板翅式換熱器的分液優(yōu)化研究現(xiàn)狀

喻志祥 俞大有 廖智強(qiáng) 周晉*

1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)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(nèi)部流體分配不均勻性導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低和設(shè)備使用壽命縮減已經(jīng)成為制約板翅式換熱器發(fā)展的一大瓶頸，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的探索研究，可歸納為以下幾個(gè)方面：研究入口截面溫度對(duì)分液不均勻性的影響。研究單、多相流對(duì)分液均勻性的影響。研究流動(dòng)狀態(tài)對(duì)分液均勻性的影響。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)評(píng)估板翅式換熱器分液不均勻性或性能惡化程度。利用數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)封頭和分配器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用智能算法對(duì)冷熱通道進(jìn)行最優(yōu)化布置等。其中國(guó)外的研究開始時(shí)間較早，對(duì)理論的探索研究比較深入，提出了許多的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)也研究了影響換熱器分液不均的各種因素。而國(guó)內(nèi)的研究近5 年來(lái)都是比較多的，主要針對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和數(shù)值仿真做了許多的深入研究，對(duì)于通道優(yōu)化布置，由于智能算法的迅速發(fā)，也逐漸應(yīng)用在了換熱器通道布置的最優(yōu)化問題上。本文基于國(guó)內(nèi)外對(duì)板翅式換熱器中流體分配均勻性的研究成果，總結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化和通道布置優(yōu)化現(xiàn)狀以及CFD 數(shù)值仿真技術(shù)在該問題上的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了目前研究未涉及的方面及未來(lái)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(jìn)入換熱器，當(dāng)流體在進(jìn)入管道前溫度差異較大，就可能會(huì)發(fā)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(fā)現(xiàn)非均勻入口溫度對(duì)換熱器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能均有顯著影響。結(jié)果表明：穩(wěn)態(tài)非均勻入口溫度不僅影響換熱器的穩(wěn)態(tài)性能，而且影響換熱器的瞬態(tài)性能，而穩(wěn)態(tài)非均勻入口溫度只影響換熱器的穩(wěn)態(tài)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(zhì)、流動(dòng)方式等均會(huì)影響到流體分配特性，Mueller 和Chiou[2]等人將其歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：首先，由于集管或入口管道的設(shè)計(jì)不佳導(dǎo)致流體分布不均勻。其次，在操作過(guò)程中流體性質(zhì)的變化，例如粘度，密度或發(fā)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(nèi)結(jié)垢或腐蝕同樣也會(huì)導(dǎo)致此問題。

在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)層流或者過(guò)渡流，從強(qiáng)化傳熱的角度來(lái)看是為了提高換熱器的換熱性能，此外還有一個(gè)原因就是不均勻分布對(duì)傳熱的影響也取決于流體流動(dòng)狀態(tài)是湍流還是層流。Mueller 和Ranganayakulu 等人[3-4]研究了流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱器熱工性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在湍流和高雷諾數(shù)的情況下，換熱器的性能未受到較大的影響。在層流狀態(tài)下，更容易出現(xiàn)分布不均勻且性能下降十分嚴(yán)重，對(duì)此需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠的壓降來(lái)防止分布不均勻造成的性能惡化，或者采用多通道來(lái)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(huì)影響到分布情況，文獻(xiàn)[5-7]研究結(jié)果表明只有單相流動(dòng)的熱交換器通常不會(huì)因?yàn)榱髁糠植疾痪鴮?dǎo)致熱工性能顯著下降，然而涉及相變或多相流動(dòng)的熱交換器出現(xiàn)流動(dòng)不均勻以及由此導(dǎo)致的熱性能和機(jī)械性能惡化的可能性卻是最大的。在許多情況下，流動(dòng)不均勻通常發(fā)生在局部區(qū)域，造成的局部影響比總換熱系數(shù)的惡化更為嚴(yán)重。因?yàn)樵谟懈g、磨損、污垢、材料疲勞的局部區(qū)域可能會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命或增加設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

除了上述影響因素外，Shah[8]研究了流動(dòng)分布不均勻?qū)鳠岬挠绊?，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)分布不均勻是由進(jìn)氣道的速度分布引起的。Tereda[9]等人測(cè)量了不同位置的進(jìn)氣口和出氣口內(nèi)的壓力，分析了板式換熱器內(nèi)的流量和壓力分布。測(cè)量結(jié)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(fā)現(xiàn)，管頭面積比是控制緊湊多通道并聯(lián)換熱器中不均勻分布的一個(gè)重要參數(shù)。隨著面積比的增大，流場(chǎng)分布不均勻性變得更加明顯，對(duì)雷諾數(shù)的增大和平行管道長(zhǎng)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(shù)學(xué)模型

在熱交換器中，由于傳熱的發(fā)生，流體和換熱器內(nèi)部都存在著較大的溫度梯度。大多數(shù)換熱器的傳熱和壓降計(jì)算中，通常都假定換熱器內(nèi)部的進(jìn)口流量分布是均勻的，但是由于各種原因，這些假設(shè)在實(shí)際操作條件下往往是不現(xiàn)實(shí)的，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)流動(dòng)分布可以更好的幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)。

Ranganayakulu[11]對(duì)橫流板翅式換熱器進(jìn)行了分析，考慮了通過(guò)換熱器壁的二維縱向熱傳導(dǎo)和不均勻的入口流體流動(dòng)和溫度分布的綜合影響，使用有限元法進(jìn)行分析，考慮到流體流動(dòng)的可能偏差，開發(fā)了二維數(shù)學(xué)模型，得出了不同類型的流體流動(dòng)、溫度分布不均模型。結(jié)果表明，入口氣流的不均勻分布對(duì)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(duì)一種板式翅片換熱器進(jìn)行了三維數(shù)值分析，研究了換熱器入口封頭結(jié)構(gòu)中流體流動(dòng)不均勻?qū)Q熱器性能的影響。提出了流動(dòng)不均勻性參數(shù)Sg和速度比θ 用于評(píng)估流動(dòng)不均勻程度。

Ismail[13]對(duì)進(jìn)口氣流分布不均勻和翅片幾何形狀對(duì)熱工性能的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了在已知進(jìn)口集箱和翅片結(jié)構(gòu)下，科爾本系數(shù)j，風(fēng)扇摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)Re 之間的相關(guān)方程，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

Chin[14-15]定量研究了進(jìn)口流量不均勻統(tǒng)計(jì)矩(均值，標(biāo)準(zhǔn)差，偏態(tài)和峰度)對(duì)板翅換熱性能和水力性能的退化影響，發(fā)現(xiàn)均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)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(yàn)證模型分析了入口流量分布不均勻?qū)鳠崴俾屎蛪航档挠绊憽?/p>

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

迄今為止，仍然沒有一個(gè)數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確定量地評(píng)價(jià)流體分布不均勻?qū)Π宄崾綋Q熱器熱工水力性能的影響。

3 板翅式換熱器通道優(yōu)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(guò)于復(fù)雜，且在工程實(shí)際應(yīng)用中還沒有一種能夠精確描述板翅式換熱器中實(shí)際流體流動(dòng)分布的流動(dòng)模型，因此通道的優(yōu)化布置需要借助一些智能算法來(lái)完成。最常用的是利用遺傳算法來(lái)進(jìn)行尋優(yōu)，找出最優(yōu)的通道布置。表2 為板翅式換熱器通道優(yōu)化采用的方法。

4 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 分配器

分配器是對(duì)換熱器來(lái)流中的氣體或液體或氣液混合物進(jìn)行分配，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)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(duì)流量的分布特性有顯著影響，他們測(cè)試了4 個(gè)不同的分配器角度中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分配器角度為45°時(shí)可獲得最佳性能。通過(guò)使用改進(jìn)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(jìn)型配氣盤，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)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(jìn)口安裝該分配器，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，流量和溫度的不均勻性分別降低到基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的57.4%和13.7%，同時(shí)他們得出了流量分布均勻性與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。

Yuan[28]利用CFX 數(shù)值仿真軟件對(duì)分配器的分配特性進(jìn)行數(shù)值研究。該分配器的主要特點(diǎn)是在分配器前面，氣體和液體分別進(jìn)入分配器。對(duì)空氣-水混合物進(jìn)行的模擬結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(tǒng)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(jù)“先分配，后混合”的理念，氣液兩相分別從各自的通道進(jìn)入分配器，均勻混合后進(jìn)入換熱器通道內(nèi)進(jìn)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(dòng)模型，研究了分配器結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)分布的影響。同時(shí)，針對(duì)板翅式換熱器在不同結(jié)構(gòu)和工況下可能存在的流體流動(dòng)偏差，建立了不同類型的流場(chǎng)分布不均勻模型的數(shù)學(xué)方程，計(jì)算了板翅式換熱器在不同結(jié)構(gòu)和工況下的流場(chǎng)分布。計(jì)算結(jié)果表明，非均勻進(jìn)口速度，進(jìn)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(guò)改變分布器的結(jié)構(gòu)，可以有效地改善板翅式換熱器的流體流動(dòng)分布。當(dāng)孔板直徑為2 mm 時(shí)，分配器達(dá)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(jié)構(gòu)對(duì)流體的分配有非常大的影響。目前針對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究文獻(xiàn)較多，優(yōu)化后的封頭的結(jié)構(gòu)能夠不同程度的改善分液不均的情況。

Zhang 等人提出了改進(jìn)的穿孔板聯(lián)箱結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，采用新的封頭結(jié)構(gòu)可以有效地改善板翅式換熱器的熱工性能。通過(guò)改變封頭結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(jìn)的進(jìn)氣歧管，包括斜折流板，分段折流板，螺旋折流板和改進(jìn)螺旋折流板。結(jié)果表明，所有的設(shè)計(jì)都或多或少地改善了各通道間的均勻流場(chǎng)分布。通過(guò)對(duì)流量不均勻性，努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)等螺旋擋板進(jìn)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(cè)速儀（PIV）研究了板翅式換熱器入口流場(chǎng)的流動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)得到了一系列不同截面的速度矢量圖和流線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)的進(jìn)口流態(tài)分布不均勻的性能非常嚴(yán)重，而改進(jìn)的帶沖孔擋板的進(jìn)口流態(tài)分布可以有效地改善進(jìn)口流態(tài)分布性能。在分析流體流動(dòng)不均勻性的基礎(chǔ)上，建議在進(jìn)口結(jié)構(gòu)上安裝一個(gè)帶有小孔的擋板，以提高流動(dòng)分布性能。板翅式換熱器的流量分布參數(shù)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(fā)現(xiàn)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(huì)增加。

Wen 等人提出了一種改進(jìn)的板翅式換熱器集箱結(jié)構(gòu)，在集箱中安裝三種不同直徑的小孔擋板。得到不同封頭結(jié)構(gòu)下的流量分布不均勻參數(shù)S。當(dāng)折流板安裝合理，長(zhǎng)度適中，軸線與折流板邊界錯(cuò)開布置，孔分布合理時(shí)，不同雷諾數(shù)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(gè)管道中，以實(shí)現(xiàn)所需的熱交換。管道內(nèi)的流動(dòng)不均勻是由于管道入口處出現(xiàn)了收縮而引起的。為了減小集管布置中的流動(dòng)不均勻性，提出了兩種方法，并進(jìn)行了數(shù)值求解。第一種方法是通過(guò)引入一個(gè)孔口來(lái)減少實(shí)際的管入口。研究結(jié)果表明，采用孔板法可使流動(dòng)不均勻性降低約12 倍。與無(wú)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(guò)引入噴嘴來(lái)增加實(shí)際的管入口。研究結(jié)果表明，采用噴嘴法可使流動(dòng)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(yōu)化措施。

表3 封頭的優(yōu)化措施

4.3 導(dǎo)流片

在鋁制板翅式換熱器中，導(dǎo)流片通常位于翅片的兩端，其作用是對(duì)進(jìn)出口流體進(jìn)行導(dǎo)流，改善流體在換熱器內(nèi)的分布特性，避免流動(dòng)死區(qū)，提高換熱效率，但是目前針對(duì)導(dǎo)流片的研究相對(duì)缺乏。焦安軍[37]等人對(duì)不同的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)和導(dǎo)流性能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流片對(duì)換熱器分配特性的影響主要集中在總流動(dòng)方向上，導(dǎo)流片對(duì)降低換熱器內(nèi)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(xiàn)較少，且只針對(duì)理論進(jìn)行了探索研究，未深入到實(shí)際應(yīng)用中，未來(lái)可在這一方向上深入研究。

5 CFD 技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）已應(yīng)用于各種類型換熱器的流體流動(dòng)不均勻，結(jié)垢，壓降和設(shè)計(jì)優(yōu)化階段的熱分析等方面，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的關(guān)聯(lián)性。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型，可實(shí)現(xiàn)κ-ε 模型，雷諾應(yīng)力模型和線性壓力應(yīng)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(jìn)行模擬。數(shù)值模擬結(jié)果的質(zhì)量基本在可接受范圍內(nèi)，因此可以證明CFD 是預(yù)測(cè)各種換熱器性能和性能的有效工具[38]。

Wahiba 等人對(duì)7 種進(jìn)氣氣流分布的直列板翅管換熱器進(jìn)行了CFD 仿真，系統(tǒng)分析了它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，與具有均勻進(jìn)口速度剖面的熱交換器的基準(zhǔn)情況相比，換熱效率有高達(dá)50%惡化。

Wen 等人針對(duì)三種不同的封頭構(gòu)型，分別采用常規(guī)構(gòu)型和改進(jìn)構(gòu)型，得到了一系列不同截面的速度矢量和流線圖。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)入口流體分布不均勻的性能有所惡化，而改進(jìn)的沖孔擋板結(jié)構(gòu)可以有效地改善徑向和軸向的性能。改進(jìn)的首選是小孔交錯(cuò)分布的擋板。

Saad 等人采用CFD 界面跟蹤方法，對(duì)板翅式換熱器配氣系統(tǒng)內(nèi)的兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，CFD 能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)換熱器內(nèi)氣體和液體分布的不均勻性。

Gandhi 等人利用CFD 數(shù)值模擬方法，研究了集箱和集管中純蒸汽的流動(dòng)和壓力分布。結(jié)果表明，管徑，管數(shù)及其相對(duì)于進(jìn)、出口管道的位置布置是影響管網(wǎng)流量和壓力分布的最重要設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)CFD 數(shù)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(jìn)出口管徑和管數(shù)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(dòng)能的特定函數(shù)。

Zhang 等人通過(guò)研究，提出了兩種改進(jìn)的兩段式封頭，并利用CFD 對(duì)其進(jìn)行了仿真。對(duì)兩級(jí)結(jié)構(gòu)入口等效直徑的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在出口和進(jìn)口當(dāng)量直徑比相同的情況下，板翅式換熱器內(nèi)的流場(chǎng)分布更加均勻。

表4 為CFD 主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果。

表4 CFD 主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)及展望

板翅式換熱器仍然在許多領(lǐng)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(yán)重制約了換熱器的效率。本文綜述了板翅式換熱器分液優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)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(jīng)趨于成熟，無(wú)論是用于預(yù)測(cè)換熱器分液不均勻性的數(shù)學(xué)模型還是評(píng)估換熱器性能的模型都有較多的研究成果，且結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)。

2）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化近幾年成為了一個(gè)熱點(diǎn)的研究趨勢(shì)，集中體現(xiàn)在板翅式換熱的封頭和分配器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。借助于CFD 仿真軟件能夠更加直觀、簡(jiǎn)便的進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，且其運(yùn)算結(jié)果也獲得大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可，說(shuō)明其具有一定權(quán)威性，因此應(yīng)用的也比較廣泛。

3）目前對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了許多成果，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。針對(duì)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(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的研究勢(shì)必要再向前推進(jìn)，最后進(jìn)入市場(chǎng)，將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。

4）換熱器內(nèi)部結(jié)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(lái)可以朝著這個(gè)方向進(jìn)行深入探索。

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