氣液兩相流對板式換熱器影響的模擬研究*

張仲彬 劉樂宜 王丙林 徐志明

(東北電力大學能源與動力工程學院)

板式換熱器(PHE)由于具有傳熱效率高、易維護及有效利用低溫能源等特點，多年來被廣泛應用于各個領域。板式換熱器大多應用在液液流動中，隨著研究領域的拓展，在現代許多行業的生產設備中都涉及到氣液兩相流動，所以近些年對于氣液兩相流動的研究逐漸增多。

兩相流各參數的在線實時測量與控制是生產穩定的重要保證[1]。近幾年對兩相流在微通道中的研究取得了一些成果[2,3]，趙楠用數值方法對垂直入口型微通道中的氣液兩相流進行了研究[4]，闡述了氣泡、氣塞的生成原因和過程。Masuo Kaji等研究了微通道中的氣液兩相流，發現流體流動方向、管道材料和加熱條件對流動時的摩擦壓降影響不大，并且空隙率隨著管子直徑的減小而減小[5]。但由于板式換熱器中的流動比較復雜，所以關于板式換熱器中兩相流研究的文獻還不是很多。Shiomi Y等研究了混合波紋角人字形板通道中的氣液兩相流動，發現在水平流動時可觀察到層流和擴散流，并且在水平流動中兩相流型和壓降受上板片波紋角的影響很大[6]。Nilpueng K和Wongwises S對單流道板式換熱器中氣水兩相流進行了研究，發現在逆流垂直向上和向下流動中氣水速度對兩相壓降有很大影響，但兩相的流型對壓力損失影響不大[7]。Vlasogiannis P等對板式換熱器中氣液兩相流流動形式和傳熱系數進行了研究，發現當流道中為帶有連續氣相的流動或以溪流形式流動時對傳熱特性的改善很有幫助[8]。

為了充分利用板式換熱器熱損失小、阻力損失小等優點，對氣液兩相流條件下板式換熱器性能的研究是必要的。因此，筆者用數值模擬方法對板式換熱器中氣液兩相流的流動換熱和氣體在流道中的分布進行了研究，找出適合換熱、減小壓降的最佳參數，為換熱器的經濟運行提供依據。

1 換熱器的數值計算模型

1.1 物理模型

圖1為換熱器板片計算物理模型，在圖1中：冷熱流體單邊逆向流動，熱流體從上側流道A端口流進，B端口流出；氣液兩相冷流體從下側流道C端口流進，D端口流出。筆者所用的人字形板式換熱器的板片材料為304不銹鋼，板片參數如下：

外形尺寸 258mm×100mm

試件流程 (1×5)/(1×6)

板間距 2mm

波紋角度 120°

單片有效面積 0.015m2

試件傳熱面積 0.150m2

當量直徑 4mm

波紋深度 2mm

試件片數 12

板片厚度 0.6mm

角孔直徑 20mm

波紋法向節距 6mm

單流道截面積 166mm2

圖1 板片計算物理模型

1.2 相關假設

由于研究流道內溫差較小，采用標準RNGk-ε模型對流道內的流動、換熱進行模擬，作如下假設：

a. 熱流體和兩相冷流體都設為不可壓縮的牛頓流體；

b. 忽略動量方程中體積力的影響；

c. 不考慮重力和浮升力產生的影響；

d. 不考慮流體流動過程中由于粘性耗散產生的熱效應；

e.流體的進口速度和溫度已知，為模擬需要，計算了進口壓力和出口溫度。

1.3 數學模型

用Fluent數值計算軟件，將氣相和液相視為連續相，選用歐拉-歐拉雙流體模型描述氣、液兩相流之間的相互作用。其控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中i、j、k——矢量在x、y、z3個方向上的分量；

uα——介質速度，m/s；

α——代表相態(氣相、液相)；

ρα——介質密度，kg/m3；

τα——粘性剪切力，kg/(m·s2)；

φα——體積分數，%。

雙流體模型通過動量傳遞系數λα，β來確定相間的動量傳遞，氣、液兩相間相互作用力ψα為：

ψα=∑λα,β(uβ-uα)λα,β=λβ,α≥0

(4)

RNGk-ε模型：

(5)

(6)

式中k——湍動能，是漩渦強度波動變化率，m2/s2；

ε——湍流擴散率，m2/s2。

1.4 邊界條件

進口邊界設為速度入口，出口邊界設為壓力出口。外部各邊界設為無滑移速度邊界條件，中間板片設為換熱面，其余各面均為絕熱邊界，板片壁面材料的參數為：比熱容c=644J/(kg·K)，密度ρ=7600kg/m3，導熱系數K=644 W/(m·K)。用Pro/e三維軟件構建基本物理模型，然后利用Gambit軟件，用非結構網格單元對模型進行網格劃分。換熱器內部流道十分復雜，采用不同的網格步長對不同區域進行劃分，然后對網格加密。當主波紋區的網格步長為0.5mm時，平均Nu不發生太大的波動，這時網格密度已經滿足模擬精度要求，模型的精度和網格的無關性已在文獻[9]中得到驗證，模型網格劃分如圖2所示。

圖2 劃分網格后的計算模型

2 數值模擬結果與分析

筆者對板式換熱器中氣液兩相單邊流動的情況進行了數值模擬，氣液兩相流體從板片右下側流入，左下側流出。以等流速方法進行模擬，選取板間冷熱水流速為0.10、0.13、0.15、0.18m/s，空氣體積含氣率分別為0.10、0.08、0.06、0.04、0.02的工況進行模擬研究。筆者主要以不同空氣含氣率下，冷熱水流速為0.10m/s的模擬結果為例進行說明。

2.1 不同含氣率下板間流道中氣相的分布

圖3為不同空氣體積含氣率時冷流道中平均氣體體積分數的大小分布情況，對比圖3a～e可以看出，氣體一般在板片接觸點處開始聚集，隨著氣體體積含氣率的增大，氣體在板間的分布逐漸增多，在進出口連線一側的氣體體積分數比另一側大，分布更均勻，氣體體積分數的最大值出現在板片接觸點附近，從而接觸點附近的湍動程度最大。

圖3 不同空氣體積含氣率時板間流道中氣體體積分數

2.2 不同含氣率下冷流道內速度場、壓力場和溫度場的分布

圖4為冷流道y=-0.5mm截面上單相和氣液兩相的速度大小分布圖，對比圖4a～f可以看出，流體在板間流動時，在板片邊緣和兩板片接觸點附近流速較慢，這是由于接觸點處氣體的阻力作用造成的，但流道中氣液兩相速度明顯大于單相速度。兩相流體剛進入主流區，由于流道截面積變小，又由于氣體的湍動作用，流速急劇增大的情況，并且流道中其他位置的流速都有明顯增大。由圖中還可看到，含氣率為0.02時流道內的速度整體較大，含氣率為0.08時流道內的速度稍小，其他含氣率時兩相流體在流道內各處的速度相差不大。

圖4 冷流道y=-0.5mm截面上單相和兩相流體速度分布

圖5為冷流道中單相和氣液兩相的壓力分布情況，由圖5可知，隨著流體在板間的流動，壓力逐漸降低，并且兩相的壓力梯度明顯大于單相，這是由于板間氣體對流體的擾動造成的阻力損失所致；對比圖5b～f可以看出，隨著含氣率的增大，兩相流體進出口的壓差逐漸減小，其中含氣率為0.02時進出口壓差最大，含氣率為0.10時進出口壓差較小。

圖5 冷流道中單相和兩相冷流道壓力分布

圖6為冷流道中單相和氣液兩相流動時的水溫分布圖，溫度的分布與速度和壓力的分布密切相關，結合圖4、5，速度較高、壓力梯度較大的位置，溫度梯度也相對較大。水的溫度沿著流動方向逐漸升高，這是由于水進入換熱器后，不斷與熱水通過板片進行換熱，左上端是高溫區，對流換熱量較大，所以沿寬度方向的溫度梯度較大，同時對比各圖可以看到，隨著含氣率的增大，右下側換熱死區位置的氣體增多，流體的流速比主流區的流速大，流體的湍動增強，低溫溫度區域明顯減小，說明在一定含氣率范圍內，隨著氣體含氣率的增大，可以使換熱死區的換熱得到明顯改善。

圖6 冷流道中單相和兩相流動時水的溫度分布

2.3 相關模擬結果

圖7、8為氣泡直徑1mm，空氣體積含氣率不同時，冷流道努塞爾數Nu和壓降Δp隨雷諾數的變化關系。由圖7可以看出，冷流道的努塞爾數Nu隨兩相流體雷諾數Re的增大而增大，但增大的趨勢逐漸減小，并且隨著空氣體積含氣率的增大，冷流道努塞爾數也隨之增大；由圖8可以看出，冷流道壓降隨兩相流體雷諾數Re的增大而增大，并且增大的趨勢越來越明顯，并且隨著空氣體積含氣率的增大，壓降隨之減小。因此從兩圖的結果可以得到，隨著空氣體積含氣率的增大，改善了冷熱流體的換熱狀況，降低了壓降損失，即增強了換熱器的換熱效果。

圖7 不同空氣體積含氣率時冷流道努塞爾數和雷諾數的關系

圖8 不同空氣體積含氣率時冷流道壓降和雷諾數的關系

3 結束語

筆者對人字形板式換熱器中氣液兩相流的溫度場、壓力場、速度場以及氣體的分布進行了數值模擬，通過分析可知：不同空氣體積含氣率的氣液兩相流在板式換熱器中流動時，冷流道的壓降和努賽爾數均隨著雷諾數的增大而增大，并且隨著空氣體積含氣率的增大，換熱效果增強；在進出口連線一側的氣體體積分數比另一側大，并且隨著含氣率增大，流道內的氣體分布趨于均勻，換熱死區位置的氣體增多，增強了該處流體的擾動，使換熱死區的換熱特性得到了明顯改善。

[1] 王志春,張文景,李文濤.基于ANSYS的一種氣液兩相流流量測量傳感器的仿真研究[J].化工自動化及儀表,2011,38(1):48～51.

[2] 李英，陳光文，袁權.微通道內液-液兩相流研究進展[J].化工進展，2013，32(8)：1743～1748.

[3] 付濤濤.微通道內氣液兩相流及氣泡行為研究[D].天津：天津大學，2009.

[4] 趙楠.垂直入口微通道內氣液兩相流模擬研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[5] Masuo Kaji，Toru Sawai，Yosuke Kagi，et al.Heat Transfer and Fluid Dynamics of Air-Water Two-phase Flow in Micro-channels[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(4)：446～453.

[6] Shiomi Y， Nakamishi S， Uehara T.Characteristics of Two-phase Flow in a Channel Formed by Chevron Type Plates[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2004，28(2/3)：231～235.

[7] Nilpueng K，Wongwises S.Two-phase Gas-Liquid Flow Characteristics Inside a Plate Heat Exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8)：1217～1229.

[8] Vlasogiannis P， Karagiannis G， Argyropoulos P，et al.Air-Water two-Phase Flow and Heat Transfer in Plate Heat Exchanger[J].International Journal of Multiphase Flow，2002，28(5)：757～772.

[9] 徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數值模擬[J].動力工程學報，2011，31(3)：198～202.