板式換熱器中兩相流特性研究綜述

董曉強(qiáng) 莫 巖

（元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司 運(yùn)行分公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070）

0 引言

換熱器是用來將熱流體的熱量傳給冷流體，可以完成不同品質(zhì)熱量的轉(zhuǎn)換，具有新型、高效、緊湊的特點(diǎn)。而能源的利用消耗與換熱問題密切相關(guān)，例如電廠中給水的加熱、再熱、過熱，供暖和制冷設(shè)備中工質(zhì)的加熱與冷卻等。因而倍受現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的重視，對板式換熱器的研究對于節(jié)能環(huán)保就有重要意義。

兩種或兩種以上相態(tài)物質(zhì)的流動稱為兩相流或多相流[1]，兩相之間存在一個相界面，流動的變化會使相界面發(fā)生變化或變形，使氣液兩相的流動和傳熱機(jī)理發(fā)生改變，從而使流動阻力和傳熱量發(fā)生變化[2]。本文總結(jié)了近些年板式換熱器中氣液兩相流的流動換熱研究方法，并對板式換熱器的研究方向提出了建議。

1 板式換熱器的簡介

目前使用比較普遍的是可拆卸式板式換熱器（如圖1），它主要由波紋金屬板片、密封墊圈和壓緊裝置三部分組成[3]。

圖1 可拆卸式板式換熱器結(jié)構(gòu)圖

波紋板片是換熱器工作的主要部分，其厚度一般在0.6mm～0.8mm 之間，在對板片設(shè)計(jì)時主要考慮以下因素：第一，要能夠保證流體在較小的流速時仍發(fā)生強(qiáng)烈的湍流；第二，要具有足夠的承壓能力，能夠盡量滿足在不同場合能夠安全工作。板片的材料主要有黃銅、不銹鋼以及一些稀有金屬的合金材料，在使用中會根據(jù)流動介質(zhì)的不同，選擇一種經(jīng)濟(jì)適用的材料。生產(chǎn)制造時，用特定的磨具壓制成不同波紋夾角、波紋高度、波紋節(jié)距以及換熱面積大小不相等、形狀各異的波紋板片，并在板片的四角處分別開有的相同大小角孔作為換熱介質(zhì)的流入流出通道。

密封墊圈是板式換熱器中最為重要并且要求最為苛刻的零件，它的作用是對換熱器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行密封，防止介質(zhì)發(fā)生泄漏，并且它還承擔(dān)著分離冷熱介質(zhì)，防止它們相互混合的作用。密封墊圈的密封周邊較長，一個面積僅為0.5m2的波紋板片，密封墊圈長度就可達(dá)4.5m。因此板式換熱器發(fā)生故障時，問題大部分出現(xiàn)在密封墊圈上，例如脫落，斷裂等，因此對密封墊圈有著特殊的要求。我國目前常用的密封墊圈材料有橡膠和石棉纖維板等。

壓緊裝置主要包括壓緊板和壓緊螺栓，它們與其它一些部件（如接管、軸等）起到固定和保證板式換熱器安全運(yùn)行的作用。

板式換熱器傳熱高效、對數(shù)平均溫差大、結(jié)構(gòu)簡單輕巧、換熱面積和流程組合容易改變、重量輕、價格低、制作方便、安裝清洗簡單、不易結(jié)垢、使用壽命長、換熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。但是有較大的壓力損失，工作壓力較小，工質(zhì)溫度較低，容量不大，還有可能發(fā)生堵塞等。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者對兩相流的研究很多，研究的方法分為數(shù)值仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究兩大類。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)是研究氣液兩相流的主要方法，通過氣液兩相流動實(shí)驗(yàn)來得到流體流動變化的各種工況條件，再由此歸納出兩相流動的形式以及變化規(guī)律。目前，各大板式換熱器廠商主要是通過實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法來對換熱器進(jìn)行研究[4]。Shiomi 等[5]以30-30°、30-60°、60-30°、60-60°四種不同波紋角的板片組合為研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了人字形板通道中的單相和氣液兩相流動情況，發(fā)現(xiàn)在水平流動時可觀察到層流和擴(kuò)散流，在垂直流動時只能觀察到擴(kuò)散流，并且在水平流動時上板片波紋角對兩相流型和壓降影響很大。Kitti Nilpueng[6]將氣水混合物作為冷流體在單流道板式換熱器中逆流垂直向上和向下流動，發(fā)現(xiàn)在向上和向下流動都出現(xiàn)了環(huán)狀液橋流，但泡狀流和彈狀流分別只出現(xiàn)在向上和向下流動中；氣水的速度對兩相壓降有很大影響，但流型對壓降幾乎沒有影響。Nilpueng 和Wongwises[7]實(shí)驗(yàn)研究了在正弦波紋通道中進(jìn)行單相和氣水兩相向上流動時的流型和壓降，發(fā)現(xiàn)循環(huán)氣泡總是出現(xiàn)在波紋槽道中，當(dāng)相的移動增大時，循環(huán)也增大。Vlasgoinansi[8]將水（不含氣）和氣水混合物兩種介質(zhì)以相同的流速分別通過換熱器通道，利用高速攝像機(jī)觀察流體通道內(nèi)的流動情況，發(fā)現(xiàn)氣水混合介質(zhì)的傳熱系數(shù)要高于單純以水做介質(zhì)時的傳熱系數(shù)。他還特別強(qiáng)調(diào)當(dāng)流速小于0.025m/s 時，換熱效果最好，此時整個流道充滿氣體，流體在流道底層做溪狀流動。

2.2 數(shù)值仿真研究

氣液兩相流在板式換熱器中流動時，由于增加了流動變量，并且氣液兩相的相對速度、氣相的體積分?jǐn)?shù)等物性參數(shù)有很大的隨機(jī)性，所以流動換熱情況很復(fù)雜，有很大的隨機(jī)性[9-10]。許多學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有的氣液兩相流理論，將研究方法分為兩類：（1）歐拉-拉格朗日模型，它把液相作為連續(xù)相，把氣相作為離散相，適用于對顆粒動力學(xué)、顆粒軌道模型等問題的研究；（2）把氣液兩相都看做連續(xù)相，在空間上有連續(xù)的速度、溫度分布。依據(jù)不同的物理模型建立了不同的湍流模型[11]。連續(xù)介質(zhì)模型是把顆粒相看做是和流體相互滲透的一種連續(xù)介質(zhì)，流體和顆粒同時充滿流場，并且可以通過連續(xù)介質(zhì)理論來研究顆粒相的運(yùn)動，采用歐拉-歐拉模型來對兩相運(yùn)動進(jìn)行處理，所以可以稱之為歐拉方法。對于不同的連續(xù)介質(zhì)，每一相都有獨(dú)立的質(zhì)量、動量、能量守恒方程，這些方程通過相間作用來進(jìn)行耦合，但是方程的封閉比較難[12]

3 建議

（1）對板式換熱器中的兩相流動進(jìn)行初步模擬，并將模擬計(jì)算結(jié)果與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。通過改變氣液兩相流的流動進(jìn)口組分和參數(shù)，用CFD 模擬出其流動特性和在流道間分布情況。

（2）CFD 中物理模型不能反映工業(yè)生產(chǎn)中板式換熱器的實(shí)際情況，尤其是流體在各流道中分配不均所引起的流動與換熱的變化。希望隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，能夠得到解決。

（3）由于板式換熱器波紋通道的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步尋求高質(zhì)量的網(wǎng)格，來提高計(jì)算精度。

（4）由于流型的變化對兩相流體的流動換熱有較大影響，對于氣液兩相在板間流動時流型變化的模擬還沒有進(jìn)行，尚待研究。

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