釬焊板式換熱器防凍研究綜述

王重陽 姜未汀 韓維哲 施吉璐 潘衛(wèi)國

1.上海電力大學 2.江蘇唯益換熱器有限公司

0 引言

釬焊板式換熱器由多層波紋板片疊加組成，板片與板片之間填充銅箔后在真空爐中加熱制成。這樣板片之間會形成流體通道，兩種流體會在不接觸的情況下完成換熱。這種焊接而成的板式換熱器具有占地面積小、熱性能高、重量輕、剛性高、壓降低、耐高溫等優(yōu)點。其生產(chǎn)大多依靠設備，人為因素較少，生產(chǎn)自動化程度高[1]。當釬焊板式換熱器用作蒸發(fā)器制備冷水時，制冷劑分配不均容易發(fā)生結冰現(xiàn)象，如果處理不及時可能造成板片變形和破裂。由于釬焊板式換熱器不可拆卸，結冰嚴重的會造成整個換熱器報廢。另外，進口水中雜質(zhì)較多，在狹窄的通道內(nèi)會產(chǎn)生結垢現(xiàn)象，直接導致通道內(nèi)流體流速降低，大大增加了結冰的可能性。

1 實驗與理論研究

目前，板式換熱器的防凍分為制冷劑側(cè)防凍和水側(cè)防凍。制冷劑側(cè)防凍主要集中在控制蒸發(fā)壓力等方面；水側(cè)防凍主要集中在控制進出口水流量和水溫等方面[2-5]。

張龍愛[2]等人認為，在蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與循環(huán)水進行熱交換時，由于蒸發(fā)溫度較低，從而導致了換熱器水側(cè)局部溫度降低至凝固點以下并迅速結冰。對于制冷劑側(cè)防凍，周旋[6]提出了在壓縮機排氣管和蒸發(fā)器進液管之間增加旁通電磁閥的設計方案。當制冷劑側(cè)蒸發(fā)壓力低于設定值時，將壓縮機高溫排氣引入蒸發(fā)器，從而提高蒸發(fā)壓力來達到防凍的目的。板式換熱器中部分通道蒸發(fā)壓力降低會導致水結冰，但是多個通道匯集到出口處，傳感器測量的蒸發(fā)壓力不一定低，所以作者認為制冷劑側(cè)防凍無法應用在板式換熱器上。熊建國[7]認為，提高冷水機組防凍的根本措施為提高制冷劑側(cè)的蒸發(fā)壓力，但是實驗證明采用熱氣旁通法只能將蒸發(fā)壓力提高0.01～0.02 MPa，對提高防凍效果不是很好。

由于釬焊板式換熱器不可拆卸，可視化程度低，所以防凍實驗比較困難。吳華新[8]等人通過實驗觀測到了換熱器結冰后出口的泥狀冰水混合物，作者在實驗中使用低溫乙二醇代替冷流體，其中乙二醇的入口溫度恒定，改變水的流量，根據(jù)水側(cè)出口的實測溫度與理論溫度對比來預測是否結冰。分析可得，減小水流量會導致出口水溫低于冰點（0 ℃），從而導致?lián)Q熱器內(nèi)部結冰。

綜上所述，制冷劑蒸發(fā)溫度過低是導致?lián)Q熱器結冰的主要原因，但是通過控制蒸發(fā)壓力來防凍的方法對板式換熱器并不適用。目前實際應用中，考慮到安裝、維護和成本，大多數(shù)換熱器是通過控制水流量、水溫和添加防凍劑來防止結冰。釬焊板式換熱器防凍難點在于我們無法獲取板片間結冰的時間、位置以及結冰的完整過程，所以需要仿真模擬對換熱器內(nèi)部的流動進行系統(tǒng)分析。本文第二節(jié)將對國內(nèi)外在板式換熱器CFD 模擬方面的論文進行整理歸納。

2 模擬研究

近年來，研究學者大部分利用計算流體力學（Computational fluid dynamics，CFD）軟件對板式換熱器的流動性能及換熱性能進行數(shù)值模擬[9]。CFD 是一種仿真工具，它利用計算算法對熱量、質(zhì)量和動量傳遞進行建模[10]。由于釬焊板式換熱器的局限性，即CFD模擬是在其防凍研究中唯一能獲取內(nèi)部數(shù)據(jù)的方法。

2.1 模型的選擇

目前，針對板式換熱器的數(shù)值模擬采用了不同的模型：簡單二維、三維單通道以及整個板片等。Francesco Lonis[11]等人使用二維矩形代替了復雜的流體域，利用CFD軟件初步分析了低溫流體與熱水之間的熱傳遞，但是作者的模型定義過于簡單，不能準確地代表釬焊板式換熱器內(nèi)部在紊流情況下的換熱效果。顧屹[12]等人在釬焊板式冷凝器性能仿真中采用有限體積法建立了一維穩(wěn)態(tài)分布模型，以每個微元段出口參數(shù)作為下一個微元段的入口參數(shù)，依次迭代以完成整個流道的計算。如圖1 所示，此模型與前者的大致相同，但是在算法上更為準確。Bar??Gürel[13]等人同樣基于有限體積法，數(shù)值分析簡化為二維，作者在板片上設置了波紋，此模型更接近于板式換熱器的內(nèi)部結構。

圖1 微元模型

二維模型的確可以節(jié)省計算成本，但是研究結果可能會偏離研究的實際問題。板片之間流體的狀態(tài)為湍流，湍流實際上是一種空間上不規(guī)則和時間上無秩序的非線性的流體運動，這種運動表現(xiàn)出非常復雜的流動狀態(tài)[8]。潘旭[14]、黃永帥[15]等人在釬焊板式換熱器優(yōu)化設計中建立了包含6個基本單元通道的模型，目的是為了使流體達到充分發(fā)展階段。張如許[16]等人模擬點波式換熱器內(nèi)單相水流動，選用了5個流體單元（如圖2），通過矢量圖發(fā)現(xiàn)焊接面之間流體流速小，并且伴有回流現(xiàn)象。所以在板式換熱器結冰的模擬中，要著重考慮焊接面附近的流速變化，流速降低增加了結冰產(chǎn)生的可能性。

圖2 計算模型

圖3 模型拓展處理

Ali Abbas[17]、文健[18]、VIJAYA S.GULLAPALLI[19]和欒輝寶[1]等人分別對換熱器的熱性能進行了數(shù)值模擬，在模型建立方面都采取了相似的拓展措施。如圖3所示，為了避免流道一開始產(chǎn)生回流，于是將進出口沿長度方向作了拓展處理，出口處的自由空間可以防止熱流體突然堆積，解決了以往模擬結果中出口處溫度異常的問題。所以在板式換熱器CFD 模擬中，選取部分模型需要作進出口拓展處理。由于延長處理，文健[18]等人提出延長段入口速度需要進行換算。

張晶[9]、景步云[20]、Sanjeev Jain[21]、郭志釩[22]、吳學紅[23]和欒輝寶[24]等人均使用整個板片作為計算模型，計算時間相對來說較長，但是能準確直觀地反映通道內(nèi)流體的流動狀態(tài)。有助于很好地了解板式換熱器，能為換熱器的優(yōu)化和設計提供準確的理論基礎。對于大多數(shù)研究人員來說，因板式換熱器具有對稱性，所以選取部分通道作為前期研究對象即可。

2.2 邊界條件與湍流模型的選擇

VIJAYA S.GULLAPALLI[19]等人通過CFD模擬研究了釬焊板式換熱器的熱力和水力特性，作者分析了恒定壁溫、恒定的熱通量、添加環(huán)境溫度或固體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)作為邊界條件的影響。結果證明添加恒定的熱通量作為邊界條件更接近于實驗結果，偏差在2%至20%。作者對單個流體域進行網(wǎng)格劃分，結果顯示共生成了約380萬個節(jié)點和1180萬個元素，此網(wǎng)格劃分精度非常高，但是對服務器的要求較嚴格。目前在Fluent2019 及以上版本中，我們可以采用基于“馬賽克”技術的Poly-Hexcore網(wǎng)格劃分方法，能進一步提升整體的網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響計算結果的前提下，可以有效降低網(wǎng)格總體數(shù)量與求解時間。

VIJAYA S. GULLAPALL 等人還對比了各種雷諾數(shù)下的實驗數(shù)據(jù)和CFD 模擬獲得的熱性能和壓降的比較，使用SST 模型，傳熱被低估了20%至30% ，壓 降 被 低 估 了10% 至35% 。 而 使 用K-εRNG模型和LLR RS湍流模型時，傳熱被低估了40%至70%。綜上，使用SST 湍流模型的CFD預測最接近實驗，而壓降與所使用的模型無關。這一關鍵結論為我們以后的板式換熱器實驗與CFD模擬提供了驗證正確性的模板。

2.3 結冰模擬

Fluent 可以求解關于凝固或融化在一定溫度或超過一定溫度范圍流體流動的問題，還能提供在凝固和融化過程中相互之間的傳遞模型，這些模型允許Fluent 模擬相當廣泛的凝固/融化問題。吳華新[8][25]等人使用Fluent 軟件中的Solidification/Melting 模型模擬了水在波紋板中的三維結冰過程。其中波紋板1、2 設置為第二類邊界條件，入口為速度入口，出口為壓力出口。因為水和冰的物性參數(shù)不同，所以采用外掛UDF 程序來將固態(tài)和液態(tài)的相變方程聯(lián)系起來。如圖4 所示，當流動達到穩(wěn)態(tài)后，通過溫度分布可以看出板片間除了尖銳部分有結冰外，其余地方顯示均為流動狀態(tài)。作者提出在板式換熱器的設計中應努力消除尖銳部分，使流體域盡可能地圓滑，進而可以達到防止結冰的目的。通過反復模擬得出：在-20 ℃以上的室外溫度下，保證水的流速不低于0.02 m/s，波紋板間則無法結冰。

圖4 結冰計算結果

3 結論

1）目前，釬焊板式換熱器在實際應用中大多數(shù)采用水側(cè)防凍的方法，即保證出口平均溫度高于冰點溫度即可。

2）通過實驗可以預測板式換熱器內(nèi)是否結冰，但是還無法直接獲取結冰的具體位置和時間。

3）利用CFD 模擬分析發(fā)現(xiàn)板片間結冰的位置在焊點附近以及尖銳的部分，為了防止水結冰應保證板片上尖銳部分盡可能地圓滑。

4）需解決的問題：雖然通過CFD模擬可以獲取板片結冰的位置和時間，但是因為釬焊板式換熱器可視化程度低，目前還無法通過實驗來驗證模擬的正確性。

4 對未來工作的期望

未來我們要繼續(xù)完善并提高CFD 模擬結果的準確性，并且尋找新的方法來克服實驗中釬焊板式換熱器可視化低的問題，從而通過實驗來驗證模擬結果的正確性。最終對板式換熱器結構進行改進優(yōu)化，使設備具有更高的抗凍性。