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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；3. 浙江萬(wàn)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(guó)所共同面臨的問(wèn)題。目前，在工業(yè)領(lǐng)域能源浪費(fèi)最為嚴(yán)重，其原因在于工質(zhì)余熱的大量浪費(fèi)，如果能有效回收余熱能量則對(duì)于降低能源消耗速度至關(guān)重要[1-2]。

熱交換器通常又被大家稱作為換熱器，是一種應(yīng)用在冷、熱流體之間，把熱量通過(guò)一定的傳遞方式傳給冷流體的節(jié)能換熱設(shè)備[3]。換熱器廣泛應(yīng)用在化工、石油、冶金、電力、食品等各種領(lǐng)域，因此換熱器對(duì)于能量的節(jié)約、回收再利用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4-6]。多年來(lái)，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?cè)O(shè)計(jì)堅(jiān)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(duì)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(wèn)題，并且當(dāng)完全焊接時(shí)，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(lǐng)域的使用壽命，同時(shí)凸顯了市場(chǎng)對(duì)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(lái)國(guó)內(nèi)新興起來(lái)的一種新型換熱器，其在化工方面的應(yīng)用相比其他換熱器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，不僅密封性好、占地面積少、耐腐蝕，而且換熱能力強(qiáng)[11-13]，但是目前對(duì)其研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)還不太清晰，而且國(guó)內(nèi)板式換熱器的研究多以人字波紋板為主，對(duì)于凹凸板片換熱器的研究還處于初期階段，且距其標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用還有許多問(wèn)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(duì)其換熱性能和阻力系數(shù)的影響，并概述了其強(qiáng)化傳熱原理及發(fā)展方向，以期對(duì)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(jiǎn)介

1.1 換熱器分類

到目前為止，應(yīng)用到不同領(lǐng)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]。混合式換熱器是通過(guò)參與換熱的冷熱工質(zhì)直接接觸混合進(jìn)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(guò)蓄熱體進(jìn)行熱量交換，常用于高溫?fù)Q熱領(lǐng)域；而間接式換熱器則是通過(guò)冷熱工質(zhì)在間隔開來(lái)的流道中進(jìn)行換熱，相互之間不進(jìn)行直接接觸，在石油化工領(lǐng)域應(yīng)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(jìn)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(guān)注凹凸板式換熱器，對(duì)于其他間壁式換熱器的研究可參考文獻(xiàn)[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(chǎng)上常見(jiàn)的凹凸板片類型是蜂窩板，加工工藝是由兩張薄板通過(guò)焊縫或焊點(diǎn)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(jì)80年代前蘇聯(lián)時(shí)期，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)學(xué)者稱凹坑能夠強(qiáng)化傳熱的現(xiàn)象為“旋風(fēng)冷卻”[24]，直到在90年代中期其他國(guó)家學(xué)者才開始研究有關(guān)凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)于換熱和阻力的影響。

圖1 凹凸板片類型

2 換熱器性能評(píng)價(jià)方法

對(duì)換熱器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)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(jì)性等[12]。早期學(xué)者對(duì)于換熱器強(qiáng)化傳熱性能的評(píng)價(jià)方法比較單一，只考慮單一因素對(duì)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(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者開始從能量利用角度來(lái)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法接踵而來(lái)，研究人員在前人評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)之上引入無(wú)量綱量，從而延伸出一系列綜合評(píng)價(jià)方式[29]。本文對(duì)研究中常用的幾中方法做了簡(jiǎn)要的歸納對(duì)比，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 換熱器性能評(píng)價(jià)方法

3 換熱器的研究方法

早期換熱器研究主要是以實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)擬合回歸出不同變量之間的關(guān)系式，并尋找各參數(shù)之間的關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法憑借花費(fèi)少、周期短和可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)開始在學(xué)術(shù)研究上占有一席之地。

3.1 換熱器實(shí)驗(yàn)研究方法

實(shí)驗(yàn)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(guān)系式；另一種是研究換熱器的內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布狀況[30]。不同實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)的求解方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(cè)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(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，把計(jì)算機(jī)技術(shù)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(lǐng)域研究者的傾心。在換熱器領(lǐng)域，CFD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[37-39]，相比于實(shí)驗(yàn)研究，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，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(chǎng)及溫度場(chǎng)變化狀態(tài)，因此了解數(shù)值模擬對(duì)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(duì)于凹凸板片換熱器的適應(yīng)性優(yōu)于其他湍流模型[21,40]。

圖3 換熱器實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)方式和研究方法，凹凸板式換熱器的研究圍繞強(qiáng)化傳熱機(jī)理、傳熱系數(shù)與壓降之間的關(guān)系、板片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及加工工藝改進(jìn)等方面的相關(guān)研究展開。

4.1 強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究

劉建勇[21]（2011）通過(guò)實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比,發(fā)現(xiàn)三種湍流模型中RNG k-ε模型對(duì)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(qiáng)化換熱的機(jī)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(guò)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(duì)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(duì)于換熱具有強(qiáng)化的作用，從而進(jìn)一步揭示了增強(qiáng)擾動(dòng)是凹凸結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的機(jī)理之一。李隆鍵等[42]（2012）模擬了蜂窩板的三維流動(dòng)傳熱狀況，發(fā)現(xiàn)蜂窩板的凹凸結(jié)構(gòu)使流動(dòng)邊界層和熱邊界層的厚度變薄，而且板上的焊點(diǎn)使流經(jīng)的流體產(chǎn)生漩渦，增大了流體對(duì)壁面的沖擊力，進(jìn)而破壞邊界層強(qiáng)化傳熱。

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

4.2 換熱器傳熱系數(shù)與壓降之間關(guān)系的研究

Mitrovic等[43]（2007）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了凹凸板片換熱器中的單相強(qiáng)制對(duì)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(guò)改變冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量和入口溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且建立了壓降與傳熱之間的關(guān)系式。但是因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只用到了一種類型的凹凸板片，所以得到的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式具有局限性。Arsenyeva等[44]（2019）對(duì)小型的凹凸板片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guān)式。對(duì)于不同幾何尺寸的板片模型，只要滿足相鄰焊點(diǎn)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(diǎn)之間的對(duì)角線距離在0.1到0.2之間變化，無(wú)論是對(duì)于層流模型還是湍流模型，該相關(guān)式都可以用于鼓泡板片的初步設(shè)計(jì)計(jì)算。這為后面對(duì)于新型凹凸板片的開發(fā)提供了一定的借鑒。早期我國(guó)學(xué)者王曉昱等[45]（1990）也對(duì)鼓泡板片換熱器的傳熱性能和阻力降進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)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(duì)于我國(guó)凹凸板式換熱器的開發(fā)具有深遠(yuǎn)的影響。郭志強(qiáng)等[22]（2018）對(duì)于雨滴形狀的板片進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)雨滴型流道能夠有效強(qiáng)化傳熱，而且高傳熱區(qū)位于凹坑后緣。他們還通過(guò)把雨滴型凹坑板與平板進(jìn)行對(duì)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(dòng)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式。

通常增大擾流可以增加工質(zhì)的換熱效率，但同時(shí)流道內(nèi)的阻力也會(huì)增大，因此需要進(jìn)一步研究他們之間的關(guān)系總結(jié)出相應(yīng)的關(guān)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(chǔ)。

4.3 不同板片結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱與流動(dòng)的影響

在早期為了研究凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響狀況，Afanasyev等[46]（1993）對(duì)凹坑板和平板進(jìn)行了初步的傳熱和流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)凹坑板在流動(dòng)阻力增加不大的前提下，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)了30%～40%，這就初步驗(yàn)證了凹坑板相比平板具有更好的傳熱和流動(dòng)特性。陳歡[20]（2012）對(duì)單、雙面蜂窩板進(jìn)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(duì)于板片內(nèi)部流體的流動(dòng)傳熱規(guī)律具有一致性，流體流經(jīng)焊點(diǎn)時(shí)，相比其他平滑區(qū)域，焊點(diǎn)周圍的換熱系數(shù)更高，并且焊點(diǎn)前的換熱系數(shù)大于焊點(diǎn)后的換熱系數(shù)；在焊點(diǎn)直徑過(guò)大時(shí)，擾動(dòng)增強(qiáng)、流動(dòng)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(diǎn)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(duì)凹凸板片通道內(nèi)流體的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)板片焊點(diǎn)直徑對(duì)于通道內(nèi)的傳熱影響可以忽略不計(jì)，但隨著焊點(diǎn)直徑的增大，通道的綜合換熱性能降低，而且對(duì)壓力損失有著直接的影響。Shirzad等[48]（2019）利用CFD對(duì)凹凸板片進(jìn)行模擬研究，通過(guò)研究不同焊點(diǎn)通道高度、縱向間距和橫向間距對(duì)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(diǎn)的橫向和縱向間距，會(huì)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(duì)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(méi)有指出橫向和縱向間距增大的極限值，因此關(guān)于橫向縱向間距的研究仍要繼續(xù)。

對(duì)于凹凸板片換熱器，不同的鼓泡高度、鼓泡大小、焊點(diǎn)間距、焊點(diǎn)大小以及不同板片排列方式都會(huì)改變換熱器的整體換熱性能，不同板型的組合也會(huì)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。王世光等[49]（2015）通過(guò)單因素試驗(yàn)，研究激光焊接速度和焊接功率對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接功率的增大，焊點(diǎn)極限機(jī)械強(qiáng)度先增大后減小，而且焊點(diǎn)速度對(duì)焊點(diǎn)極限機(jī)械強(qiáng)度的影響與焊點(diǎn)功率一致。凹凸板式換熱器想要快速進(jìn)入市場(chǎng)不僅要研究其生產(chǎn)工藝，對(duì)于凹凸板片承壓能力和應(yīng)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(duì)鼓泡板進(jìn)行應(yīng)力分析研究，發(fā)現(xiàn)鼓泡與板的過(guò)渡部位和鼓泡頂部與板的接觸部位是應(yīng)力主要集中的區(qū)域，而且鼓泡板相比于波紋板在工程應(yīng)用方面有更寬廣的操作工況。凹凸板式換熱器也可以應(yīng)用到不同設(shè)備中，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其性能需要進(jìn)一步研究。戴晨影[50]（2015）對(duì)蒸發(fā)式冷凝器板外水和空氣的狀態(tài)進(jìn)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(dāng)空氣流速在2 m/s到3 m/s范圍內(nèi)時(shí)，既能促進(jìn)水膜的蒸發(fā)，又能減少風(fēng)機(jī)的能耗；板外最佳噴淋水量為0.045 kg/s時(shí)，既能有效帶走熱量，又不至于出現(xiàn)水膜厚度過(guò)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(huì)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(lái)研究鼓泡板片換熱器的性能，因?yàn)榧{米顆粒比常規(guī)工質(zhì)具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)。他們利用Fluent進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用場(chǎng)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(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和模擬技術(shù)的廣泛使用，研究人員接下來(lái)對(duì)于凹凸板片的研究將會(huì)更加方便。到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于凹凸板片的研究已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，但是有一些問(wèn)題仍待解決。如腐蝕結(jié)垢問(wèn)題，雖然也有相應(yīng)的處理方法，但是這些方法都是比較復(fù)雜并且有的會(huì)伴隨環(huán)境污染問(wèn)題；相變換熱模擬問(wèn)題，相應(yīng)的研究也有許多，但研究方法都具有比較大局限性，對(duì)于普適性研究方法仍需更深一步的研究。隨著換熱器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，新型換熱器的需求日益增多，把數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究深度地結(jié)合一起，利用多目標(biāo)算法把換熱器的不同參數(shù)同時(shí)進(jìn)行研究，從而尋求更好的優(yōu)化途徑將是未來(lái)?yè)Q熱器研究方向之一。不僅如此，加強(qiáng)交叉領(lǐng)域的聯(lián)系，開發(fā)出新的換熱器材料和制造工藝，也會(huì)是未來(lái)凹凸板片換熱器的研究方向。