板翅式換熱器的分液優化研究現狀

喻志祥 俞大有 廖智強 周晉*

1 湖南大學土木工程學院

2 中民筑友智能裝備科技有限公司

由于板翅式換熱器內部流體分配不均勻性導致換熱效率降低和設備使用壽命縮減已經成為制約板翅式換熱器發展的一大瓶頸，為此國內外學者進行了多方面的探索研究，可歸納為以下幾個方面：研究入口截面溫度對分液不均勻性的影響。研究單、多相流對分液均勻性的影響。研究流動狀態對分液均勻性的影響。通過建立數學模型來評估板翅式換熱器分液不均勻性或性能惡化程度。利用數值仿真技術結合實驗對封頭和分配器等結構進行優化，利用智能算法對冷熱通道進行最優化布置等。其中國外的研究開始時間較早，對理論的探索研究比較深入，提出了許多的數學模型，同時也研究了影響換熱器分液不均的各種因素。而國內的研究近5 年來都是比較多的，主要針對換熱器的結構優化和數值仿真做了許多的深入研究，對于通道優化布置，由于智能算法的迅速發，也逐漸應用在了換熱器通道布置的最優化問題上。本文基于國內外對板翅式換熱器中流體分配均勻性的研究成果，總結了影響板翅式換熱器分液不均的因素，板翅式換熱器封頭和分配器的結構優化和通道布置優化現狀以及CFD 數值仿真技術在該問題上的應用。在此基礎上，提出了目前研究未涉及的方面及未來的研究方向。

1 分液不均的影響因素

影響板翅式換熱器性能的重要因素是入口截面溫度的不均勻性。流體有可能以不同的溫度進入換熱器，當流體在進入管道前溫度差異較大，就可能會發生性能惡化。Gao[1]研究了三種不同類型的流體入口溫度不均勻性的情況，發現非均勻入口溫度對換熱器的穩態和瞬態性能均有顯著影響。結果表明：穩態非均勻入口溫度不僅影響換熱器的穩態性能，而且影響換熱器的瞬態性能，而穩態非均勻入口溫度只影響換熱器的穩態性能。

此外，影響換熱器分液不均的原因還有很多，制造公差、流體的性質、流動方式等均會影響到流體分配特性，Mueller 和Chiou[2]等人將其歸結為以下幾個方面：首先，由于集管或入口管道的設計不佳導致流體分布不均勻。其次，在操作過程中流體性質的變化，例如粘度，密度或發生相變。而且相比于單相流，多相流更難以均勻分布。此外換熱器內結垢或腐蝕同樣也會導致此問題。

在換熱器設計過程中應盡量避免出現層流或者過渡流，從強化傳熱的角度來看是為了提高換熱器的換熱性能，此外還有一個原因就是不均勻分布對傳熱的影響也取決于流體流動狀態是湍流還是層流。Mueller 和Ranganayakulu 等人[3-4]研究了流動狀態對換熱器熱工性能的影響，結果發現在湍流和高雷諾數的情況下，換熱器的性能未受到較大的影響。在層流狀態下，更容易出現分布不均勻且性能下降十分嚴重，對此需要在設計時考慮足夠的壓降來防止分布不均勻造成的性能惡化，或者采用多通道來減少分布不均勻的影響。

除此之外，流體是單相流還是多相流同樣會影響到分布情況，文獻[5-7]研究結果表明只有單相流動的熱交換器通常不會因為流量分布不均而導致熱工性能顯著下降，然而涉及相變或多相流動的熱交換器出現流動不均勻以及由此導致的熱性能和機械性能惡化的可能性卻是最大的。在許多情況下，流動不均勻通常發生在局部區域，造成的局部影響比總換熱系數的惡化更為嚴重。因為在有腐蝕、磨損、污垢、材料疲勞的局部區域可能會縮短設備的使用壽命或增加設備維護費用。

除了上述影響因素外，Shah[8]研究了流動分布不均勻對傳熱的影響，發現流動分布不均勻是由進氣道的速度分布引起的。Tereda[9]等人測量了不同位置的進氣口和出氣口內的壓力，分析了板式換熱器內的流量和壓力分布。測量結果表明，流量分布的不均勻性隨流量的增大而增大，隨端口直徑的增大而減小。Camilleri[10]等人發現，管頭面積比是控制緊湊多通道并聯換熱器中不均勻分布的一個重要參數。隨著面積比的增大，流場分布不均勻性變得更加明顯，對雷諾數的增大和平行管道長度的減小更加敏感。表1 列出了板翅式換熱器分液不均的影響因素。

表1 板翅式換熱器分液不均的影響因素

2 分液不均的數學模型

在熱交換器中，由于傳熱的發生，流體和換熱器內部都存在著較大的溫度梯度。大多數換熱器的傳熱和壓降計算中，通常都假定換熱器內部的進口流量分布是均勻的，但是由于各種原因，這些假設在實際操作條件下往往是不現實的，通過建立數學模型來預測流動分布可以更好的幫助設計人員進行換熱器設計。

Ranganayakulu[11]對橫流板翅式換熱器進行了分析，考慮了通過換熱器壁的二維縱向熱傳導和不均勻的入口流體流動和溫度分布的綜合影響，使用有限元法進行分析，考慮到流體流動的可能偏差，開發了二維數學模型，得出了不同類型的流體流動、溫度分布不均模型。結果表明，入口氣流的不均勻分布對熱工性能有較大的影響，總換熱率惡化程度最大可下降12.45%。

Raul[12]等人對一種板式翅片換熱器進行了三維數值分析，研究了換熱器入口封頭結構中流體流動不均勻對換熱器性能的影響。提出了流動不均勻性參數Sg和速度比θ 用于評估流動不均勻程度。

Ismail[13]對進口氣流分布不均勻和翅片幾何形狀對熱工性能的影響進行了數值分析，得到了在已知進口集箱和翅片結構下，科爾本系數j，風扇摩擦系數f與雷諾數Re 之間的相關方程，并進行了驗證。

Chin[14-15]定量研究了進口流量不均勻統計矩(均值，標準差，偏態和峰度)對板翅換熱性能和水力性能的退化影響，發現均值和標準差對性能退化影響最大。

Mao[16]建立了氣流作用下多百葉翅片交叉流冷凝器的驗證模型分析了入口流量分布不均勻對傳熱速率和壓降的影響。

Ossetti[17]提出了翅片管式換熱器的熱流體動力學模型，研究了全通道模型中溫度，傳熱系數和冷卻功率分布不均勻的三維效應。

迄今為止，仍然沒有一個數學模型能夠準確定量地評價流體分布不均勻對板翅式換熱器熱工水力性能的影響。

3 板翅式換熱器通道優化

冷熱通道布置是影響多流板翅式換熱器熱工性能的重要因素，但是由于有限元分析方法過于復雜，且在工程實際應用中還沒有一種能夠精確描述板翅式換熱器中實際流體流動分布的流動模型，因此通道的優化布置需要借助一些智能算法來完成。最常用的是利用遺傳算法來進行尋優，找出最優的通道布置。表2 為板翅式換熱器通道優化采用的方法。

4 板翅式換熱器結構優化

4.1 分配器

分配器是對換熱器來流中的氣體或液體或氣液混合物進行分配，其結構的優化對流體的均勻分配有著重要的作用。Jiao[26]等人提出分配器的角度對流量的分布特性有顯著影響，他們測試了4 個不同的分配器角度中，結果發現分配器角度為45°時可獲得最佳性能。通過使用改進的分配器，溫度不均勻度可以從1.078 降低到0.712。Zhang[27]等人提出了一種改進型配氣盤，并對其進行了實驗研究。實驗結果表明，改進后的分布器改善了換熱器的熱工性能。在板翅式換熱器的進口安裝該分配器，在標準試驗條件下，流量和溫度的不均勻性分別降低到基準設計的57.4%和13.7%，同時他們得出了流量分布均勻性與雷諾數之間的關系。

Yuan[28]利用CFX 數值仿真軟件對分配器的分配特性進行數值研究。該分配器的主要特點是在分配器前面，氣體和液體分別進入分配器。對空氣-水混合物進行的模擬結果表明，與傳統的分配器相比，該分配器可以明顯改善板翅式換熱器的流量分布。

Li[29]等人提出制約板翅式換熱器換熱效率的主要因素多相流中分液不均勻。傳統板翅式換熱器分配器采用的是“先混合，后分配”方法，這樣并不能解決氣液兩相分離引起的流體分配不均問題。因此提出了一種新型的氣液分配器，根據“先分配，后混合”的理念，氣液兩相分別從各自的通道進入分配器，均勻混合后進入換熱器通道內進行換熱。

張哲[30]等人建立了板翅式換熱器中分配器的流體流動模型，研究了分配器結構對換熱器內流體流動分布的影響。同時，針對板翅式換熱器在不同結構和工況下可能存在的流體流動偏差，建立了不同類型的流場分布不均勻模型的數學方程，計算了板翅式換熱器在不同結構和工況下的流場分布。計算結果表明，非均勻進口速度，進口角和翅片上的孔板直徑是影響分配器分布性能的主要因素。通過改變分布器的結構，可以有效地改善板翅式換熱器的流體流動分布。當孔板直徑為2 mm 時，分配器達到最佳的分配性能。

4.2 封頭

封頭（集箱）的主要作用是匯集和分配流體，封頭的結構對流體的分配有非常大的影響。目前針對該結構的研究文獻較多，優化后的封頭的結構能夠不同程度的改善分液不均的情況。

Zhang 等人提出了改進的穿孔板聯箱結構。研究結果表明，采用新的封頭結構可以有效地改善板翅式換熱器的熱工性能。通過改變封頭結構，在標準試驗條件下，板翅式換熱器的流量不均勻度和溫度不均勻度分別降低到16.8%和74.8%。

Chu 等人提出了四種改進的進氣歧管，包括斜折流板，分段折流板，螺旋折流板和改進螺旋折流板。結果表明，所有的設計都或多或少地改善了各通道間的均勻流場分布。通過對流量不均勻性，努塞爾數和摩擦系數的比較，發現等螺旋擋板進氣歧管的流量不均勻性最好，平均可降低52%。

Wen 等人利用粒子圖像測速儀（PIV）研究了板翅式換熱器入口流場的流動特性，實驗得到了一系列不同截面的速度矢量圖和流線圖。實驗結果表明，傳統的進口流態分布不均勻的性能非常嚴重，而改進的帶沖孔擋板的進口流態分布可以有效地改善進口流態分布性能。在分析流體流動不均勻性的基礎上，建議在進口結構上安裝一個帶有小孔的擋板，以提高流動分布性能。板翅式換熱器的流量分布參數S 由1.21 降低到0.209，穿孔擋板的安裝使最大流速與最小流速的比值由2.32 低到1.76。

王江等人發現隨著Re 的增大，換熱器出口溫度分布不均勻性增加。此外，若傳熱溫差較大，溫度分布的不均勻性也會增加。

Wen 等人提出了一種改進的板翅式換熱器集箱結構，在集箱中安裝三種不同直徑的小孔擋板。得到不同封頭結構下的流量分布不均勻參數S。當折流板安裝合理，長度適中，軸線與折流板邊界錯開布置，孔分布合理時，不同雷諾數下的最大流速與最小流速之比由3.44～3.04 降至1.57～1.68。

Said 等人提出集管布置是換熱器中常用的布置形式。這種布置用于將集箱中的流量分配到幾個管道中，以實現所需的熱交換。管道內的流動不均勻是由于管道入口處出現了收縮而引起的。為了減小集管布置中的流動不均勻性，提出了兩種方法，并進行了數值求解。第一種方法是通過引入一個孔口來減少實際的管入口。研究結果表明，采用孔板法可使流動不均勻性降低約12 倍。與無孔換熱器相比，換熱器的壓降增加了7.8%。在第二種方法中，通過引入噴嘴來增加實際的管入口。研究結果表明，采用噴嘴法可使流動不均勻性降低約7.5 倍。然而，與沒有噴嘴的情況相比，換熱器的壓降降低了9.8%。

表3 為封頭的各種優化措施。

表3 封頭的優化措施

4.3 導流片

在鋁制板翅式換熱器中，導流片通常位于翅片的兩端，其作用是對進出口流體進行導流，改善流體在換熱器內的分布特性，避免流動死區，提高換熱效率，但是目前針對導流片的研究相對缺乏。焦安軍[37]等人對不同的導流片結構參數和導流性能進行了深入研究，發現導流片對換熱器分配特性的影響主要集中在總流動方向上，導流片對降低換熱器內流體分布不均勻性有重要作用，但目前該方向上的研究文獻較少，且只針對理論進行了探索研究，未深入到實際應用中，未來可在這一方向上深入研究。

5 CFD 技術的應用

計算流體力學（CFD）已應用于各種類型換熱器的流體流動不均勻，結垢，壓降和設計優化階段的熱分析等方面，和實驗結果有較好的關聯性。采用標準κ-ε 模型，可實現κ-ε 模型，雷諾應力模型和線性壓力應變模型等通用商用CFD 工具中不同的湍流模型，采用SIMPLE、SIMPLEC、PISO 等速度-壓力耦合方案進行模擬。數值模擬結果的質量基本在可接受范圍內，因此可以證明CFD 是預測各種換熱器性能和性能的有效工具[38]。

Wahiba 等人對7 種進氣氣流分布的直列板翅管換熱器進行了CFD 仿真，系統分析了它們對系統性能的影響。結果表明，與具有均勻進口速度剖面的熱交換器的基準情況相比，換熱效率有高達50%惡化。

Wen 等人針對三種不同的封頭構型，分別采用常規構型和改進構型，得到了一系列不同截面的速度矢量和流線圖。數值計算和實驗結果表明，常規入口流體分布不均勻的性能有所惡化，而改進的沖孔擋板結構可以有效地改善徑向和軸向的性能。改進的首選是小孔交錯分布的擋板。

Saad 等人采用CFD 界面跟蹤方法，對板翅式換熱器配氣系統內的兩相流進行了數值模擬。結果表明，CFD 能夠較好地預測實驗換熱器內氣體和液體分布的不均勻性。

Gandhi 等人利用CFD 數值模擬方法，研究了集箱和集管中純蒸汽的流動和壓力分布。結果表明，管徑，管數及其相對于進、出口管道的位置布置是影響管網流量和壓力分布的最重要設計參數。通過CFD 數值模擬，得到了管道式分布器在大范圍的管徑和集管直徑，管間距，進出口管徑和管數下的流量和壓力分布。研究表明，分布均勻性是分布器幾何形狀和入口動能的特定函數。

Zhang 等人通過研究，提出了兩種改進的兩段式封頭，并利用CFD 對其進行了仿真。對兩級結構入口等效直徑的影響進行了數值研究，并與實驗測量結果進行了比較。結果表明，在出口和進口當量直徑比相同的情況下，板翅式換熱器內的流場分布更加均勻。

表4 為CFD 主要研究內容及結果。

表4 CFD 主要研究內容及結果

6 結束語及展望

板翅式換熱器仍然在許多領域扮演著舉足輕重的位置，然而換熱器中存在流體分配不均勻的情況嚴重制約了換熱器的效率。本文綜述了板翅式換熱器分液優化的研究現狀，并在此基礎上提出了未研究到的方向。

1）理論研究開始的比較早，目前已經趨于成熟，無論是用于預測換熱器分液不均勻性的數學模型還是評估換熱器性能的模型都有較多的研究成果，且結果的誤差在可接受范圍內。

2）結構的優化近幾年成為了一個熱點的研究趨勢，集中體現在板翅式換熱的封頭和分配器的結構優化上。借助于CFD 仿真軟件能夠更加直觀、簡便的進行研究設計，且其運算結果也獲得大多數學者的認可，說明其具有一定權威性，因此應用的也比較廣泛。

3）目前對換熱器結構的優化設計已經取得了許多成果，需要進一步加強。針對換熱器分液不均的研究最終目的是要改善換熱器的性能，提高效率，因此針對換熱器結構的研究勢必要再向前推進，最后進入市場，將理論轉化為實踐。

4）換熱器內部結垢和腐蝕也是造成分液不均的一大原因，但是截止到目前為止該方向的研究成果較少，未來可以朝著這個方向進行深入探索。

5）多相流的情況在許多領域的應用是十分常見的，由于其流動情況十分復雜，且流體分配的不均勻性比單相流更為復雜，因此對換熱器的性能影響較大，是研究的重難點，未來可以在該方向上繼續深入研究。