板翅式换热器的两相流混合性能模拟分析

韦小雄　李剑锋　林彬彬　缪立栋　周寒秋

换热技术

板翅式换热器的两相流混合性能模拟分析

韦小雄*1李剑锋1林彬彬1缪立栋2周寒秋1

（1.杭州杭氧股份有限公司2.福斯流体设备有限公司）

针对板翅式换热器的气液两相流换热问题，利用工艺模拟软件Aspen Hysys，建立了5种不同冷流组分的板翅式换热器模型。通过比较分析，得出了不同冷流组分气液混合性能对板翅式换热器的换热面积、对数温差和最小温差的影响，为板翅式换热器优化设计提供了新的依据。

板翅式换热器气液两相流混合性能工艺模拟热负荷流量

在石油、化工、气体分离、制冷空调以及航天航空、电子等诸多工业领域中，板翅式换热器得到越来越广泛的应用。在对影响板翅式换热器换热性能的研究中，国内外学者们做了大量工作，这些工作主要包括下述内容：物流分配对板翅式换热器换热效果的影响，包括物流分配不均匀引起换热器效能下降等方面的理论计算［1-3］；导流角度对导流片导流性能影响很大，通过改变导流片的内部结构可有效地改善其导流性能［4］；利用计算机模拟技术对导流片内部流场进行了数值求解，取得了不同结构情况下导流片导流性能的变化规律［5］等。

在板翅式换热器设计中，其气液两相流的混合性能是需要考虑的重要因素之一。根据不同的混合性能设计不同的混合结构，这是板翅式换热器设计成功与否的关键。本文针对气液两相流在板翅式换热器中的混合性能展开，采用工艺模拟软件Aspen Hysys对多个不同混合性能的气液两相流板翅式换热器进行了工艺模拟计算，分析比较了不同气液两相混合性能对板翅式换热器换热性能的影响。

1　工艺模拟

气液两相流物料在多个深冷技术项目中都作为冷源在板翅式换热器中进行换热，因此，本文选取作为冷流的气液两相流为研究对象，并进行工艺模拟的建模。

假定条件：（1）气液两相流在板翅式换热器中完全混合，混合性能达到100%；（2）热流组分工艺参数相同（即热负荷相同）。

状态方程：Peng-Robinson方程。

物性包：Hysys Databanks（Hysys物性包）。1.1两股流换热器

两股流换热器模型如图1所示。其中，一元组分冷流模型、二元组分冷流模型和三元组分冷流模型的参数分别如表1、表2和表3所示。

图1　两股流换热器模型

表1　两股流换热器一元组分冷流模型参数

表2　两股流换热器二元组分冷流模型参数

表3　两股流换热器三元组分冷流模型参数

1.2三股流换热器

三股流换热器模型如图2所示。四元组分冷流模型和五元组分冷流模型参数如表4、表5所示。

图2　三股流换热器模型

表4　三股流换热器四元组分冷流模型参数

2　分析方法与模拟结果

2.1分析方法

在上述5种模型中，相同点之一是冷流入口均为气液两相流。该气液两相流作为板翅式换热器冷流的情况下，其混合性能的好坏直接影响了板翅式换热器换热性能的优劣。针对此特点，首先对每种模型不同的混合性能进行工艺模拟。其建模方法如图3、图4所示。建模后，即可分别就气液两相冷流混合性能为75%、80%、85%、90%、95%和100%时换热器的UA值和LMTD值进行分析比较。其中，气液两相冷流混合性能为75%的定义是：气液两相冷流中75%的气体和液体在换热器中充分混合，另外25%的气体和液体完全不混合。

表5　三股流换热器五元组分冷流模型参数

图3　两股流换热器混合性能75%模型

图4　三股流换热器混合性能75%模型

2.2模拟结果

2.2.1两股流换热器

在热负荷和冷流质量流量相同的前提下，3个模型的两股流换热器UA值比较如图5所示：一元冷流模型所需要的换热面积最小，其次为二元冷流，最大为三元冷流。随着冷流气液混合性能的下降，一元冷流模型所需换热面积基本不变，而二元冷流和三元冷流模型所需换热面积逐渐增大。此外，从曲线中还可以看出：随着混合性能的下降，二元冷流的曲线比三元冷流的曲线斜率更为平缓，可知三元冷流模型比二元冷流模型在冷流混合性能下降时所需增加的换热面积变化值要大。

3个模型的两股流换热器对数温差LMTD和最小温差的比较如图6、图7所示：一元冷流模型LMTD值和最小温差值都最大，其次分别为二元冷流和三元冷流模型。随着冷流混合性能的下降，一元冷流模型的LMTD和最小温差变化不大，二元冷流和三元冷流模型的LMTD和最小温差逐渐变小，LMTD值两者变小的趋势基本一致，曲线变化趋势都基本相同，而在最小温差的变化上二元冷流模型比三元冷流模型变小趋势更为缓慢些。当三元冷流模型冷流的气液混合性能低于80%后，换热计算模拟出现负温差，无法计算出换热器的换热面积。

图5　两股流换热器混合性能和UA值

图6　两股流换热器混合性能和LMTD值

图7　两股流换热器混合性能和最小温差值

2.2.2三股流换热器

在热负荷相同的前提下，2个模型的三股流换热器UA值、LMTD值和最小温差值的比较如图8、图9、图10所示：四元冷流模型所需换热面积比五元冷流的要大，四元冷流模型在LMTD值上比五元冷流模型要小，四元冷流模型最小温差值比五元冷流的要大。因此可以看出，LMTD值的大小在两种模型的比较中对换热器的换热面积的大小影响较大。另外，随着冷流气液混合性能的降低，2个模型的UA值、LMTD值和最小温差值都相应变化，UA值变大，LMTD值和最小温差值都变小。可以看出：在冷流气液混合性能下降趋势相同的情况下，四元冷流和五元冷流模型的UA值、LMTD值和最小温差值的变化相当。

图8　三股流换热器混合性能和UA值

图9　三股流换热器混合性能和LMTD值

图10　三股流换热器混合性能和最小温差值

3　结论

针对气液两相流的混合性能在板翅式换热器中的不同，本文采用工艺模拟软件Aspen Hysys进行了工艺模拟计算，分析比较得出以下结论：

（1）两股流换热器的3个模型，在热负荷和冷流质量流量相同的前提下，一元冷流的换热器模型所需要的换热面积最小，其次为二元冷流模型，最大为三元冷流模型。另外，随着冷流气液混合性能的下降，一元冷流模型所需换热面积基本不变，而二元冷流和三元冷流模型所需换热面积逐渐增大；其中三元冷流模型比二元冷流模型随冷流气液混合性能的下降所要增加的换热面积变化值要大。

（2）三股流换热器的2个模型，在热负荷相同的前提下，四元冷流模型比五元冷流模型所需换热面积要大，四元冷流模型在LMTD值上比五元冷流的要小，四元冷流三股流换热器最小温差值比五元冷流的要大。因此，LMTD值的大小在这2种模型中对换热器的换热面积影响较大。另外，气液混合性能的下降在2种模型中也会导致换热性能降低、换热面积增加。

由上述结论可知，类似上述板翅式换热器模型冷流组分中，气液两相混合性能的好坏直接影响板翅式换热器的换热性能。因此，在设计板翅式换热器时要充分考虑该混合性能对换热面积的影响，混合性能越低的换热器所需换热面积越多，反之若混合性能比较差，在实际应用中板翅式换热器的换热面积将需要增加，否则就不能达到最终设计的要求。目前，大部分存在气液两相流的板翅式换热器基本上是依据设计者以往的经验设计的。本文利用工艺模拟软件Aspen Hysys对5种气液两相冷流模型进行了分析比较，为板翅式换热器在该领域的应用提供了新的设计依据，对板翅式换热器优化设计具有非常现实的指导意义。

［1］Shah R K，London A L.Effects of nonuniform passage in compact heat exchanger performance［J］.J Eng Power，1980，102A：653-659.

［2］Eueller A C，Chiou J P.Review of various types of flow maldistribution in heat exchangers［J］.Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.

［3］Ranganayakulu C，Seetharamu K N.The combined effects of longitudinal heat conduction flow nonuniformity and temperature nonuniformity in crossflow plate-fin heat exchanger［J］.Int Comm Heat Mass Transfer，1999，26：669-678.

［4］焦安军，厉彦忠，张瑞，等.导流片的导流角对其性能的影响［J］.化工学报，2001，52（9）：761-765.

［5］张哲，厉彦忠，田津津.板翅式换热器导流片结构的数值模拟［J］.化工学报，2002，53（12）：1311-1314.

Simulation Analysis of Two Phase Mixing Performance in Plate-fin Heat Exchanger

Wei Xiaoxiong Li Jianfeng Lin Binbin Miao Lidong Zhou Hanqiu

In order to analysize the heat transfer of the gas-liquid interphase in the plate-fin heat exchanger，5 models with different cold flow components are built by applying the process simulation software Aspen Hysys. Through the comparative analysis，the effects of the gas-liquid mixing performance of different cold flows on the heat exchange area，the logarithm temperature difference and the minimum temperature difference are obtained，which is of great importance in the optimal design of the plate-fin heat exchanger.

Plate-fin heat exchanger；Gas-liquid interphase；Mixing performance；Process simulation；Thermal loading；Flux

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.011

2016-03-04）

*韦小雄，男，1982年生，工程师，硕士。杭州市，310004。