Углубленный анализ основных технологий и процессов PCHE

1. Обзор

1.1 Техническое определение и микроскопические особенности

Печатный теплообменник (PCHE) представляет собой сдвиг парадигмы в технологии теплообмена от макроскопических структур к точному микромасштабному производству. В отличие от обычных кожухотрубных или пластинчатых теплообменников, в PCHE не используются пучки труб или резиновые прокладки для изоляции жидкости. Вместо этого он производится по принципам, аналогичным печатным платам (PCB) в электронной промышленности, с помощью двух основных процессов: фотохимического травления и вакуумной диффузионной сварки.

Конструктивно каналы для жидкости PCHE обычно имеют диаметр от 0,1 до 2,5 мм с шириной каналов от 0,2 до 5 мм. Такая конструкция каналов от микрона до миллиметра значительно увеличивает площадь теплопередачи на единицу объема: плотность поверхности теплопередачи достигает 2500 м²/м³, в то время как в обычных кожухотрубных теплообменниках она достигает лишь около 100 м²/м³.

Такое 25-кратное улучшение компактности позволяет PCHE обеспечивать ту же мощность теплопередачи, занимая всего от 1/4 до 1/6 объема кожухотрубного агрегата, при этом значительно снижая вес.

1.2 Историческая эволюция

Концептуальный прототип технологии PCHE появился в начале 1980-х годов в Сиднейском университете в Австралии. Исследователи стремились решить внутреннее противоречие между коэффициентом теплопередачи и способностью выдерживать давление в обычных теплообменниках, предлагая химическое травление металлических пластин для изготовления каналов для жидкости. В 1985 году в Австралии была основана компания Heatric, что ознаменовало официальную коммерциализацию технологии.

Хотя он впервые был применен в промышленном холодильном оборудовании, его компактные характеристики и устойчивость к высокому давлению были быстро приняты в морской промышленности. На морских платформах премиум-класса каждая тонна веса, сэкономленная с помощью PCHE, приводит к существенному сокращению капитальных затрат (CAPEX). В 1990 году Meggitt PLC приобрела Hetric и перенесла производство в Пул, Великобритания.

Благодаря капиталу и техническим ресурсам Meggitt технология PCHE быстро стала стандартной конфигурацией для морской переработки природного газа и значительно подняла технический порог отрасли.

1.3 Глобальный рыночный ландшафт

Долгое время мировой рынок PCHE имел олигополистическую структуру. Помимо Heatric, большую часть рынка заняли небольшое количество компаний, таких как Alfa Laval в Швеции, Vacuum Process Engineering (VPE) в США и Kelvion.

2. Основные производственные процессы и принципы механического проектирования

Производство PCHE сочетает субтрактивное производство, а именно травление, с твердотельным соединением, а именно диффузионной сваркой. В этом разделе описываются эти два основных процесса и связанные с ними принципы механического проектирования.

2.1 Фотохимическое травление (PCE): изготовление микроскопических каналов потока

Изготовление каналов потока PCHE с помощью этого процесса создает незначительное механическое напряжение и отсутствие зоны термического влияния (ЗТВ), что является ключевым отличием от штамповки или механической обработки.

Процесс заключается в следующем: во-первых, система автоматизированного проектирования (САПР) используется для рисования каналов сложной геометрии, таких как зигзагообразные, змеевидные или синусоидальные узоры. Затем светочувствительный фоторезист наносится на металлические пластины, такие как нержавеющая сталь 316L, дуплексная сталь 2205 или сплавы на основе никеля. После экспонирования и проявления рисунок каналов потока переносится на поверхность пластины. Наконец, незащищенные участки оголенного металла подвергаются химическому травлению, образуя каналы полукруглого или полуэллиптического сечения.

Преимущества дизайна

Химическое травление удаляет материал как в глубину, так и в поперечном направлении, создавая округлые, почти полукруглые поперечные сечения каналов, которые уменьшают концентрацию напряжений и улучшают устойчивость к сверхвысокому давлению. Процесс травления также не ограничивается сложностью канала потока. Инженеры могут проектировать зигзагообразные каналы с высокими числами Нуссельта для усиления турбулентности, разрушения пограничного слоя и усиления конвективной теплопередачи даже при низких числах Рейнольдса.

2.2 Вакуумно-диффузионная сварка: соединение твердого тела на атомном уровне

Диффузионная сварка — это основной процесс, обеспечивающий устойчивость PCHE к высоким давлениям и экстремальным температурам, и это фундаментальное отличие от паяных пластинчатых теплообменников.

Механизм и процесс

Травленые пластины укладываются поочередно в соответствии с путями горячей и холодной технологической жидкости, а затем помещаются в вакуумную печь. При высокой температуре ниже точки плавления основного материала и высоком механическом давлении атомы на контактных поверхностях пластин получают достаточно энергии для миграции и диффундирования через границы зерен. Процесс обычно включает четыре стадии: поверхностный микроконтакт, миграция границ зерен, устранение пор за счет объемной диффузии и полное металлургическое соединение.

Технические преимущества

• Сохранение прочности основного металла: диффузионная сварка не требует промежуточного припоя и не требует плавления. Таким образом, микроструктура на линии склеивания по существу такая же, как и у основного материала. PCHE по сути представляет собой сплошной блок, и его способность выдерживать давление зависит только от толщины связок проточного канала и боковых стенок, а не от ограничений прочности линий соединения.
• Конструкция без прокладок: в этой конструкции полностью исключены резиновые прокладки, самое слабое звено в обычных теплообменниках, что позволяет PCHE выдерживать температуру от -196°C до 850°C без риска утечек, вызванного старением прокладок.

2.3 Определение механической конструкции

В механической конструкции PCHE несколько ключевых геометрических параметров напрямую определяют способность выдерживать давление и эффективность теплопередачи:

• Канальные связки: непротравленные области между соседними проточными каналами, служащие основными несущими ребрами. Их ширина должна определяться методом конечных элементов (FEA) в соответствии с расчетным давлением.
• Остаточная толщина пластины: толщина металла, остающаяся после травления канала потока, которая напрямую определяет расстояние теплопроводности между горячими и холодными жидкостями. Микроканальная конструкция PCHE обеспечивает чрезвычайно тонкую остаточную толщину стенок, сводя к минимуму термическое сопротивление.
• Концы и поля блока: непротравленные области по краям пластины, предназначенные для приварных коллекторов и боковых пластин. Должна быть зарезервирована достаточная ширина для обеспечения достаточной прочности сварки.

3. История развития PCHE

• Начальный этап (2014–2016 гг.): Китайская государственная судостроительная корпорация (CSSC) руководила научно-исследовательскими работами PCHE. В 2016 году компания успешно разработала первый отечественный прототип, проверив возможность отечественных процессов травления и диффузионной сварки.
• Этап инженерного применения (2017–2020 гг.): Внутренний PCHE перешел от лабораторной проверки к практическому применению, первоначально развернутому в энергосистемах с циклом Брайтона и других высокотехнологичных областях.
• Фаза коммерческого расширения (с 2020 г. по настоящее время): компании, представленные Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd., продолжают технические итерации и обновления, постепенно расширяя параметры продукции до сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры.

4. Анализ применения в ключевых промышленных сценариях

4.1 Водородная энергетика

Водород обладает экстремальными физическими свойствами: его очень трудно сжимать и он имеет чрезвычайно низкую температуру сжижения. Эти характеристики создают двойную проблему при проектировании и эксплуатации теплообменников.

Системы предварительного охлаждения водородной заправочной станции

Чтобы соответствовать стандарту быстрой заправки под высоким давлением 70 MPa, теплообменники должны выдерживать расчетное давление 100 MPa, адаптируясь к частым циклическим изменениям давления. Традиционные паяные пластинчатые теплообменники очень склонны к растрескиванию и выходу из строя под воздействием циклических нагрузок давления. Продукты PCHE, представленные компанией Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd., имеют класс прочности до 100 MPa, а их полностью диффузионно-связанная структура обеспечивает отличную усталостную прочность, что делает их подходящими для таких сложных условий.

Цепочка поставок жидкого водорода

В испарителях жидкого водорода PCHE должен выдерживать сверхнизкие криогенные температуры. Диффузионно-связанная структура исключает риск протечки прокладки, что делает его одним из немногих компактных устройств, способных стабильно работать в этом температурном диапазоне.

4.2 Передовые энергетические системы

Производство электроэнергии на основе сверхкритического диоксида углерода (sCO2) считается основной технологией для получения тепловой энергии нового поколения и концентрированной солнечной энергии. При тех же условиях высокотемпературного источника тепла его КПД на 3-5 процентных пунктов выше, чем у парового цикла Ренкина. Теплообменники в этом цикле работают в условиях высоких температур (500-700°С) и высокого давления (20-30 MPa). Диффузионно-связанные конструкции способны выдерживать прочность при высоком давлении выше 600°С.

Кроме того, конструкция микроканалов может эффективно справляться с резкими изменениями физических свойств сверхкритических жидкостей вблизи псевдокритической точки.

4.3 Ядерная энергетика

В ядерных реакторах поколения IV, таких как высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (HTGR), и термоядерных реакторах, таких как ITER/CFETR, PCHE используется в качестве промежуточного теплообменника (IHX) для систем охлаждения. Микроканал PCHE был широко изучен и считается кандидатом для использования IHX в системах преобразования энергии, связанных с CFETR, и контурах теплогидравлической проверки. Интерфейс соединения на атомном уровне, образованный путем диффузионной сварки, обладает превосходными герметизирующими свойствами для низкомолекулярных газов, таких как гелий, и соответствует строгим стандартам безопасности ядерного уровня.

5. Заключение и перспективы

PCHE представляет собой прорыв в технологии производства теплового оборудования. За счет объединения фотохимического травления и вакуумной диффузионной сварки достигается точный контроль потока жидкости и теплопередачи на микроскопическом уровне, в то время как макроскопическая структура сохраняет механическую прочность, сравнимую с базовым материалом.

Китайские компании, представленные Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd., разработали производственные мощности для 100 продуктов MPa, работающих при сверхвысоком давлении и сверхвысоких температурах 850°C, а также добились крупномасштабного инженерного применения в системах с циклом Брайтона, связанных с природным газом, водородной энергетикой и сверхкритическим диоксидом углерода. Еще есть возможности для улучшения сверхкомпактной конструкции, оптимизации снижения веса, а также технологии предотвращения блокировки и технического обслуживания.

Благодаря продолжающимся прорывам в области материаловедения, таким как жаропрочные сплавы на основе никеля, и оптимизации каналов потока, PCHE будет играть незаменимую основополагающую роль в переходе глобальной энергетической системы к низкоуглеродистому направлению.