板式換熱器中兩相流特性研究綜述[權(quán)威資料]

板式換熱器中兩相流特性研究綜述 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 【摘 要】本文通過(guò)總結(jié)了近些年板式換熱器中的兩相流特性研究現(xiàn)狀，分析比較了不同研究方法對(duì)板式換熱器兩相流的影響，提出對(duì)板式換熱器研究時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題，并給出了研究建議。 【關(guān)鍵詞】板式換熱器；兩相流；實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬 0 引言 換熱器是用來(lái)將熱流體的熱量傳給冷流體，可以完成不同品質(zhì)熱量的轉(zhuǎn)換，具有新型、高效、緊湊的特點(diǎn)。而能源的利用消耗與換熱問(wèn)題密切 相關(guān)，例如電廠中給水的加熱、再熱、過(guò)熱，供暖和制冷設(shè)備中工質(zhì)的加熱與冷卻等。因而倍受現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的重視，對(duì)板式換熱器的研究對(duì)于節(jié)能環(huán)保就有重要意義。 兩種或兩種以上相態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)稱(chēng)為兩相流或多相流1，兩相之間存在一個(gè)相界面，流動(dòng)的變化會(huì)使相界面發(fā)生變化或變形，使氣液兩相的流動(dòng)和傳熱機(jī)理發(fā)生改變，從而使流動(dòng)阻力和傳熱量發(fā)生變化 2。本文總結(jié)了近些年板式換熱器中氣液兩相流的流動(dòng)換熱研究方法，并對(duì)板式換熱器的研究方向提出了建議。 1 板式換熱器的簡(jiǎn)介 目前使用比較普遍的是可拆卸 式板式換熱器（如圖1），它主要由波紋金屬板片、密封墊圈和壓緊裝置三部分組成 3。 波紋板片是換熱器工作的主要部分，其厚度一般在0.6mm 0.8mm 之間，在對(duì)板片設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：第一，要能夠保證流體在較小的流速時(shí)仍發(fā)生強(qiáng)烈的湍流；第二，要具有足夠的承壓能力，能夠盡量滿足在不同場(chǎng)合能夠安全工作。板片的材料主要有黃銅、不銹鋼以及一些稀有金屬的合金材料，在使用中會(huì)根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)的不同，選擇一種經(jīng)濟(jì)適用的材料。生產(chǎn)制造時(shí)，用特定的磨具壓制成不同波紋夾角、波紋高度、波紋節(jié)距以及換熱面積大小不相等、形狀各異的波紋板片，并在板片的四角處分別開(kāi)有的相同大小角孔作為換熱介質(zhì)的流入流出通道。 密封墊圈是板式換熱器中最為重要并且要求最為苛刻的零件，它的作用是對(duì)換熱器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行密封，防止介質(zhì)發(fā)生泄漏，并且它還承擔(dān)著分離冷熱介質(zhì)，防止它們相互混合的作用。密封墊圈的密封周邊較長(zhǎng)，一個(gè)面積僅為 0.5m2的波紋板片，密封墊圈長(zhǎng)度就可達(dá) 4.5m。因此板式換熱器發(fā)生故障時(shí)，問(wèn)題大部分出現(xiàn)在密封墊圈上，例如脫落，斷裂等，因此對(duì)密封墊圈有著特殊的要求。我國(guó)目前常用的密封墊圈材料有橡膠和石棉纖維板等。 壓緊裝置 主要包括壓緊板和壓緊螺栓，它們與其它一些部件（如接管、軸等）起到固定和保證板式換熱器安全運(yùn)行的作用。 板式換熱器傳熱高效、對(duì)數(shù)平均溫差大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧、換熱面積和流程組合容易改變、重量輕、價(jià)格低、制作方便、安裝清洗簡(jiǎn)單、不易結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)、換熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。但是有較大的壓力損失，工作壓力較小，工質(zhì)溫度較低，容量不大，還有可能發(fā)生堵塞等。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩相流的研究很多，研究的方法分為數(shù)值仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究?jī)纱箢?lèi)。 2.1 實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)是研究氣液兩相流的主要方法，通過(guò)氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)得到流體流動(dòng)變化的各種工況條件，再由此歸納出兩相流動(dòng)的形式以及變化規(guī)律。目前，各大板式換熱器廠商主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)換熱器進(jìn)行研究4。 Shiomi 等 5以 30-30 、 30-60 、 60-30 、 60-60四種不同波紋角的板片組合為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了人字形板通道中的單相和氣液兩相流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)在水平流動(dòng)時(shí)可觀察到層流和擴(kuò)散流，在垂直流動(dòng)時(shí)只能觀察到擴(kuò)散流，并且在水平流動(dòng)時(shí)上板片波紋角對(duì)兩相流型和壓降影響很大。 Kitti Nilpueng6將氣水混合物作為冷流體在單流道板式換熱器中逆流垂直向上和向下流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在向上和向下流動(dòng)都出現(xiàn)了環(huán)狀液橋流，但泡狀流和彈狀流分別只出現(xiàn)在向上和向下流動(dòng)中；氣水的速度對(duì)兩相壓降有很大影響，但流型對(duì)壓降幾乎沒(méi)有影響。 Nilpueng 和 Wongwises7實(shí)驗(yàn)研究了在正弦波紋通道中進(jìn)行單相和氣水兩相向上流動(dòng)時(shí)的流型和壓降，發(fā)現(xiàn)循環(huán)氣泡總是出現(xiàn)在波紋槽道中，當(dāng)相的移動(dòng)增大時(shí)，循環(huán)也增大。 Vlasgoinansi8將水（不含氣）和氣水混合物兩種介質(zhì)以相同的流速分別通過(guò)換熱器通道，利用高速攝像機(jī) 觀察流體通道內(nèi)的流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)氣水混合介質(zhì)的傳熱系數(shù)要高于單純以水做介質(zhì)時(shí)的傳熱系數(shù)。他還特別強(qiáng)調(diào)當(dāng)流速小于 0.025m/s 時(shí)，換熱效果最好，此時(shí)整個(gè)流道充滿氣體，流體在流道底層做溪狀流動(dòng)。 2.2 數(shù)值仿真研究 氣液兩相流在板式換熱器中流動(dòng)時(shí)，由于增加了流動(dòng)變量，并且氣液兩相的相對(duì)速度、氣相的體積分?jǐn)?shù)等物性參數(shù)有很大的隨機(jī)性，所以流動(dòng)換熱情況很復(fù)雜，有很大的隨機(jī)性 9-10。許多學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有的氣液兩相流理論，將研究方法分為兩類(lèi)：（ 1）歐拉 -拉格朗日模型，它把液相作為連續(xù)相，把氣相作為 離散相，適用于對(duì)顆粒動(dòng)力學(xué)、顆粒軌道模型等問(wèn)題的研究；（ 2）把氣液兩相都看做連續(xù)相，在空間上有連續(xù)的速度、溫度分布。依據(jù)不同的物理模型建立了不同的湍流模型 11。連續(xù)介質(zhì)模型是把顆粒相看做是和流體相互滲透的一種連續(xù)介質(zhì)，流體和顆粒同時(shí)充滿流場(chǎng)，并且可以通過(guò)連續(xù)介質(zhì)理論來(lái)研究顆粒相的運(yùn)動(dòng)，采用歐拉 -歐拉模型來(lái)對(duì)兩相運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理，所以可以稱(chēng)之為歐拉方法。對(duì)于不同的連續(xù)介質(zhì)，每一相都有獨(dú)立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，這些方程通過(guò)相間作用來(lái)進(jìn)行耦合，但是方程的封閉比較難 12 3 建議 （ 1）對(duì)板式換熱器中的兩相流動(dòng)進(jìn)行初步模擬，并將模擬計(jì)算結(jié)果與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。通過(guò)改變氣液兩相流的流動(dòng)進(jìn)口組分和參數(shù)，用 CFD 模擬出其流動(dòng)特性和在流道間分布情況。 （ 2） CFD 中物理模型不能反映工業(yè)生產(chǎn)中板式換熱器的實(shí)際情況，尤其是流體在各流道中分配不均所引起的流動(dòng)與換熱的變化。希望隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，能夠得到解決。 （ 3）由于板式換熱器波紋通道的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步尋求高質(zhì)量的網(wǎng)格，來(lái)提高計(jì)算精度。 （ 4）由于流型的變 化對(duì)兩相流體的流動(dòng)換熱有較大影響，對(duì)于氣液兩相在板間流動(dòng)時(shí)流型變化的模擬還沒(méi)有進(jìn)行，尚待研究。 【參考文獻(xiàn)】 1李海青 .兩相流參數(shù)檢測(cè)及應(yīng)用物理學(xué) M.浙江：浙江大學(xué)出版社， 1991， 2-3. 2張金紅 .氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究 D.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)， 2005， 1-2. 3A. 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