王重陽 姜未汀 韓維哲 施吉璐 潘衛(wèi)國

1.上海電力大學(xué) 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(shè)備，人為因素較少，生產(chǎn)自動化程度高[1]。當(dāng)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(jié)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(jié)冰嚴(yán)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(jié)垢現(xiàn)象，直接導(dǎo)致通道內(nèi)流體流速降低，大大增加了結(jié)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(dǎo)致了換熱器水側(cè)局部溫度降低至凝固點以下并迅速結(jié)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(shè)計方案。當(dāng)制冷劑側(cè)蒸發(fā)壓力低于設(shè)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(dǎo)致水結(jié)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(yīng)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(jié)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(yù)測是否結(jié)冰。分析可得，減小水流量會導(dǎo)致出口水溫低于冰點（0 ℃），從而導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部結(jié)冰。

綜上所述，制冷劑蒸發(fā)溫度過低是導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)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(yīng)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(jié)冰。釬焊板式換熱器防凍難點在于我們無法獲取板片間結(jié)冰的時間、位置以及結(jié)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(xué)者大部分利用計算流體力學(xué)（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(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)置了波紋，此模型更接近于板式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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(jié)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(fù)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(shè)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(jié)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(jié)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(jié)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(xué)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(zhǔn)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(shè)計提供準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)。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(jié)果證明添加恒定的熱通量作為邊界條件更接近于實驗結(jié)果，偏差在2%至20%。作者對單個流體域進行網(wǎng)格劃分，結(jié)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(wù)器的要求較嚴(yán)格。目前在Fluent2019 及以上版本中，我們可以采用基于“馬賽克”技術(shù)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(jié)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(yù)測最接近實驗，而壓降與所使用的模型無關(guān)。這一關(guān)鍵結(jié)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(jié)冰模擬

Fluent 可以求解關(guān)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(dāng)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(jié)冰過程。其中波紋板1、2 設(shè)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(dāng)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(jié)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(shè)計中應(yīng)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(jié)冰的目的。通過反復(fù)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(jié)冰。

圖4 結(jié)冰計算結(jié)果

3 結(jié)論

1）目前，釬焊板式換熱器在實際應(yīng)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(yù)測板式換熱器內(nèi)是否結(jié)冰，但是還無法直接獲取結(jié)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(jié)冰的位置在焊點附近以及尖銳的部分，為了防止水結(jié)冰應(yīng)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(jié)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(jié)果的準(zhǔn)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(jié)果的正確性。最終對板式換熱器結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，使設(shè)備具有更高的抗凍性。