钎焊板式换热器防冻研究综述

HAN Weizhe 2钎焊板式换热器防冻 研究综述
Abstract: Brazed plate heat exchangers are widely used in chei …
troleum, metallurgical and electric power fields due to their efficient en 詐 gy-saving heat exchange effects. So far, they are one of the most efficient
and compact heat exchange equipment on the market. When the equip ­
ment is used as an evaporator, the water channel often freezes, and be ­cause it is not removable, it is impossible to obtain the specific freezing Io-
王重阳“姜未汀' 韩维哲2施吉璐2潘卫国
1. 上海电力大学
2. 江苏唯益换热器有限公司
收福日期:2021-03-03
甫一隹:詩：三巨副対95-}. £ .帧+帑穷牛.那穷许茴為推半CF
WANG Chongyang"1, JIANG Weiting 1, I SHI Jilu 2, PAN Weiguo 1
1. Shanghai Electrical Power University
2. Jiangsu Weyee Heat Xxchanger Co., Ltd.
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摘要：钎焊板式换热器因其高效的节能换热效果被广泛应用在化工、石
油、冶金和电力等领域，迄今为止是市场上最高效、紧凑的换热设备之 一。

当设备用作蒸发器时,水通道往往会发生结冰现象，又因为其不可拆
卸，导致无法获取具体的结冰位置。

钎焊板式换热器防冻是当今研究的
一个难点和重点,根据国内外文献从换热器结冰的理论与实验研究、模型 选择和结冰模拟等方面进行了整理归纳，并对相关问题提出了可进一步 研究的重点,供读者参考。

关键词：板式换热器；蒸发器；结冰；防冻
DOI: 10.13770/j.c n ki.iss n2095-705x.2021.04.006
上海节能No.04
2021
cation.Anti-freezing of brazed plate heat exchangers is a difficult point and focus of current research.The au­thor summarizes the theoretical and experimental research on heat exchanger icing,model selection and icing simulation based on domestic and foreign literature,and summarizes related issues.The key points for further research are proposed for readers1reference.
Key words:Plate Type Heat Exchanger;Evaporator;Frozen;Antifreeze
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］o
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，周旋冋提出了在压缩机排
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354I节能论坛
I ENERGY CONSERVATION FORUM 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0.01~0.02MPa,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。

吴华新冏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°C)，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回。

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
钎焊板式换热器防冻研究综述上海节能
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'm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°Bari§GUre严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
图片来源:《小通道钎焊板式冷凝器性能仿真与实验研究》
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冏。

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。

Velocity inlet
Inlet extension
Fin
Constant wall temperature
图2计算模型
图片来源:《单相流体在点波板式换热器内流动与换热的数值模拟》
图3模型拓展处理
图片来源:《板翅式换热器波纹翅片性能数值模拟及其优化》
Ali Abbas□、文健诃、VIJAYA S.GULLAPALL卩诃和栾辉宝［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，文健阴等人提出延长段入口速度需要进行换算。

张晶回、景步云丽、San j eev Jain［21］、郭志钝勿、吴学红［23］和栾辉宝冋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。

2021年第04期
SHANGHAI ENERGY
CONSERVATION
上海节能No.04
2021
2.2边界条件与湍流模型的选择
VIJAYA S.GULLAPALLI丽等人通过CFD模扌以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-e RNG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—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
Flue n t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Flue nt模拟相当广泛的凝固/融化问题。

吴华新冏［25］等人使用Fbent软件中的Solidification/ Melt i ng模型模拟了水在波纹板中的三维结冰过程。

其中波纹板仁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°C以上的室外温度下，保证水的流速不低于0.02m/s,波纹板间则无法结冰。

图4结冰计算结果
图片来源:《空气-水介质板式换热器流动与传热特性研究》
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。

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FORUM
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INFORMATION AND DYNAMIC
黄浦区召开2021年节能减排和塑料污染治理工作部门推进会
3月29日，黄浦区节能减排办组织召开区2021年节能减排和塑料污染治理工作部门推进会。

区商务委、区科委、区财政局、区生态环境局、区建管委、区市场监管局参加会议。

会上，各部门对2020年节能减排和塑料污染治理工作总结(讨论稿)、2021年工作计划及任务分解表(讨论稿)、“十三五”上海市节能先进集体和个人拟推荐名单(讨论稿)及2021年节能减排资金预算进行了充分讨论，并就2021年节能减排和塑料污染治理工作进行了交流。

(黄浦区)
2021年第04期
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION。