董曉強 莫 巖

（元寶山發(fā)電有限責任公司 運行分公司，內蒙古 赤峰 024070）

0 引言

換熱器是用來將熱流體的熱量傳給冷流體，可以完成不同品質熱量的轉換，具有新型、高效、緊湊的特點。而能源的利用消耗與換熱問題密切相關，例如電廠中給水的加熱、再熱、過熱，供暖和制冷設備中工質的加熱與冷卻等。因而倍受現在工業(yè)生產的重視，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構圖

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，在對板片設計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，在使用中會根據流動介質的不同，選擇一種經濟適用的材料。生產制造時，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的介質進行密封，防止介質發(fā)生泄漏，并且它還承擔著分離冷熱介質，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4.5m。因此板式換熱器發(fā)生故障時，問題大部分出現在密封墊圈上，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行的作用。

板式換熱器傳熱高效、對數平均溫差大、結構簡單輕巧、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、不易結垢、使用壽命長、換熱系數高等優(yōu)點。但是有較大的壓力損失，工作壓力較小，工質溫度較低，容量不大，還有可能發(fā)生堵塞等。

2 國內外研究現狀

目前，國內外學者對兩相流的研究很多，研究的方法分為數值仿真技術和實驗研究兩大類。

2.1 實驗研究

實驗是研究氣液兩相流的主要方法，通過氣液兩相流動實驗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驗與經驗相結合的方法來對換熱器進行研究[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行實驗，研究了人字形板通道中的單相和氣液兩相流動情況，發(fā)現在水平流動時可觀察到層流和擴散流，在垂直流動時只能觀察到擴散流，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)現在向上和向下流動都出現了環(huán)狀液橋流，但泡狀流和彈狀流分別只出現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]實驗研究了在正弦波紋通道中進行單相和氣水兩相向上流動時的流型和壓降，發(fā)現循環(huán)氣泡總是出現在波紋槽道中，當相的移動增大時，循環(huán)也增大。Vlasgoinansi[8]將水（不含氣）和氣水混合物兩種介質以相同的流速分別通過換熱器通道，利用高速攝像機觀察流體通道內的流動情況，發(fā)現氣水混合介質的傳熱系數要高于單純以水做介質時的傳熱系數。他還特別強調當流速小于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、氣相的體積分數等物性參數有很大的隨機性，所以流動換熱情況很復雜，有很大的隨機性[9-10]。許多學者根據現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、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。依據不同的物理模型建立了不同的湍流模型[11]。連續(xù)介質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，流體和顆粒同時充滿流場，并且可以通過連續(xù)介質理論來研究顆粒相的運動，采用歐拉-歐拉模型來對兩相運動進行處理，所以可以稱之為歐拉方法。對于不同的連續(xù)介質，每一相都有獨立的質量、動量、能量守恒方程，這些方程通過相間作用來進行耦合，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行初步模擬，并將模擬計算結果與相同條件下的實驗結果進行對比，通過實驗來驗證數值模擬的正確性。通過改變氣液兩相流的流動進口組分和參數，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)生產中板式換熱器的實際情況，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。希望隨著計算機技術的提高，能夠得到解決。

（3）由于板式換熱器波紋通道的結構十分復雜，在網格劃分時，應當進一步尋求高質量的網格，來提高計算精度。

（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行，尚待研究。

［1］李海青.兩相流參數檢測及應用物理學[M].浙江：浙江大學出版社，1991，2-3.

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［3］A.W.Jorge Gut，M Jose Pinto.Modeling of Plate Heat Exchangers with Generalized Configurations [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46(14)：2571-2585.

［4］徐志明，文孝強，鄭嬌麗，等.板式換熱器冷卻水污垢熱阻預測的偏最小二乘回歸法[J].化工進展，2011，62(6)：1531-1536.

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［6］Kitti Nilpueng，Somchai Wongwises.Two-phase gas-liquid flow characteristics inside a plate heat exchanger [J].Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8)：1217-1229.

［7］K.Nilpueng，S.Wongwises.Flow pattern and pressure drop of vertical upward gas-liquid flow in sinusoidal wavy channels [J].Experimental Thermal and Fluid Science，2006，30(6)：523-534.

［8］P.Vlasogiannis，G.Karagiannis，P.Argyropoulos，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.

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［11］Hatice Ozlem Ozden.Experimental and Computational Analysis of Reduction in Fouling By Low Energy Surfaces [D].The Pennsylvania State University，2009.20-23.

［12］劉艷，何國庚，賴學江.板式換熱器板型尺寸對換熱性能影響的探討[J].制冷，2003，22(2)：65-68.