凹凸板式換熱器的研究現(xiàn)狀

張坤龍， 陳 浩， 葉 軍， 楊逸凡， 章立新

（1. 上海理工大學能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2. 華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；3. 浙江萬享科技股份有限公司，浙江 湖州 200003）

世界能源消耗正在逐步增加，節(jié)約能源和減少能源消耗是世界各國所共同面臨的問題。目前，在工業(yè)領域能源浪費最為嚴重，其原因在于工質(zhì)余熱的大量浪費，如果能有效回收余熱能量則對于降低能源消耗速度至關重要[1-2]。

熱交換器通常又被大家稱作為換熱器，是一種應用在冷、熱流體之間，把熱量通過一定的傳遞方式傳給冷流體的節(jié)能換熱設備[3]。換熱器廣泛應用在化工、石油、冶金、電力、食品等各種領域，因此換熱器對于能量的節(jié)約、回收再利用發(fā)揮著至關重要的作用[4-6]。多年來，傳統(tǒng)的管殼式換熱器一直在換熱器行業(yè)占據(jù)龍頭地位，它們設計堅固、靈活，但缺乏緊湊性[7]。與管殼式換熱器相比，帶有不同相互交叉波紋通道的板式換熱器，其結(jié)構(gòu)更加緊湊、輕巧，而且具有相對較高的傳熱系數(shù)，但是其壓力和溫度適用范圍均具有局限性[8-9]。此外，它們存在密封性問題，并且當完全焊接時，它們很難清洗[10]。這就在一定程度上降低了傳統(tǒng)板式換熱器在化工領域的使用壽命，同時凸顯了市場對于開發(fā)新型換熱器的迫切需求。

凹凸板式換熱器是近年來國內(nèi)新興起來的一種新型換熱器，其在化工方面的應用相比其他換熱器具有顯著的優(yōu)勢，不僅密封性好、占地面積少、耐腐蝕，而且換熱能力強[11-13]，但是目前對其研究狀況及發(fā)展趨勢還不太清晰，而且國內(nèi)板式換熱器的研究多以人字波紋板為主，對于凹凸板片換熱器的研究還處于初期階段，且距其標準化大規(guī)模生產(chǎn)應用還有許多問題需要解決。因此本文綜合分析了凹凸板式換熱器不同板片結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱工質(zhì)及加工工藝對其換熱性能和阻力系數(shù)的影響，并概述了其強化傳熱原理及發(fā)展方向，以期對新型凹凸板式換熱器更深層次的研究提供一些的借鑒。

1 換熱器簡介

1.1 換熱器分類

到目前為止，應用到不同領域的換熱器樣式種類繁多，根據(jù)其換熱原理大體上可分成一下三類：混合式、蓄熱式和間壁式[14-15]?；旌鲜綋Q熱器是通過參與換熱的冷熱工質(zhì)直接接觸混合進行熱量交換的一種換熱器，常用于冷熱工質(zhì)可以相互摻混的情況；蓄熱式換熱器的換熱原理是冷熱工質(zhì)通過蓄熱體進行熱量交換，常用于高溫換熱領域；而間接式換熱器則是通過冷熱工質(zhì)在間隔開來的流道中進行換熱，相互之間不進行直接接觸，在石油化工領域應用極其廣泛[8]。

間壁式換熱器根據(jù)換熱單元結(jié)構(gòu)不同可進一步劃分成管殼式和板式兩類，管殼式換熱器又可以分成固定管板式、U型管式和浮頭式等；板式換熱器可分成板殼式和螺旋板式等。本文關注凹凸板式換熱器，對于其他間壁式換熱器的研究可參考文獻[16-18]。

1.2 凹凸板片換熱器

凹凸板式換熱器其主要換熱部件為凹凸板片。凹凸板片有許多不同名稱如：凹坑板[19]、凸胞板[19]、蜂窩板[20]、鼓泡板[21]和雨滴板[22]等，具體形狀如圖1所示，本文統(tǒng)稱其為凹凸板片。其中市場上常見的凹凸板片類型是蜂窩板，加工工藝是由兩張薄板通過焊縫或焊點組成不同流道，用液壓或氣壓方式吹脹成不同形狀[23]。凹凸結(jié)構(gòu)的研究源于上世紀80年代前蘇聯(lián)時期，當時蘇聯(lián)學者稱凹坑能夠強化傳熱的現(xiàn)象為“旋風冷卻”[24]，直到在90年代中期其他國家學者才開始研究有關凹凸結(jié)構(gòu)對于換熱和阻力的影響。

圖1 凹凸板片類型

2 換熱器性能評價方法

對換熱器性能進行評價時需要考慮許多因素，如安全性、傳熱性能、加工工藝、阻力特性以及經(jīng)濟性等[12]。早期學者對于換熱器強化傳熱性能的評價方法比較單一，只考慮單一因素對傳熱性能的影響，如總傳熱系數(shù)和壓損等[25-26]。隨著傳熱技術的不斷發(fā)展，學者開始從能量利用角度來評價換熱器性能的好壞，并提出了熵方法和?方法[27-28]。此后更加完善的評價方法接踵而來，研究人員在前人評價方法的基礎之上引入無量綱量，從而延伸出一系列綜合評價方式[29]。本文對研究中常用的幾中方法做了簡要的歸納對比，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 換熱器性能評價方法

3 換熱器的研究方法

早期換熱器研究主要是以實驗為主，通過實驗數(shù)據(jù)來擬合回歸出不同變量之間的關系式，并尋找各參數(shù)之間的關系。隨著計算機技術的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法憑借花費少、周期短和可重復性好等優(yōu)點開始在學術研究上占有一席之地。

3.1 換熱器實驗研究方法

實驗研究換熱器的目的可大致分為兩種，一種就是得到換熱器換熱系數(shù)、阻力性能因子和雷諾數(shù)之間的關系式；另一種是研究換熱器的內(nèi)部流場和溫度場的分布狀況[30]。不同實驗研究方法對換熱器的對流傳熱系數(shù)的求解方法各有優(yōu)缺點，具體如圖3所示，研究人員可根據(jù)自身需求選擇適合自己的研究方法。實驗研究方法到目前為止大致可以分為以下幾類：瞬態(tài)法[31]、壁面溫度測定法[32]、威爾遜法[33-34]、多參數(shù)擬合法[35]、雷諾數(shù)法[36]和熱質(zhì)類比法[3,33]。

3.2 換熱器數(shù)值模擬研究方法

近年來隨著計算機技術的快速發(fā)展，把計算機技術和理論分析相結(jié)合的數(shù)值模擬研究方法孕育而生，而且已經(jīng)受到了不同領域研究者的傾心。在換熱器領域，CFD已經(jīng)被廣泛應用[37-39]，相比于實驗研究，其優(yōu)點顯而易見，不僅能夠大大的縮短研究周期、節(jié)約人力和物力，而且還可以直觀地看到換熱器內(nèi)部流場及溫度場變化狀態(tài)，因此了解數(shù)值模擬對換熱器的研究方法，能夠在一定程度上幫助研究人員更好地研發(fā)高效能的換熱器。本文總結(jié)了換熱器的數(shù)值模擬方法如圖4所示，其中RNG k-ε湍流模型對于凹凸板片換熱器的適應性優(yōu)于其他湍流模型[21,40]。

圖3 換熱器實驗研究方法

圖4 換熱器模擬方法

4 凹凸板片換熱器的主要研究現(xiàn)狀

基于上述評價方式和研究方法，凹凸板式換熱器的研究圍繞強化傳熱機理、傳熱系數(shù)與壓降之間的關系、板片結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化以及加工工藝改進等方面的相關研究展開。

4.1 強化傳熱機理研究

劉建勇[21]（2011）通過實驗值與數(shù)值模擬對比,發(fā)現(xiàn)三種湍流模型中RNG k-ε模型對鼓泡通道更加適用，而且模擬發(fā)現(xiàn)鼓泡之間漩渦的產(chǎn)生是鼓泡板片強化換熱的機理所在，這為以后凹凸板片數(shù)值模擬的研究提供了參考方向。Mohammad等[41]（2011）通過數(shù)值模擬研究了排布有凹坑凸胞結(jié)構(gòu)的板片，發(fā)現(xiàn)相對于平板，凹坑凸胞處的局部努塞爾數(shù)增加，表明凹坑凸胞處產(chǎn)生的二次流對于換熱具有強化的作用，從而進一步揭示了增強擾動是凹凸結(jié)構(gòu)強化換熱的機理之一。李隆鍵等[42]（2012）模擬了蜂窩板的三維流動傳熱狀況，發(fā)現(xiàn)蜂窩板的凹凸結(jié)構(gòu)使流動邊界層和熱邊界層的厚度變薄，而且板上的焊點使流經(jīng)的流體產(chǎn)生漩渦，增大了流體對壁面的沖擊力，進而破壞邊界層強化傳熱。

到目前為止，換熱器強化傳熱的方式非常多，其中研究最多的增強換熱的方式可總結(jié)為以下幾點：通過消除流動死區(qū)、破壞邊界層發(fā)展、增強流體擾動和混合以及增加換面積來增強換熱器換熱性能。

4.2 換熱器傳熱系數(shù)與壓降之間關系的研究

Mitrovic等[43]（2007）通過實驗研究了凹凸板片換熱器中的單相強制對流。工作液為Marlotherm油和蒸餾水，保持換熱器表面均勻熱通量，通過改變冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量和入口溫度進行實驗，并且建立了壓降與傳熱之間的關系式。但是因為整個實驗過程中只用到了一種類型的凹凸板片，所以得到的實驗關系式具有局限性。Arsenyeva等[44]（2019）對小型的凹凸板片進行了實驗研究，并初步建立了凹凸板內(nèi)、外通道的摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)的相關式。對于不同幾何尺寸的板片模型，只要滿足相鄰焊點縱、橫間距比在0.5～2之間，雷諾數(shù)在30～8 000之間，相鄰焊接點之間的對角線距離在0.1到0.2之間變化，無論是對于層流模型還是湍流模型，該相關式都可以用于鼓泡板片的初步設計計算。這為后面對于新型凹凸板片的開發(fā)提供了一定的借鑒。早期我國學者王曉昱等[45]（1990）也對鼓泡板片換熱器的傳熱性能和阻力降進行了初步的實驗研究，發(fā)現(xiàn)換熱面積為24 m2鼓泡式換熱器完全可以替代換熱面積為64 m2的管殼式換熱器，且相同工況下，前者換熱面積減少61%，體積減少58%，重量減少46%，傳熱系數(shù)提高1.3倍，流體阻力降減少35%。該研究對于我國凹凸板式換熱器的開發(fā)具有深遠的影響。郭志強等[22]（2018）對于雨滴形狀的板片進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)雨滴型流道能夠有效強化傳熱，而且高傳熱區(qū)位于凹坑后緣。他們還通過把雨滴型凹坑板與平板進行對比分析，發(fā)現(xiàn)前者努塞爾數(shù)是后者的1.9～4.5倍，前者阻力系數(shù)是后者的2.3～3.5倍，并且總結(jié)出適用于一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)的凹坑板流動換熱準則關系式。

通常增大擾流可以增加工質(zhì)的換熱效率，但同時流道內(nèi)的阻力也會增大，因此需要進一步研究他們之間的關系總結(jié)出相應的關聯(lián)式，為今后新型凹凸板式換熱器的開發(fā)提供理論基礎。

4.3 不同板片結(jié)構(gòu)對傳熱與流動的影響

在早期為了研究凹凸結(jié)構(gòu)對傳熱的影響狀況，Afanasyev等[46]（1993）對凹坑板和平板進行了初步的傳熱和流動實驗研究，發(fā)現(xiàn)凹坑板在流動阻力增加不大的前提下，傳熱系數(shù)增長了30%～40%，這就初步驗證了凹坑板相比平板具有更好的傳熱和流動特性。陳歡[20]（2012）對單、雙面蜂窩板進行了模擬研究，研究表明蜂窩板相比平板在阻力增加不大的情況下，綜合換熱性能更好，而且單、雙面蜂窩板對于板片內(nèi)部流體的流動傳熱規(guī)律具有一致性，流體流經(jīng)焊點時，相比其他平滑區(qū)域，焊點周圍的換熱系數(shù)更高，并且焊點前的換熱系數(shù)大于焊點后的換熱系數(shù)；在焊點直徑過大時，擾動增強、流動阻力增大，綜合換熱性能降低，所以在一定范圍內(nèi)增大焊點直徑，綜合換熱性能隨之增大。這為以后凹凸板片板型的開發(fā)提供了借鑒依據(jù)。Kumar等[47]（2019）對凹凸板片通道內(nèi)流體的傳熱和流動特性進行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)板片焊點直徑對于通道內(nèi)的傳熱影響可以忽略不計，但隨著焊點直徑的增大，通道的綜合換熱性能降低，而且對壓力損失有著直接的影響。Shirzad等[48]（2019）利用CFD對凹凸板片進行模擬研究，通過研究不同焊點通道高度、縱向間距和橫向間距對換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)在Re＝1 000～8 000的范圍內(nèi)，低雷諾數(shù)下，增加板片通道的高度可以提高換熱器的熱性能；增加焊點的橫向和縱向間距，會降低傳熱性能和摩擦系數(shù)，但是減小摩擦系數(shù)的利大于減小換熱的弊，因此在一定的范圍內(nèi)，橫、縱向間距的增大對換熱器性能的提高有一定的作用。Shirzad的研究得出橫向和縱向間距的增大有利于換熱器性能的提高，但是并沒有指出橫向和縱向間距增大的極限值，因此關于橫向縱向間距的研究仍要繼續(xù)。

對于凹凸板片換熱器，不同的鼓泡高度、鼓泡大小、焊點間距、焊點大小以及不同板片排列方式都會改變換熱器的整體換熱性能，不同板型的組合也會導致不同的換熱能力，因此板片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化探究還要進一步深入。

4.4 加工工藝和不同用途的研究

精湛的加工工藝是凹凸板式換熱器能夠快速進入實際應用的基礎。王世光等[49]（2015）通過單因素試驗，研究激光焊接速度和焊接功率對焊點機械強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接功率的增大，焊點極限機械強度先增大后減小，而且焊點速度對焊點極限機械強度的影響與焊點功率一致。凹凸板式換熱器想要快速進入市場不僅要研究其生產(chǎn)工藝，對于凹凸板片承壓能力和應力的分析也是必不可少的。劉建勇[21]（2011）利用有限元分析法對鼓泡板進行應力分析研究，發(fā)現(xiàn)鼓泡與板的過渡部位和鼓泡頂部與板的接觸部位是應力主要集中的區(qū)域，而且鼓泡板相比于波紋板在工程應用方面有更寬廣的操作工況。凹凸板式換熱器也可以應用到不同設備中，在不同的應用場合，其性能需要進一步研究。戴晨影[50]（2015）對蒸發(fā)式冷凝器板外水和空氣的狀態(tài)進行了模擬研究，其中蒸發(fā)式冷凝器的換熱元件為凹凸板片，模擬板片厚 1.2 mm、寬385 mm、高823 mm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當空氣流速在2 m/s到3 m/s范圍內(nèi)時，既能促進水膜的蒸發(fā)，又能減少風機的能耗；板外最佳噴淋水量為0.045 kg/s時，既能有效帶走熱量，又不至于出現(xiàn)水膜厚度過厚或干斑。在不同的工業(yè)用途下，凹凸板片換熱器中流通的不同工質(zhì)也會影響換熱器的傳熱和阻力性能，因此不同流通工質(zhì)下凹凸板式換熱器的研究也非常必要。Shirzad等[51]（2019）用不同納米流體代替水作為冷卻介質(zhì)來研究鼓泡板片換熱器的性能，因為納米顆粒比常規(guī)工質(zhì)具有更高的導熱系數(shù)。他們利用Fluent進行三維模擬，在雷諾數(shù)為1 000～8 000之間研究了不同的納米流體，如氧化鋁、氧化銅和二氧化鈦的使用效果，研究表明實驗中所用到的納米流體的性能系數(shù)均大于1，即他們都具有比水更好的熱性能。

凹凸板片用作板式換熱器或蒸發(fā)式冷卻（冷凝）器等不同應用場合，以及流通工質(zhì)不同，加工工藝難易程度不同，所需性能也各不相同，其材質(zhì)、壽命、穩(wěn)定性、耐腐蝕性等都有待進一步研究。

5 總結(jié)與展望

隨著計算機網(wǎng)絡和模擬技術的廣泛使用，研究人員接下來對于凹凸板片的研究將會更加方便。到目前為止，國內(nèi)外學者對于凹凸板片的研究已經(jīng)取得了很好的進展，但是有一些問題仍待解決。如腐蝕結(jié)垢問題，雖然也有相應的處理方法，但是這些方法都是比較復雜并且有的會伴隨環(huán)境污染問題；相變換熱模擬問題，相應的研究也有許多，但研究方法都具有比較大局限性，對于普適性研究方法仍需更深一步的研究。隨著換熱器應用領域的不斷擴大，新型換熱器的需求日益增多，把數(shù)值模擬與實驗研究深度地結(jié)合一起，利用多目標算法把換熱器的不同參數(shù)同時進行研究，從而尋求更好的優(yōu)化途徑將是未來換熱器研究方向之一。不僅如此，加強交叉領域的聯(lián)系，開發(fā)出新的換熱器材料和制造工藝，也會是未來凹凸板片換熱器的研究方向。