板式换热器中两相流特性研究综述

【摘 要】本文通过总结了近些年板式换热器中的两相流特性研究现状，分析比较了不同研究方法对板式换热器两相流的影响，提出对板式换热器研究时应该考虑的问题，并给出了研究建议。

【关键词】板式换热器；两相流；实验；数值模拟

0 引言

换热器是用来将热流体的热量传给冷流体，可以完成不同品质热量的转换，具有新型、高效、紧凑的特点。而能源的利用消耗与换热问题密切相关，例如电厂中给水的加热、再热、过热，供暖和制冷设备中工质的加热与冷却等。因而倍受现在工业生产的重视，对板式换热器的研究对于节能环保就有重要意义。

两种或两种以上相态物质的流动称为两相流或多相流[1]，两相之间存在一个相界面，流动的变化会使相界面发生变化或变形，使气液两相的流动和传热机理发生改变，从而使流动阻力和传热量发生变化[2]。本文总结了近些年板式换热器中气液两相流的流动换热研究方法，并对板式换热器的研究方向提出了建议。

1 板式换热器的简介

目前使用比较普遍的是可拆卸式板式换热器（如图1），它主要由波纹金属板片、密封垫圈和压紧装置三部分组成[3]。

波纹板片是换热器工作的主要部分，其厚度一般在0.6mm～0.8mm之间，在对板片设计时主要考虑以下因素：第一，要能够保证流体在较小的流速时仍发生强烈的湍流；第二，要具有足够的承压能力，能够尽量满足在不同场合能够安全工作。板片的材料主要有黄铜、不锈钢以及一些稀有金属的合金材料，在使用中会根据流动介质的不同，选择一种经济适用的材料。生产制造时，用特定的磨具压制成不同波纹夹角、波纹高度、波纹节距以及换热面积大小不相等、形状各异的波纹板片，并在板片的四角处分别开有的相同大小角孔作为换热介质的流入流出通道。

密封垫圈是板式换热器中最为重要并且要求最为苛刻的零件，它的作用是对换热器内的介质进行密封，防止介质发生泄漏，并且它还承担着分离冷热介质，防止它们相互混合的作用。密封垫圈的密封周边较长，一个面积仅为0.5m2的波纹板片，密封垫圈长度就可达4.5m。因此板式换热器发生故障时，问题大部分出现在密封垫圈上，例如脱落，断裂等，因此对密封垫圈有着特殊的要求。我国目前常用的密封垫圈材料有橡胶和石棉纤维板等。

压紧装置主要包括压紧板和压紧螺栓，它们与其它一些部件（如接管、轴等）起到固定和保证板式换热器安全运行的作用。

板式换热器传热高效、对数平均温差大、结构简单轻巧、换热面积和流程组合容易改变、重量轻、价格低、制作方便、安装清洗简单、不易结垢、使用寿命长、换热系数高等优点。但是有较大的压力损失，工作压力较小，工质温度较低，容量不大，还有可能发生堵塞等。

2 国内外研究现状

目前，国内外学者对两相流的研究很多，研究的方法分为数值仿真技术和实验研究两大类。

2.1 实验研究

实验是研究气液两相流的主要方法，通过气液两相流动实验来得到流体流动变化的各种工况条件，再由此归纳出两相流动的形式以及变化规律。目前，各大板式换热器厂商主要是通过实验与经验相结合的方法来对换热器进行研究[4]。Shiomi等[5]以30-30°、30-60°、60-30°、60-60°四种不同波纹角的板片组合为研究对象进行实验，研究了人字形板通道中的单相和气液两相流动情况，发现在水平流动时可观察到层流和扩散流，在垂直流动时只能观察到扩散流，并且在水平流动时上板片波纹角对两相流型和压降影响很大。Kitti Nilpueng[6]将气水混合物作为冷流体在单流道板式换热器中逆流垂直向上和向下流动，发现在向上和向下流动都出现了环状液桥流，但泡状流和弹状流分别只出现在向上和向下流动中；气水的速度对两相压降有很大影响，但流型对压降几乎没有影响。Nilpueng和Wongwises[7]实验研究了在正弦波纹通道中进行单相和气水两相向上流动时的流型和压降，发现循环气泡总是出现在波纹槽道中，当相的移动增大时，循环也增大。Vlasgoinansi[8]将水（不含气）和气水混合物两种介质以相同的流速分别通过换热器通道，利用高速摄像机观察流体通道内的流动情况，发现气水混合介质的传热系数要高于单纯以水做介质时的传热系数。他还特别强调当流速小于0.025m/s时，换热效果最好，此时整个流道充满气体，流体在流道底层做溪状流动。

2.2 数值仿真研究

气液两相流在板式换热器中流动时，由于增加了流动变量，并且气液两相的相对速度、气相的体积分数等物性参数有很大的随机性，所以流动换热情况很复杂，有很大的随机性[9-10]。许多学者根据现有的气液两相流理论，将研究方法分为两类：（1）欧拉-拉格朗日模型，它把液相作为连续相，把气相作为离散相，适用于对颗粒动力学、颗粒轨道模型等问题的研究；（2）把气液两相都看做连续相，在空间上有连续的速度、温度分布。依据不同的物理模型建立了不同的湍流模型[11]。连续介质模型是把颗粒相看做是和流体相互渗透的一种连续介质，流体和颗粒同时充满流场，并且可以通过连续介质理论来研究颗粒相的运动，采用欧拉-欧拉模型来对两相运动进行处理，所以可以称之为欧拉方法。对于不同的连续介质，每一相都有独立的质量、动量、能量守恒方程，这些方程通过相间作用来进行耦合，但是方程的封闭比较难[12]

3 建议

（1）对板式换热器中的两相流动进行初步模拟，并将模拟计算结果与相同条件下的实验结果进行对比，通过实验来验证数值模拟的正确性。通过改变气液两相流的流动进口组分和参数，用CFD模拟出其流动特性和在流道间分布情况。

（2）CFD中物理模型不能反映工业生产中板式换热器的实际情况，尤其是流体在各流道中分配不均所引起的流动与换热的变化。希望随着计算机技术的提高，能够得到解决。

（3）由于板式换热器波纹通道的结构十分复杂，在网格划分时，应当进一步寻求高质量的网格，来提高计算精度。

（4）由于流型的变化对两相流体的流动换热有较大影响，对于气液两相在板间流动时流型变化的模拟还没有进行，尚待研究。

【参考文献】

[1]李海青.两相流参数检测及应用物理学[M].浙江：浙江大学出版社，1991，2-3.

[2]张金红.气液两相流流型实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005，1-2.

[3]A. W.Jorge Gut，M Jose Pinto. Modeling of Plate Heat Exchangers with Generalized Configurations[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（14）：2571-2585.

[4]徐志明，文孝强，郑娇丽，等.板式换热器冷却水污垢热阻预测的偏最小二乘回归法[J].化工进展，2011，62（6）：1531-1536.

[5]Y. Shiomi，S. Nakamishi，T. Uehara. Characteristics of two-phase flow in a channel formed by chevron type plates[J] .Experimental Thermal and Fluid Science， 2004，289（2）：231-235.

[6]Kitti Nilpueng，Somchai Wongwises. Two-phase gas–liquid flow characteristics inside a plate heat exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34（8）：1217-1229.

[7]K. Nilpueng，S. Wongwises. Flow pattern and pressure drop of vertical upward gas-liquid flow in sinusoidal wavy channels[J] .Experimental Thermal and Fluid Science，2006，30（6）：523-534.

[8]P. Vlasogiannis，G. Karagiannis，P. Argyropoulos，et al.Air-water two-phase Flow and Heat Transfer in Plate Heat Exchanger[J].International Journal of Multiphase Flow. 2002，28（5）：757-772.

[9]T.S. Khan，M.S. Khan，et al. Experimental investigation of single phase convective heat transfer coefficient in a corrugated plate heat exchanger for multiple plate configurations[J]. Applied Thermal Engineering，2010，30（8）：1058-1065.

[10]Minsung Kim，Young-Jin Baik，Seong Ryong Park，et al. Experimental study on corrugated cross flow air-cooled plate heat exchangers[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34（8）：1265-1272.

[11]Hatice Ozlem Ozden. Experimental and Computational Analysis of Reduction in Fouling By Low Energy Surfaces[D]. The Pennsylvania State University，2009.20-23.

[12]刘艳，何国庚，赖学江.板式换热器板型尺寸对换热性能影响的探讨[J].制冷，2003，22（2）：65-68.

[责任编辑：刘帅]

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