國產印刷電路板式換熱器的首次工業應用研究*

尤學剛 劉新宇 曾冬 李秋龍 潛江偉 歐菲

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司 2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所(洛陽船舶材料研究所))

0 引 言

印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)是由悉尼大學于1980年開發出來的一種新型換熱器，由于它的核心部件——換熱芯體板片的成型是在厚度為毫米級的金屬板上采用光化學蝕刻的方法蝕刻出的微細通道，所以其工藝過程類似于電路板的制作而得名。PCHE屬于微通道換熱器[1]中最為重要的一種形式，具有構造緊湊、傳熱效率高、可承受高溫和高壓、無管束振動、排放容積小以及安全性高等優點，在軍工艦船、航空航天、海洋油氣開采、石油精細化工及核工程等領域具有常規換熱器難以比擬的優勢。本文首先介紹了PCHE的優點，之后對其國產化研制背景進行了介紹，分析了PCHE研制過程中的關鍵技術，旨在推動我國PCHE的國產化進程。

1 印刷電路板式換熱器的優點

在海洋油氣開采領域，目前應用最多的就是傳統的管殼式換熱器和板式換熱器，雖然管殼式換熱器能承受高溫和高壓，但在換熱負荷需求較大時，其質量和體積就成了很明顯的缺點，且換熱效率不高；板式換熱器雖然在體積、質量和換熱效率等方面較管殼式換熱器有優勢，但不能承受高溫和高壓，所以對于高溫、高壓和高換熱負荷需求的應用場景，印刷電路板式換熱器相比傳統的兩種換熱器具有明顯的優勢。印刷電路板式換熱器具有以下性能特點。

1.1 結構緊湊，能節省空間，減輕質量

與傳統管殼式換熱器相比，PCHE最多可節約85%的空間。在滿足同等熱負荷和壓降的條件下，印刷電路板式換熱器的體積和質量僅為傳統管殼式換熱器的～。設備體積小則極大地節約了平臺甲板面積，質量輕則直接簡化了平臺結構設計，節約了鋼材用量，間接也實現了設備單點吊裝就位的可能和吊機作業范圍的節約；同時也對浮式平臺的上部設備的質量控制極為有利。

1.2 性能優越

PCHE具有較高的換熱效率[2]，且能適應極值溫度和超高的壓力等級。單個換熱單元的換熱效率可以達到98%，且具有極強的耐低溫、耐高溫(-270～900 ℃)和耐高壓(70 MPa)能力，PCHE能適應的溫度和壓力范圍非常大。

1.3 安全性高

相比管殼式換熱器，PCHE不需要考慮管爆裂這種災難性的失效模式，也不用考慮墊圈失效，沒有振動和泄放問題，而且PCHE 連續的流體通道能夠有效減小壓降，降低堵塞帶來的影響，損壞的風險很低。從制造原材料上講，PCHE的換熱芯體一般由不銹鋼或高合金材料制成，沒有低熔點材料，也不含鋁，材料耐火，基本無腐蝕問題，而且換熱芯體板片之間通過固相擴散的方式焊接，沒有熔化和變形，不需要添加額外的釬料、助熔劑和填料等，結構可靠度非常高。

1.4 量身定制

PCHE可實現1臺換熱器中采用2種及以上的多種工質同時進行換熱，也就是說可以將多個相互關聯的換熱過程集成在同一個換熱器中完成，每一臺PCHE都可以根據實際需求量身定制。這相比常規的換熱器極大地減少了管道和閥門的數量，以及泄壓和廢氣處理系統的配置，能有效地節省空間，也極大地提高了設備的安全性和操作效率。此外，PCHE的換熱芯體單位面積上微通道的通流面積較小，同流量下工質流速較高，對流換熱系數大，換熱能力更強，且換熱溫差可以小到2 ℃，從而使其具有更高的換熱效率。

2 國產化研制背景及進程

印刷電路板式換熱器的諸多性能優點，為其贏來了廣闊的應用市場，然而由于其設計和制造技術的尖端性，PCHE的研制技術一直被英國Heatric公司壟斷。由Heatric公司設計和制造的PCHE全世界約有2 500臺，幾乎占據了全部市場份額。2016年，國內一家軍工企業試圖通過民用渠道從英國進口一臺PCHE，最終也未能獲得許可，Heatric公司對我國采取了嚴格的銷售限制。

近年來，隨著能源動力系統效率不斷提升的需求，軍用艦船上以超臨界CO2作為換熱介質的布雷頓循環動力系統[3]，以其能量的轉化效率高、體積緊湊、是常規水蒸氣工質朗肯循環系統的1/20～1/30的特點而備受青睞，而印刷電路板式換熱器也是該系統最理想的選擇。以此為契機，2014年以中國船舶重工集團公司為代表的企業，率先借力海軍科研項目開展了國產印刷板式換熱器研制，并于2016年成功研制出國內首臺樣機。雖然該樣機的尺寸與性能與國外產品尚有差距，但通過樣機的研制及與專業金屬板片蝕刻廠家和真空擴散焊廠家的合作，國內多個企業對PCHE的設計和制造關鍵技術都有了突破。因此，2017年和2018年相繼有應用于軍用艦船上的布雷頓循環動力系統的印刷板式換熱器[4]，及應用于航天科工領域的微型印刷板式換熱裝置。

3 技術分析

3.1 結構

印刷電路板式換熱器結構相對簡單，主要包括換熱芯體、箱體(封頭)、接管法蘭和吊耳支撐件等，如圖1所示。

3.2 工作原理

PCHE主要通過冷/熱側的介質在芯體微通道內部同時對流又互不干涉，通過薄薄的芯體板片的傳熱物理特性來達到高效熱量交換的目的，進而實現對熱側高溫介質的冷卻，如圖2所示。

圖2 印刷板式換熱器換熱原理

3.3 首次工業應用

從2018年開始，國內已經有幾家單位陸續研制出國產印刷板式換熱器的樣機：航天海鷹(哈爾濱)鈦業有限公司為北京動力研究所開發了3臺氦氙混合氣體換熱器(見圖3)，換熱負荷僅為800 kW，應用于航天科工領域；上海益焓能源科技有限公司為中船重工719研究所開發了1臺以CO2氣體為換熱工質的小型換熱器，換熱負荷為1 400 kW，應用于軍用艦船的布雷頓體系。以上提及的研制案例均為技術開發性質，且研發出來的樣機均應用于試驗平臺。

圖3 國產印刷板式換熱器出廠交付

除了航天和艦船領域，印刷板式換熱器更多地應用在油氣開采和石油煉化等領域。在2018年之前，進口印刷板式換熱器已經在中海油崖城13-1和荔灣3-1等氣田平臺上應用。而陵水17-2氣田開發工程項目是中海石油(中國)公司海南分公司正在實施的一個萬億立方米南海天然氣開發項目，其平臺上的干氣外輸系統需要3臺干氣壓縮機后冷卻器，其中一臺TS-WC-2701C為國產印刷板式換熱器(見圖4)，于2020年出廠，其換熱負荷達4 600 kW，設計溫度為-19～150 ℃，設計壓力為18.75 MPa，設備尺寸為1.58 m×1.43 m×1.46 m，質量為3.24 t。而國外同參數的2臺換熱器尺寸為1.31 m×1.37 m×1.42 m，質量為1.64 t。相比而言，國產設備的尺寸和質量略大，尚有優化和改進的空間。但這是國產印刷電路板式換熱器首次在海洋油氣開采領域的應用，它的應用為國產PCHE提供了一個優質的應用平臺終端，能助力國內企業打破國外技術壟斷，促進國產PCHE的研制成熟和工業化生產與應用，在未來也將進一步降低氣田開發的成本和風險。

圖4 國產印刷板式換熱器應用于海洋平臺

4 PCHE研制過程中的關鍵技術

4.1 PCHE熱力與結構協同設計

PCHE的核心部件是換熱芯體，而芯體的熱力學設計主要由微型通道內流體的傳熱與流動特性決定，影響這些特性的物理量除了流體介質的工藝參數和熱物理性質外，主要取決于流體通道的設計，包括通道的形狀、界面尺寸及幾何角度[5]等。由于低溫的LNG在臨界點和擬臨界點附近物性變化劇烈，假設物性為定值的設計方法不再適用，需要采用分段設計方法來精確捕捉物性變化特性。將換熱器劃分成多個串聯的子換熱器，子換熱器內假設物性為定值進行循環計算，直至最后一個子換熱器計算完畢[6]。

為了提高電路板式換熱器的換熱效果，設計熱流體和冷流體在充分發展區域為逆流換熱。設計過程中綜合考慮溫差和壓降，在滿足總換熱功率要求的同時盡可能降低壓降。分段設計示意圖如圖5所示。圖5中：HXk指第k個子換熱器，T是溫度，下標h、c、j分別指熱流體、冷流體和局部值, 下標i和o指入口和出口。當考慮縱向導熱時，qz,j為局部縱向導熱量。

圖5 分段設計示意圖

由于該型換熱器比表面積大，緊湊度高，一般以犧牲部分總體積的方法來減小換熱器阻力，因而換熱芯體板的微型流道大多采用平直通道。具體設計思路為：首先對換熱器換熱功率等參數進行初步設計，初選幾何結構參數；其次采用分段熱力設計方法，計算每段換熱單元的對數平均溫差，校核換熱量進行疊加，直至滿足換熱功率；最后對總體結構的阻力損失進行校核，若滿足條件則得到設計結果，若不滿足條件則需調整單板通道數、換熱板層數以及流體通道流速等參數，重新進行迭代，直至得到最優設計方案。為保證設計結構滿足設計要求，熱力設計過程中所有經驗公式采用的數據均來自數值模擬與樣機試驗結果[7]，以保證設計方案的可靠性。

芯體板的流道設計方案在熱力學校核通過以后，芯體的結構也就確定了，在此基礎上進一步進行封頭結構和支耳結構設計。之后，芯體和封頭殼體的結構強度都需要核算，包括內壓計算、接管開孔補強計算、接管局部應力計算、非標準件的強度計算、局部應力計算(如支耳等)、支座計算、接地端子設計、地腳螺栓設計、安全附件設計及吊裝計算等。結構強度校核應考慮各種載荷的組合，完全符合標準使用條件的零部件其強度及應力可以免于計算。

由此可見，一臺適應工業化應用需求的PCHE，其熱力學設計必須與設備的結構協同進行，并進行熱流固耦合分析[8]，這樣才能使換熱芯體滿足傳熱需求。芯體及外部封頭或殼體滿足高溫、高壓條件下的結構強度要求，也是PCHE實現國產化關鍵的一步。

4.2 芯體板片的光化學蝕刻技術

印刷電路板式換熱器結構緊湊，整體強度高，處理能力強，得益于其換熱芯體獨特的制造方式。其制造工序的第一步就是使用光化學蝕刻技術將分別為冷熱介質設計的流體微通道蝕刻于厚度為毫米級的不銹鋼芯體板表面。

目前，在薄金屬板片上加工出這些流道的方法有：蝕刻、沖壓、激光、CNC、線切割及電脈沖等。光化學蝕刻(Photo Chemical Machining，PCM)是指利用攝影技術生成的掩膜,通過選擇性化學侵蝕生產無毛刺、無應力的平整金屬元件的工程生產技術。蝕刻[9]與其他金屬加工手段相比有很多優點，比如加工精度高，可加工異常復雜的形狀，無毛刺、無加工應力產生，且不影響被加工材料的主要性能等。

光化學蝕刻的主要工藝流程包括：CAD設計、切料、預處理、滾涂感光膠、曝光、顯影、蝕刻、去膜和檢驗等。整個工藝流程中最核心的是蝕刻工序。蝕刻過程中存在著3個主要的可變因素，即蝕刻深度、蝕刻速度和蝕刻時間。這三者之間的關系式如下：

v=h/t

(1)

式中：v為金屬的蝕刻速度，mm/min；h為蝕刻深度，mm；t為蝕刻時間，min。

3個可變因素中，最值得關注的是蝕刻速度。蝕刻速度又通常與化學蝕刻劑的類型、質量濃度、溫度及時間等主要的工藝因素相關。

對于印刷板式換熱器中常用的不銹鋼基材，通常采用的蝕刻劑包括FeCl3、堿/酸性CuCl2、過硫酸銨、HCl/HNO3、H2SO4/H2O2及王水等。根據基礎研究和蝕刻經驗，316L不銹鋼蝕刻選用FeCl3或王水效果最佳。由于FeCl3蝕刻液工藝穩定、價格便宜、對人體和環境危害性低等優點，在印刷板式換熱器的芯體制造中，常被用來蝕刻板片換熱通道。能否獲得理想的蝕刻速度和蝕刻質量，Fe3+質量濃度是決定性因素，所以在正式加工板片的微通道以前，應保持蝕刻劑中酸的質量濃度不變，反復探索FeCl3的質量濃度。

此外，金屬蝕刻的過程實質是化學反應的過程，因此蝕刻液的溫度直接影響化學反應的速率和穩定性，進而影響蝕刻速度和穩定性，決定了蝕刻控制的難易程度和蝕刻精度的高低。溫度對蝕刻過程的影響較復雜，因為在蝕刻過程中，化學反應多伴隨著放熱過程，使得蝕刻液溫度隨著化學反應的進行而逐漸升高，進而促進化學反應。因此，應嚴格控制蝕刻液溫度。

蝕刻時間是蝕刻過程中的重要因素，直接決定了蝕刻效率的高低、生產制造周期和經濟成本等。在板片通道尺寸一定的條件下，影響蝕刻時間的主要因素為蝕刻液成分、質量濃度和溫度等。為此，對蝕刻時間的控制主要通過兩種手段：①對蝕刻液成分、質量濃度進行優化控制；②對蝕刻過程中蝕刻液溫度進行控制。對于316L不銹鋼材料，根據蝕刻量大小，蝕刻時間通常為3～30 min。

綜上所述，蝕刻劑的類型、質量濃度、蝕刻溫度和蝕刻時間等工藝因素并不是獨立的因素，各因素相互影響和制約。因此，要想獲得理想的板片蝕刻精度和質量，需要以上述4種參數作為主要工藝因素，針對特定的板片金屬材料，通過單因素法和正交試驗法開展蝕刻工藝試驗，優化工藝參數范圍，獲得穩定蝕刻工藝規范，再實施換熱器芯體板片的蝕刻加工，并獲得理想精度的流體微通道換熱芯體板片。

4.3 芯體的真空擴散焊成型技術

換熱器的核心是由已加工了流體微通道的冷熱板片交替放置，并通過真空擴散焊工藝連在一起的封裝整體。擴散焊的工藝將流道密封在內，單個換熱器可通過并聯多個換熱核芯來滿足不同的換熱需求。與傳統換熱器設計相比，該內核設計的靈活性不僅提高了固有安全性，也極大地提高了效率。

真空擴散焊[10]是一種精密的固相焊接技術，它是指相互接觸的表面在高溫和物理壓頭壓力的作用下，在近乎真空的環境下，局部發生塑性變形并經一定時間保溫，界面原子間相互擴散而形成冶金結合的過程。真空擴散焊大致可以分為3個階段：第1階段為物理接觸階段，高溫下微觀不平的表面在外加壓力的作用下，接觸面積逐漸擴大，最終達到整個面的可靠接觸；第2階段是接觸界面原子間的相互擴散，形成牢固的結合層；第3階段是在接觸部分形成結合層，逐漸向體積方向發展，形成可靠的連接接頭，如圖6所示。

圖6 真空擴散焊接過程

真空擴散焊3個階段相互交叉進行，最終在接頭處由擴散和再結晶等過程而形成固態冶金結合。它可以生成固溶體及共晶體，有時也生成金屬間化合物，形成可靠的連接。影響和控制擴散焊成型的主要因素有3個，具體如下。

4.3.1 焊接溫度

爐內溫度是擴散焊接重要的工藝參數之一，它的微小變化會使擴散速度產生較大變化，直接影響焊接結合率。在一定的溫度范圍內，溫度越高，擴散系數越大，擴散過程越快，結合率越高，所獲得接頭的結合強度越高；但當溫度高于某一值后，溫度再升高時，擴散焊接頭質量并不提高，反而有所下降。多數金屬和合金擴散焊合適的加熱溫度為0.6Tm～0.8Tm(Tm為母材熔點)。

4.3.2 焊接壓力

施加物理壓頭作用力的主要目的是使結合面微觀凸起的部分產生塑性變形，達到緊密接觸，同時促進界面區的擴散，加速再結晶過程。當壓力過小時，表層塑性變形不足，表面形成物理接觸的過程進行不徹底，界面上殘留的孔洞過大且過多；當壓力增大時，能促進界面孔洞閉合，提高焊接結合率，獲得結合強度較高的接頭，但過大的壓力會導致工件發生一定變形，且高壓力需要成本較高的設備和精確的控制。因此，從經濟角度考慮，應選擇適宜的物理壓頭壓力。

4.3.3 焊接時間

焊接時間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時間，在該時間內必須保證擴散過程全部完成，并達到所需的結合強度。但焊接時間不是一個獨立的參數，它的選取依賴于焊接溫度和焊接壓力。在擴散焊接過程中，延長保溫時間可以使界面擴散充分進行，有利于接頭組織與成分的均勻化，提高接頭性能，但時間過長會使母材晶粒粗化，尤其對于性能差別較大的異種材料連接時，還會在界面上形成脆性金屬間化合物，降低接頭性能，時間過短，會導致焊縫中殘留許多孔洞，影響接頭性能。

綜合來看，焊接溫度、焊接壓力、焊接時間、環境(是否真空及真空度)及表面狀態等都是影響擴散焊接的主要工藝因素，要獲得理想的真空焊接芯體，在前期摸索穩定的真空擴散焊接工藝非常必要。

4.4 PCHE的集成建造與檢測評價技術

芯體的擴散焊成型使得印刷電路板式換熱器的集成建造成功了一半，之后再將芯體與管箱、管口、法蘭和支耳進行焊接，就形成完整的印刷電路板式換熱器。在PCHE建造的各個工序都要進行嚴格的檢測，之后方能進入下一道工序。

縱觀PCHE的整個建造工序，需要建立以下檢測標準或評價體系：

(1)芯體板光化學蝕刻前，需要將不銹鋼板兩面拋光至鏡面，針對這個拋光質量(鏡面度)的檢測有必要建立一套檢測標準，因為拋光質量是否達標直接影響后續板片真空擴散焊接的成敗。

(2)芯體板片在光化學蝕刻以后，微通道的凹槽深度、凹槽之間的脊寬精度以及凹槽內表面的平滑度是否能滿足要求，也需要建立檢測標準，因為凹槽流體通道的蝕刻精度和質量直接影響換熱芯體的傳熱性能和換熱效率。

(3)芯體板片在真空擴散焊爐里成型，如何檢測焊接質量和可靠度，目前主要通過摸索穩定的擴散焊接工藝和先焊接試驗工件來進行驗證，后續很有必要再建立一套檢測和評價體系。

(4)印刷電路板式換熱器本身就是為適用高溫高壓條件而生，因而在芯體成型之后，需要將厚度很大的封頭(箱體)與芯體進行焊接封裝，對大厚度焊接殘余應力與焊縫質量的檢測也值得持續探索。

國產PCHE的制造過程在以上每一個環節都有相應的檢測，但都不夠系統，目前主要的手段還是在設備建造完畢后、出廠交貨前按照技術文件要求和規范進行試驗，包括壓力試驗和氦檢漏試驗[11]，以驗證芯體的擴散焊接和芯體與形體、接管和法蘭的焊接質量及結構強度。其中壓力試驗又包括水壓和氣密性試驗，試驗壓力按照GB 150—2011 的要求進行；對于氦檢漏試驗，則需要按EJ/T 388—1989的要求進行。

5 結束語

印刷電路板式換熱器以其獨特的性能優勢，特別是耐高溫、耐高壓、換熱效率高、結構緊湊、體積小及質量輕等特點贏得了航天航空、軍用艦船和海洋油氣開采等領域的青睞。當前這些領域也對PCHE提出了明確的技術需求。而在民用領域可以預見的是，隨著海洋石油天然氣開采、碳排放控制、分布式能源系統推廣等工程項目的實施，PCHE在我國民用領域的應用需求將會迅速擴大。

雖然國內目前還沒有一個廠家能把PCHE獨立完整地研制出來，但是國內在該設備的上游(換熱芯體設計和傳熱計算)領域、中游(板片光化學蝕刻、真空擴散焊接)領域以及下游的集成建造與檢測評價方面，都有相應的公司擁有比較成熟的技術和經驗積累。相信在各專業公司的通力合作下，印刷電路板式換熱器一定會迎來全面的國產化。