
设计压力( MPa)	10	27
设计温度(℃)	550	550
材料	S31608	S31608

表1设计参数

如表1中所示，此台新型高效微通道换热器设计温度较高，已达550摄氏度，通常板式热交换器使用温度小于400摄氏度。同时，此台新型高效微通道换热器设计压力也较高，大于等于10MPa，通常板式热交换器适用压力小于5MPa。综合比较，此台新型高效微通道换热器的设计工况相当苛刻，保证在苛刻工况下的安全运行首先是选材合理。该设备选用耐高温性较好的S31608奥氏体不锈钢。S31608不锈钢的奥氏体结构使其具有出色的韧性，即使在低温下也是如此，因添加Mo元素，使其耐蚀性、和高温强度有较大的提高，耐高温可达到1200-1300度，可在苛酷的条件下使用，此特性远优于S31603不锈钢（S31603不锈钢在450摄氏度以上的工况下，已不建议长期使用）。S31608在各类大气环境和许多腐蚀性介质中表现优异，通常比S30408不锈钢耐腐蚀性能更强。在温暖的氯化物环境中会发生点蚀和缝隙腐蚀，在约60°C以上会产生应力腐蚀开裂。在室温下的饮用水中，可耐受高达约1000mg / L氯化物而不发生点蚀，而在60℃的温度下，可耐受的氯化物含量降低为约300mg / L。S31608通常被认为是标准的“海洋级”不锈钢，但它不能完全抵抗海水的腐蚀。在许多海洋环境中，S31608也会发生表面腐蚀，通常为褐色锈迹，这通常与缝隙和表面粗糙有关。另外，新型高效微通道换热器作为全焊接式换热器，选材时材料的焊接性能非常重要。S31608不锈钢属于常用奥氏体不锈钢范畴，其焊接性能优异。同时，结合选材经济性，S31608为常用奥氏体不锈钢，市场采购较易，价格适中。综合以上分析，此台新型高效微通道换热器选材S31608不锈钢。

2.2计算温度下的材料参数。

计算温度下的材料参数如表2所示，其中的应力强度许用极限Sm取自GB150.2-2011（第62页）的表11，其中的弾性模量取自GB150.2-2011（第84页）的表B.13。

材料名称	弹性模量（Pa）	泊松比	应力强度许用极限Sm（MPa）,
S31608	1.56x1011	0.3	121

3. 有限元模型

分网均采用自适应网格solid187实体单元，具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网（例如通过不同的CAD/CAM 系统建立的模型）。单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。SOLID187可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性, 蠕变，应力钢化，大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。共划分102644个单元、223383个节点。结构的有限元模型如图3.1所示。在受压面施加设计压力，额定工况下的边界条件和载荷如图3.2所示，工况1下的边界条件和载荷如图3.3所示，工况2下的边界条件和载荷如图3.4所示。

图3.1集箱的有限元模型

图3.2 额定工况下载荷和边界条件

4.应力结果及评定

经计算，额定工况下的温度分布云图如图4.1所示，结构的应力云图如图4.2所示，

图4.1额定工况下的结构的温度分布云图

图4.2额定工况下的结构的应力云图

图4.3额定工况下的结构的位移云图

设计载荷工况下，根据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）进行应力强度评定。主应力差：S₁₂=σ₁-σ₂; S₂₃=σ₂-σ₃;

S₃₁=σ₃-σ₁应力强度：S=Max{|S₁₂|,|S₂₃|,|S₃₁|}

总体一次薄膜应力强度极限为KSm，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5KSm。Sm为许用应力强度。K为组合载荷系数，设计工况下K取1。

应力评定结果如表4-1所示。 应力线性化路径及结果如图4.3至4.7所示。

线性化路径	应力分类	强度校核	评定结果
额定工况	PL	160<1.5Sm=181.5	通过
	PL+Pb+Q	300<3Sm=363

表4-1应力评定结果

注：Pm-- 一次总体薄膜应力

Pb-- 一次弯曲应力

Sm-- 应力强度许用极限

图4.3额定工况下的应力线性化结果

5.结论

通过上述分析，在4小时缓慢升温速率下，新型高效微通道换热器的结构设计满足JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）的强度要求。

参考文献：

[1] 周锋.新型高效换热器在石油化工生产中的应用[J].《设备管理与维修》，2019，12：250-251.

[2] 金枫.新型高效换热器国产化[J].《化工装备技术》 ，2014，08:76-77.

第一作者：黄立龙，男，出生地：甘肃武威，工程师，主要研究板式热交换器、微通道换热器的结构分析。

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