钎焊板式换热器防冻研究综述

王重阳 姜未汀 韩维哲 施吉璐 潘卫国

1.上海电力大学 2.江苏唯益换热器有限公司

0 引言

钎焊板式换热器由多层波纹板片叠加组成，板片与板片之间填充铜箔后在真空炉中加热制成。这样板片之间会形成流体通道，两种流体会在不接触的情况下完成换热。这种焊接而成的板式换热器具有占地面积小、热性能高、重量轻、刚性高、压降低、耐高温等优点。其生产大多依靠设备，人为因素较少，生产自动化程度高[1]。当钎焊板式换热器用作蒸发器制备冷水时，制冷剂分配不均容易发生结冰现象，如果处理不及时可能造成板片变形和破裂。由于钎焊板式换热器不可拆卸，结冰严重的会造成整个换热器报废。另外，进口水中杂质较多，在狭窄的通道内会产生结垢现象，直接导致通道内流体流速降低，大大增加了结冰的可能性。

1 实验与理论研究

目前，板式换热器的防冻分为制冷剂侧防冻和水侧防冻。制冷剂侧防冻主要集中在控制蒸发压力等方面；水侧防冻主要集中在控制进出口水流量和水温等方面[2-5]。

张龙爱[2]等人认为，在蒸发器内制冷剂与循环水进行热交换时，由于蒸发温度较低，从而导致了换热器水侧局部温度降低至凝固点以下并迅速结冰。对于制冷剂侧防冻，周旋[6]提出了在压缩机排气管和蒸发器进液管之间增加旁通电磁阀的设计方案。当制冷剂侧蒸发压力低于设定值时，将压缩机高温排气引入蒸发器，从而提高蒸发压力来达到防冻的目的。板式换热器中部分通道蒸发压力降低会导致水结冰，但是多个通道汇集到出口处，传感器测量的蒸发压力不一定低，所以作者认为制冷剂侧防冻无法应用在板式换热器上。熊建国[7]认为，提高冷水机组防冻的根本措施为提高制冷剂侧的蒸发压力，但是实验证明采用热气旁通法只能将蒸发压力提高0.01～0.02 MPa，对提高防冻效果不是很好。

由于钎焊板式换热器不可拆卸，可视化程度低，所以防冻实验比较困难。吴华新[8]等人通过实验观测到了换热器结冰后出口的泥状冰水混合物，作者在实验中使用低温乙二醇代替冷流体，其中乙二醇的入口温度恒定，改变水的流量，根据水侧出口的实测温度与理论温度对比来预测是否结冰。分析可得，减小水流量会导致出口水温低于冰点（0 ℃），从而导致换热器内部结冰。

综上所述，制冷剂蒸发温度过低是导致换热器结冰的主要原因，但是通过控制蒸发压力来防冻的方法对板式换热器并不适用。目前实际应用中，考虑到安装、维护和成本，大多数换热器是通过控制水流量、水温和添加防冻剂来防止结冰。钎焊板式换热器防冻难点在于我们无法获取板片间结冰的时间、位置以及结冰的完整过程，所以需要仿真模拟对换热器内部的流动进行系统分析。本文第二节将对国内外在板式换热器CFD 模拟方面的论文进行整理归纳。

2 模拟研究

近年来，研究学者大部分利用计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）软件对板式换热器的流动性能及换热性能进行数值模拟[9]。CFD 是一种仿真工具，它利用计算算法对热量、质量和动量传递进行建模[10]。由于钎焊板式换热器的局限性，即CFD模拟是在其防冻研究中唯一能获取内部数据的方法。

2.1 模型的选择

目前，针对板式换热器的数值模拟采用了不同的模型：简单二维、三维单通道以及整个板片等。Francesco Lonis[11]等人使用二维矩形代替了复杂的流体域，利用CFD软件初步分析了低温流体与热水之间的热传递，但是作者的模型定义过于简单，不能准确地代表钎焊板式换热器内部在紊流情况下的换热效果。顾屹[12]等人在钎焊板式冷凝器性能仿真中采用有限体积法建立了一维稳态分布模型，以每个微元段出口参数作为下一个微元段的入口参数，依次迭代以完成整个流道的计算。如图1 所示，此模型与前者的大致相同，但是在算法上更为准确。BarışGürel[13]等人同样基于有限体积法，数值分析简化为二维，作者在板片上设置了波纹，此模型更接近于板式换热器的内部结构。

图1 微元模型

二维模型的确可以节省计算成本，但是研究结果可能会偏离研究的实际问题。板片之间流体的状态为湍流，湍流实际上是一种空间上不规则和时间上无秩序的非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态[8]。潘旭[14]、黄永帅[15]等人在钎焊板式换热器优化设计中建立了包含6个基本单元通道的模型，目的是为了使流体达到充分发展阶段。张如许[16]等人模拟点波式换热器内单相水流动，选用了5个流体单元（如图2），通过矢量图发现焊接面之间流体流速小，并且伴有回流现象。所以在板式换热器结冰的模拟中，要着重考虑焊接面附近的流速变化，流速降低增加了结冰产生的可能性。

图2 计算模型

图3 模型拓展处理

Ali Abbas[17]、文健[18]、VIJAYA S.GULLAPALLI[19]和栾辉宝[1]等人分别对换热器的热性能进行了数值模拟，在模型建立方面都采取了相似的拓展措施。如图3所示，为了避免流道一开始产生回流，于是将进出口沿长度方向作了拓展处理，出口处的自由空间可以防止热流体突然堆积，解决了以往模拟结果中出口处温度异常的问题。所以在板式换热器CFD 模拟中，选取部分模型需要作进出口拓展处理。由于延长处理，文健[18]等人提出延长段入口速度需要进行换算。

张晶[9]、景步云[20]、Sanjeev Jain[21]、郭志钒[22]、吴学红[23]和栾辉宝[24]等人均使用整个板片作为计算模型，计算时间相对来说较长，但是能准确直观地反映通道内流体的流动状态。有助于很好地了解板式换热器，能为换热器的优化和设计提供准确的理论基础。对于大多数研究人员来说，因板式换热器具有对称性，所以选取部分通道作为前期研究对象即可。

2.2 边界条件与湍流模型的选择

VIJAYA S.GULLAPALLI[19]等人通过CFD模拟研究了钎焊板式换热器的热力和水力特性，作者分析了恒定壁温、恒定的热通量、添加环境温度或固体壁面传热系数作为边界条件的影响。结果证明添加恒定的热通量作为边界条件更接近于实验结果，偏差在2%至20%。作者对单个流体域进行网格划分，结果显示共生成了约380万个节点和1180万个元素，此网格划分精度非常高，但是对服务器的要求较严格。目前在Fluent2019 及以上版本中，我们可以采用基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore网格划分方法，能进一步提升整体的网格质量，在不影响计算结果的前提下，可以有效降低网格总体数量与求解时间。

VIJAYA S. GULLAPALL 等人还对比了各种雷诺数下的实验数据和CFD 模拟获得的热性能和压降的比较，使用SST 模型，传热被低估了20%至30% ，压 降 被 低 估 了10% 至35% 。 而 使 用K-εRNG模型和LLR RS湍流模型时，传热被低估了40%至70%。综上，使用SST 湍流模型的CFD预测最接近实验，而压降与所使用的模型无关。这一关键结论为我们以后的板式换热器实验与CFD模拟提供了验证正确性的模板。

2.3 结冰模拟

Fluent 可以求解关于凝固或融化在一定温度或超过一定温度范围流体流动的问题，还能提供在凝固和融化过程中相互之间的传递模型，这些模型允许Fluent 模拟相当广泛的凝固/融化问题。吴华新[8][25]等人使用Fluent 软件中的Solidification/Melting 模型模拟了水在波纹板中的三维结冰过程。其中波纹板1、2 设置为第二类边界条件，入口为速度入口，出口为压力出口。因为水和冰的物性参数不同，所以采用外挂UDF 程序来将固态和液态的相变方程联系起来。如图4 所示，当流动达到稳态后，通过温度分布可以看出板片间除了尖锐部分有结冰外，其余地方显示均为流动状态。作者提出在板式换热器的设计中应努力消除尖锐部分，使流体域尽可能地圆滑，进而可以达到防止结冰的目的。通过反复模拟得出：在-20 ℃以上的室外温度下，保证水的流速不低于0.02 m/s，波纹板间则无法结冰。

图4 结冰计算结果

3 结论

1）目前，钎焊板式换热器在实际应用中大多数采用水侧防冻的方法，即保证出口平均温度高于冰点温度即可。

2）通过实验可以预测板式换热器内是否结冰，但是还无法直接获取结冰的具体位置和时间。

3）利用CFD 模拟分析发现板片间结冰的位置在焊点附近以及尖锐的部分，为了防止水结冰应保证板片上尖锐部分尽可能地圆滑。

4）需解决的问题：虽然通过CFD模拟可以获取板片结冰的位置和时间，但是因为钎焊板式换热器可视化程度低，目前还无法通过实验来验证模拟的正确性。

4 对未来工作的期望

未来我们要继续完善并提高CFD 模拟结果的准确性，并且寻找新的方法来克服实验中钎焊板式换热器可视化低的问题，从而通过实验来验证模拟结果的正确性。最终对板式换热器结构进行改进优化，使设备具有更高的抗冻性。