一种基于风险设计的高压氢气PCHE换热器的制作方法

本发明属于换热器，具体是涉及一种基于风险设计的高压氢气pche换热器。

背景技术：

0、技术背景

1、微通道换热器(pche)是一种通过在薄板片上蚀刻换热通道，并通过扩散焊将板片焊合在一起所制成的换热器。这种换热器具有结构紧凑、换热效率高、耐高温、耐高压等优点，在lng浮式储存和再汽化领域，核电、火电等布雷顿循环发电领域，制氢、储氢和充氢等领域将会有广泛的应用。

2、应用于加氢站充氢过程的高压氢气pche换热器最高操作压力可达到90mpa，并伴有频繁的压力波动，使得该场景下的pche换热器存在疲劳破坏的可能性。但目前用于制造这类换热器的钢板材料及扩散焊接头在90mpa以上氢气环境中的适用性以及在90mpa以上氢气环境中的疲劳性能均处于研究阶段，缺少安全保障。此外，加工、制造过程中的缺陷也可能会对此类换热器在使用过程中的安全性产生影响。

3、因此，针对高压氢气pche换热器的使用安全性提出一种新的结构设计，从而能在pche换热器发生泄漏或爆破前进行预警，是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题，提供一种基于风险设计的高压氢气pche换热器。

2、本发明采用了以下技术方案：

3、一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，包括自上而下依次布置的上端板、换热芯体和下端板，所述换热芯体由高压氢侧板片和低压氢侧板片交替堆叠而成，高压氢侧板片和低压氢侧板片的中心设置为流道区域，所述换热芯体在流道区域的任意相对两侧布置高压氢侧管箱，并在另一相对两侧布置低压氢侧管箱；

4、所述高压氢侧板片上的流道区域内布置高压流道，低压氢侧板片上的流道区域内布置低压流道，所述高压氢侧管箱与高压流道连通，所述低压氢侧管箱与低压流道连通；

5、所述高压流道呈几字型紧密排列，所述高压氢侧板片和低压氢侧板片在流道区域的两侧相同位置布置缓冲流道，所述缓冲流道垂直于高压流道几字型排列产生的转弯间隙；各换热板片的缓冲流道叠合形成缓冲槽，所述缓冲槽还通过释放通道连接每个所述高压氢侧板片的高压流道区域，并与所述高压流道保持隔断；所述缓冲槽的顶端和底端分别由所述上端板和下端板封闭。

6、优选的，所述缓冲槽与每个所述高压氢侧板片的高压流道区域之间设置有释放通道，所述释放通道的进口布置在所述高压流道几字型排列产生的转弯间隙中。

7、优选的，所述换热芯体与上端板和下端板连接的一侧，均设置为低压氢侧板片。

8、优选的，所述高压氢侧管箱包括高压进口管箱和高压出口管箱，高压进口管箱连通所述高压流道的进口端，高压出口管箱连通所述高压流道的出口端。

9、优选的，所述低压氢侧管箱包括低压进口管箱和低压出口管箱，低压进口管箱连通所述低压流道的进口端，低压出口管箱连通所述低压流道的出口端，所述低压氢侧管箱和高压氢侧管箱的设置位置相避让。

10、优选的，所述上端板开设与所述高压进口管箱连通的流体进口、与高压出口管箱连通的流体出口，所述下端板用于封闭所述高压进口管箱和高压出口管箱的底端。

11、优选的，所述释放通道的截面呈半圆形、矩形、三角形、半椭圆形中的任意一种。

12、优选的，记相邻高压流道的中轴线之间的距离为s1，记缓冲槽与其最靠近的流道区域间的距离为s2，则s2满足s2≥0.5s1。

13、优选的，记相邻高压流道的流道肋宽度为a，所述缓冲流道与两侧高压流道之间的垂直距离分别为b1和b2，则b1＝b2，且b1+b2＞a。

14、优选的，所述缓冲槽还连接设置在pche换热器外壁上的检漏接口。

15、优选的，所述检漏接口上还设置氢气泄漏报警装置。

16、本发明的有益效果在于：

17、1)在充分考虑风险的基础上对构成高压氢气pche换热器的高压氢侧板片结构、低压侧板片结构形式进行特殊设计，并将高压氢侧板片、低压氢侧板片及端板结构进行合理的排列组合，获得一种在高压氢气介质环境下安全运行的pche换热器。

18、高压氢侧板片、低压侧板片结构设置缓冲槽，避免了高压氢侧流道区域、低压侧流道区域外侧材料与高压氢气的直接接触，在一定程度上减小了高压氢侧流道区域、低压侧流道区域外侧材料被高压氢气劣化的可能性。

19、2)该pche换热器具有与高压氢侧流道区域连接的释放通道和缓冲槽，换热器高压氢侧板片在使用过程中因制造换热器的材料在高压氢下发生劣化而发生断裂或因循环压力载荷引起疲劳断裂抑或因制造缺陷引起破坏时，泄漏的氢气通过释放通道流入缓冲槽，缓冲槽在高压下发生可控鼓凸，换热器外壁能直接观察到该鼓凸，从而起到检漏与预警的作用。

20、高压氢气进入通过释放通道流入缓冲槽中，还能在一定程度上降低换热器内部的压力，降低爆破性。

21、3)该pche换热器的上下端板与低压侧板片直接接触，从而避免了与高压氢侧板片流道内高压氢气的直接接触，在一定程度上减小了端板材料被高压氢气劣化的可能性。

技术特征：

1.一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，包括自上而下依次布置的上端板(11)、换热芯体(12)和下端板(13)，所述换热芯体(12)由高压氢侧板片(20)和低压氢侧板片(30)交替堆叠而成，高压氢侧板片(20)和低压氢侧板片(30)的中心设置为流道区域，所述换热芯体(12)在流道区域的任意相对两侧布置高压氢侧管箱(21)，并在另一相对两侧布置低压氢侧管箱(31)，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述缓冲槽(40)与每个所述高压氢侧板片(20)的高压流道(22)区域之间设置有释放通道(41)，所述释放通道(41)布置在所述高压流道(22)几字型排列产生的转弯间隙中。

3.如权利要求1所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述换热芯体(12)与上端板(11)和下端板(13)连接的一侧，均设置为低压氢侧板片(30)。

4.如权利要求1所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述高压氢侧管箱(21)包括高压进口管箱和高压出口管箱，高压进口管箱连通所述高压流道(22)的进口端，高压出口管箱连通所述高压流道(22)的出口端。

5.如权利要求4所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述低压氢侧管箱(31)包括低压进口管箱和低压出口管箱，低压进口管箱连通所述低压流道(32)的进口端，低压出口管箱连通所述低压流道(32)的出口端，所述低压氢侧管箱(31)和高压氢侧管箱(21)的设置位置相避让。

6.如权利要求5所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述上端板(11)开设与所述高压进口管箱连通的流体进口、与高压出口管箱连通的流体出口，所述下端板(13)用于封闭所述高压进口管箱和高压出口管箱的底端。

7.如权利要求2所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，记相邻高压流道(22)的中轴线之间的距离为s1，记缓冲槽(40)与其最靠近的流道区域间的距离为s2，则s2满足s2≥0.5s1。

8.如权利要求2所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，记相邻高压流道(22)的流道肋宽度为a，所述释放通道(41)与两侧高压流道(22)之间的垂直距离分别为b1和b2，则b1＝b2，且b1+b2＞a。

9.如权利要求1所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述缓冲槽(40)还连接设置在pche换热器外壁上的检漏接口(42)。

10.如权利要求9所述的一种基于风险设计的高压氢气pche换热器，其特征在于，所述检漏接口(42)上还设置氢气泄漏报警装置。

技术总结
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种基于风险设计的高压氢气PCHE换热器。换热器的换热芯体由高压氢侧板片和低压氢侧板片交替堆叠而成，高压氢侧板片上的流道区域内布置高压流道，高压流道呈几字型紧密排列，高压氢侧板片和低压氢侧板片在流道区域的两侧相同位置布置缓冲流道，缓冲流道垂直于高压流道几字型排列产生的转弯间隙，各换热板片的缓冲流道叠合形成缓冲槽，缓冲槽还通过释放通道连接每个高压氢侧板片的高压流道区域。换热器高压氢侧板片在使用过程中因疲劳断裂、冲刷等不可预见因素引起破坏时，泄漏的氢气通过释放通道流入缓冲槽，缓冲槽在高压下发生可控鼓凸，换热器外壁能直接观察到该鼓凸，从而起到检漏与预警的作用。

技术研发人员：陈永东,姚志燕,吴晓红,于改革,刘孝根,霍中雪
受保护的技术使用者：合肥通用机械研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14