板翅式换热器的分液优化研究现状

2020-10-30喻志祥俞大有廖智强周晋

建筑热能通风空调 2020年9期

喻志祥俞大有廖智强周晋*

1 湖南大学土木工程学院

2 中民筑友智能装备科技有限公司

由于板翅式换热器内部流体分配不均匀性导致换热效率降低和设备使用寿命缩减已经成为制约板翅式换热器发展的一大瓶颈，为此国内外学者进行了多方面的探索研究，可归纳为以下几个方面：研究入口截面温度对分液不均匀性的影响。研究单、多相流对分液均匀性的影响。研究流动状态对分液均匀性的影响。通过建立数学模型来评估板翅式换热器分液不均匀性或性能恶化程度。利用数值仿真技术结合实验对封头和分配器等结构进行优化，利用智能算法对冷热通道进行最优化布置等。其中国外的研究开始时间较早，对理论的探索研究比较深入，提出了许多的数学模型，同时也研究了影响换热器分液不均的各种因素。而国内的研究近5 年来都是比较多的，主要针对换热器的结构优化和数值仿真做了许多的深入研究，对于通道优化布置，由于智能算法的迅速发，也逐渐应用在了换热器通道布置的最优化问题上。本文基于国内外对板翅式换热器中流体分配均匀性的研究成果，总结了影响板翅式换热器分液不均的因素，板翅式换热器封头和分配器的结构优化和通道布置优化现状以及CFD 数值仿真技术在该问题上的应用。在此基础上，提出了目前研究未涉及的方面及未来的研究方向。

1 分液不均的影响因素

影响板翅式换热器性能的重要因素是入口截面温度的不均匀性。流体有可能以不同的温度进入换热器，当流体在进入管道前温度差异较大，就可能会发生性能恶化。Gao[1]研究了三种不同类型的流体入口温度不均匀性的情况，发现非均匀入口温度对换热器的稳态和瞬态性能均有显著影响。结果表明：稳态非均匀入口温度不仅影响换热器的稳态性能，而且影响换热器的瞬态性能，而稳态非均匀入口温度只影响换热器的稳态性能。

此外，影响换热器分液不均的原因还有很多，制造公差、流体的性质、流动方式等均会影响到流体分配特性，Mueller 和Chiou[2]等人将其归结为以下几个方面：首先，由于集管或入口管道的设计不佳导致流体分布不均匀。其次，在操作过程中流体性质的变化，例如粘度，密度或发生相变。而且相比于单相流，多相流更难以均匀分布。此外换热器内结垢或腐蚀同样也会导致此问题。

在换热器设计过程中应尽量避免出现层流或者过渡流，从强化传热的角度来看是为了提高换热器的换热性能，此外还有一个原因就是不均匀分布对传热的影响也取决于流体流动状态是湍流还是层流。Mueller 和Ranganayakulu 等人[3-4]研究了流动状态对换热器热工性能的影响，结果发现在湍流和高雷诺数的情况下，换热器的性能未受到较大的影响。在层流状态下，更容易出现分布不均匀且性能下降十分严重，对此需要在设计时考虑足够的压降来防止分布不均匀造成的性能恶化，或者采用多通道来减少分布不均匀的影响。

除此之外，流体是单相流还是多相流同样会影响到分布情况，文献[5-7]研究结果表明只有单相流动的热交换器通常不会因为流量分布不均而导致热工性能显著下降，然而涉及相变或多相流动的热交换器出现流动不均匀以及由此导致的热性能和机械性能恶化的可能性却是最大的。在许多情况下，流动不均匀通常发生在局部区域，造成的局部影响比总换热系数的恶化更为严重。因为在有腐蚀、磨损、污垢、材料疲劳的局部区域可能会缩短设备的使用寿命或增加设备维护费用。

除了上述影响因素外，Shah[8]研究了流动分布不均匀对传热的影响，发现流动分布不均匀是由进气道的速度分布引起的。Tereda[9]等人测量了不同位置的进气口和出气口内的压力，分析了板式换热器内的流量和压力分布。测量结果表明，流量分布的不均匀性随流量的增大而增大，随端口直径的增大而减小。Camilleri[10]等人发现，管头面积比是控制紧凑多通道并联换热器中不均匀分布的一个重要参数。随着面积比的增大，流场分布不均匀性变得更加明显，对雷诺数的增大和平行管道长度的减小更加敏感。表1 列出了板翅式换热器分液不均的影响因素。

表1 板翅式换热器分液不均的影响因素

2 分液不均的数学模型

在热交换器中，由于传热的发生，流体和换热器内部都存在着较大的温度梯度。大多数换热器的传热和压降计算中，通常都假定换热器内部的进口流量分布是均匀的，但是由于各种原因，这些假设在实际操作条件下往往是不现实的，通过建立数学模型来预测流动分布可以更好的帮助设计人员进行换热器设计。

Ranganayakulu[11]对横流板翅式换热器进行了分析，考虑了通过换热器壁的二维纵向热传导和不均匀的入口流体流动和温度分布的综合影响，使用有限元法进行分析，考虑到流体流动的可能偏差，开发了二维数学模型，得出了不同类型的流体流动、温度分布不均模型。结果表明，入口气流的不均匀分布对热工性能有较大的影响，总换热率恶化程度最大可下降12.45%。

Raul[12]等人对一种板式翅片换热器进行了三维数值分析，研究了换热器入口封头结构中流体流动不均匀对换热器性能的影响。提出了流动不均匀性参数Sg和速度比θ 用于评估流动不均匀程度。

Ismail[13]对进口气流分布不均匀和翅片几何形状对热工性能的影响进行了数值分析，得到了在已知进口集箱和翅片结构下，科尔本系数j，风扇摩擦系数f与雷诺数Re 之间的相关方程，并进行了验证。

Chin[14-15]定量研究了进口流量不均匀统计矩(均值，标准差，偏态和峰度)对板翅换热性能和水力性能的退化影响，发现均值和标准差对性能退化影响最大。

Mao[16]建立了气流作用下多百叶翅片交叉流冷凝器的验证模型分析了入口流量分布不均匀对传热速率和压降的影响。

Ossetti[17]提出了翅片管式换热器的热流体动力学模型，研究了全通道模型中温度，传热系数和冷却功率分布不均匀的三维效应。

迄今为止，仍然没有一个数学模型能够准确定量地评价流体分布不均匀对板翅式换热器热工水力性能的影响。

3 板翅式换热器通道优化

冷热通道布置是影响多流板翅式换热器热工性能的重要因素，但是由于有限元分析方法过于复杂，且在工程实际应用中还没有一种能够精确描述板翅式换热器中实际流体流动分布的流动模型，因此通道的优化布置需要借助一些智能算法来完成。最常用的是利用遗传算法来进行寻优，找出最优的通道布置。表2 为板翅式换热器通道优化采用的方法。

4 板翅式换热器结构优化

4.1 分配器

分配器是对换热器来流中的气体或液体或气液混合物进行分配，其结构的优化对流体的均匀分配有着重要的作用。Jiao[26]等人提出分配器的角度对流量的分布特性有显著影响，他们测试了4 个不同的分配器角度中，结果发现分配器角度为45°时可获得最佳性能。通过使用改进的分配器，温度不均匀度可以从1.078 降低到0.712。Zhang[27]等人提出了一种改进型配气盘，并对其进行了实验研究。实验结果表明，改进后的分布器改善了换热器的热工性能。在板翅式换热器的进口安装该分配器，在标准试验条件下，流量和温度的不均匀性分别降低到基准设计的57.4%和13.7%，同时他们得出了流量分布均匀性与雷诺数之间的关系。

Yuan[28]利用CFX 数值仿真软件对分配器的分配特性进行数值研究。该分配器的主要特点是在分配器前面，气体和液体分别进入分配器。对空气-水混合物进行的模拟结果表明，与传统的分配器相比，该分配器可以明显改善板翅式换热器的流量分布。

Li[29]等人提出制约板翅式换热器换热效率的主要因素多相流中分液不均匀。传统板翅式换热器分配器采用的是“先混合，后分配”方法，这样并不能解决气液两相分离引起的流体分配不均问题。因此提出了一种新型的气液分配器，根据“先分配，后混合”的理念，气液两相分别从各自的通道进入分配器，均匀混合后进入换热器通道内进行换热。

张哲[30]等人建立了板翅式换热器中分配器的流体流动模型，研究了分配器结构对换热器内流体流动分布的影响。同时，针对板翅式换热器在不同结构和工况下可能存在的流体流动偏差，建立了不同类型的流场分布不均匀模型的数学方程，计算了板翅式换热器在不同结构和工况下的流场分布。计算结果表明，非均匀进口速度，进口角和翅片上的孔板直径是影响分配器分布性能的主要因素。通过改变分布器的结构，可以有效地改善板翅式换热器的流体流动分布。当孔板直径为2 mm 时，分配器达到最佳的分配性能。

4.2 封头

封头（集箱）的主要作用是汇集和分配流体，封头的结构对流体的分配有非常大的影响。目前针对该结构的研究文献较多，优化后的封头的结构能够不同程度的改善分液不均的情况。

Zhang 等人提出了改进的穿孔板联箱结构。研究结果表明，采用新的封头结构可以有效地改善板翅式换热器的热工性能。通过改变封头结构，在标准试验条件下，板翅式换热器的流量不均匀度和温度不均匀度分别降低到16.8%和74.8%。

Chu 等人提出了四种改进的进气歧管，包括斜折流板，分段折流板，螺旋折流板和改进螺旋折流板。结果表明，所有的设计都或多或少地改善了各通道间的均匀流场分布。通过对流量不均匀性，努塞尔数和摩擦系数的比较，发现等螺旋挡板进气歧管的流量不均匀性最好，平均可降低52%。

Wen 等人利用粒子图像测速仪（PIV）研究了板翅式换热器入口流场的流动特性，实验得到了一系列不同截面的速度矢量图和流线图。实验结果表明，传统的进口流态分布不均匀的性能非常严重，而改进的带冲孔挡板的进口流态分布可以有效地改善进口流态分布性能。在分析流体流动不均匀性的基础上，建议在进口结构上安装一个带有小孔的挡板，以提高流动分布性能。板翅式换热器的流量分布参数S 由1.21 降低到0.209，穿孔挡板的安装使最大流速与最小流速的比值由2.32 低到1.76。

王江等人发现随着Re 的增大，换热器出口温度分布不均匀性增加。此外，若传热温差较大，温度分布的不均匀性也会增加。

Wen 等人提出了一种改进的板翅式换热器集箱结构，在集箱中安装三种不同直径的小孔挡板。得到不同封头结构下的流量分布不均匀参数S。当折流板安装合理，长度适中，轴线与折流板边界错开布置，孔分布合理时，不同雷诺数下的最大流速与最小流速之比由3.44～3.04 降至1.57～1.68。

Said 等人提出集管布置是换热器中常用的布置形式。这种布置用于将集箱中的流量分配到几个管道中，以实现所需的热交换。管道内的流动不均匀是由于管道入口处出现了收缩而引起的。为了减小集管布置中的流动不均匀性，提出了两种方法，并进行了数值求解。第一种方法是通过引入一个孔口来减少实际的管入口。研究结果表明，采用孔板法可使流动不均匀性降低约12 倍。与无孔换热器相比，换热器的压降增加了7.8%。在第二种方法中，通过引入喷嘴来增加实际的管入口。研究结果表明，采用喷嘴法可使流动不均匀性降低约7.5 倍。然而，与没有喷嘴的情况相比，换热器的压降降低了9.8%。

表3 为封头的各种优化措施。

表3 封头的优化措施

4.3 导流片

在铝制板翅式换热器中，导流片通常位于翅片的两端，其作用是对进出口流体进行导流，改善流体在换热器内的分布特性，避免流动死区，提高换热效率，但是目前针对导流片的研究相对缺乏。焦安军[37]等人对不同的导流片结构参数和导流性能进行了深入研究，发现导流片对换热器分配特性的影响主要集中在总流动方向上，导流片对降低换热器内流体分布不均匀性有重要作用，但目前该方向上的研究文献较少，且只针对理论进行了探索研究，未深入到实际应用中，未来可在这一方向上深入研究。

5 CFD 技术的应用

计算流体力学（CFD）已应用于各种类型换热器的流体流动不均匀，结垢，压降和设计优化阶段的热分析等方面，和实验结果有较好的关联性。采用标准κ-ε 模型，可实现κ-ε 模型，雷诺应力模型和线性压力应变模型等通用商用CFD 工具中不同的湍流模型，采用SIMPLE、SIMPLEC、PISO 等速度-压力耦合方案进行模拟。数值模拟结果的质量基本在可接受范围内，因此可以证明CFD 是预测各种换热器性能和性能的有效工具[38]。

Wahiba 等人对7 种进气气流分布的直列板翅管换热器进行了CFD 仿真，系统分析了它们对系统性能的影响。结果表明，与具有均匀进口速度剖面的热交换器的基准情况相比，换热效率有高达50%恶化。

Wen 等人针对三种不同的封头构型，分别采用常规构型和改进构型，得到了一系列不同截面的速度矢量和流线图。数值计算和实验结果表明，常规入口流体分布不均匀的性能有所恶化，而改进的冲孔挡板结构可以有效地改善径向和轴向的性能。改进的首选是小孔交错分布的挡板。

Saad 等人采用CFD 界面跟踪方法，对板翅式换热器配气系统内的两相流进行了数值模拟。结果表明，CFD 能够较好地预测实验换热器内气体和液体分布的不均匀性。

Gandhi 等人利用CFD 数值模拟方法，研究了集箱和集管中纯蒸汽的流动和压力分布。结果表明，管径，管数及其相对于进、出口管道的位置布置是影响管网流量和压力分布的最重要设计参数。通过CFD 数值模拟，得到了管道式分布器在大范围的管径和集管直径，管间距，进出口管径和管数下的流量和压力分布。研究表明，分布均匀性是分布器几何形状和入口动能的特定函数。

Zhang 等人通过研究，提出了两种改进的两段式封头，并利用CFD 对其进行了仿真。对两级结构入口等效直径的影响进行了数值研究，并与实验测量结果进行了比较。结果表明，在出口和进口当量直径比相同的情况下，板翅式换热器内的流场分布更加均匀。

表4 为CFD 主要研究内容及结果。