水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算百度.docx

1、水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算XX第6卷第4期2007年12月热科学与技术Journa l of Therma l Sc ience and TechnologyV o l .6N o.4D ec .2007文章编号:167128097(20070420319207收稿日期:2007209204;修回日期:2007211208.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50323001;新世纪人才基金资助项目(N CET 20420925;中国博士后科学基金项目(20060400997.作者简介:何茂刚(19702,男,博士,教授,博士生导师,主要从事流体热物理性质的理论及实验研究

2、及制冷循环及热力循环的优化设计.水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算何茂刚1,王小飞1,张颖1,费继友2(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049;2.大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028摘要:针对应用于空调和制冷系统的水平管降膜式蒸发器,建立了FLU EN T 数值模拟计算的物理模型。以制冷剂R 134a 为研究对象,对不同流量、不同布液器开孔孔径、不同管束结构下管外制冷剂液体的流动情况进行了模拟计算;并实现了绕管周方向不同角度液膜厚度的读取。关键词:水平管降膜式蒸发器;数值模拟;流态;液膜中图分类号:TB 657.5;O 359文献标识码:A

3、0前言早在1848年,水平管降膜式蒸发器技术就已经诞生,但是直到20世纪90年代,随着氟氯烃即CFC 的逐步淘汰,才开始在制冷系统上被采用。降膜式蒸发器是利用制冷剂管外蒸发达到与管内工质换热的目的,即冷媒介质在蒸发管内流动,与蒸发管外流过的制冷剂液体进行换热,使其蒸发,实现热量的传递。水平管降膜式蒸发器已被广泛应用于食品、化工、海水淡化等行业且在这些领域其应用技术已比较成熟,但是在制冷行业的应用还处于探索阶段。水平管降膜式蒸发器与传统的满溢式蒸发器相比,其独特的优势使其具有广阔的发展前景,主要表现在几个方面:1拥有更高的换热系数1,相比之下,可以减小蒸发器的体积,节约空间,降低成本。2管外制冷

4、剂流体的压力降很小,可以忽略不计,从而可以减小温差损失。3可以大大减少制冷剂的充注量,从而使泄漏几率大大降低,因而替代制冷剂的选择范围更加广泛。由于降膜式蒸发器在制冷系统中的应用尚处于探索阶段,仍有许多技术难题需要解决,主要表现为几个方面:1布液器的结构、蒸发管的几何排列以及制冷剂流量等因素对管外制冷剂浸湿蒸发管的均匀度以及干涸度(D ryou t 的影响2。2蒸发管外表面结构形式对换热的影响。3制冷剂蒸气流对制冷剂液体流动状态的影响。除此之外,尚有诸多影响因素还停留在粗糙的定性研究阶段,没有上升到精确的定量研究阶段。本文采用数值模拟软件FLU EN T ,建立了正三角形排列的水平管降膜式蒸发

5、器物理模型,以制冷剂R 134a 为研究对象,对不同流量工况、不同管束结构下管外制冷剂液体的流动情况进行了模拟计算;通过软件T ECPLO T 获得不同情况下液膜厚度的分布情况。根据不同条件下的模拟结果,得到有利于实现液体稳定流动的管束排列结构,对水平管降膜式蒸发器结构设计具有一定的指导作用。1水平管降膜式蒸发器物理模型建立降膜式蒸发器主要由布液器、蒸发管束和排气通道组成。流过膨胀阀的含油制冷剂液体通过进液管道进入布液器,通过布液器布液后在蒸发管束上形成液膜,同流经管内的冷媒工质如水等进行热交换,在一定的蒸发温度下大部分制冷剂蒸发变为制冷剂蒸气由排气通道排出,未蒸发的制冷剂液体和油沉积到蒸发器

6、的底部,由泵送至压缩机的进油口,制冷剂蒸气由排气通道回到压缩机的吸气端,完成一个工作循环3。为保证降膜式蒸发器内部换热的顺利进行,必须使其蒸发管束外表面包裹着一层连续均匀且厚度适当液膜,表征液膜是否均匀的量度是均匀度。制冷剂流量、布液器结构和蒸发管束的布置是决定均匀度的关键因素。制冷剂流量影响其在管外的流态,流态是管间流动连续性的量度;在制冷剂液体流量一定的条件下,布液器上沿蒸发管轴向排列的一组开孔的孔径及孔间距等参数是根据蒸发管束中第一排蒸发管布液均匀度设定的;蒸发管束的排列形式及管间距等参数是根据制冷剂液体的流态和液膜厚度等来确定的。蒸发管管束的排列主要有矩形排列、三角形排列两种形式,其中

7、三角行排列又有排列角度的区别。管外制冷剂液膜厚度分布是均匀度的数值量度,也是蒸发管管束布置形式的设计依据。本文以60三角形排列形式水平蒸发管束降膜式蒸发器为研究对象,针对R134a制冷工质,改变布液器开孔孔径、布液器开孔处制冷剂流速以及制冷剂流量等参数,计算各组参数下对应的液体成膜厚度,得出相应的规律,从而确定各参数对液体成膜厚度及布液均匀度的影响。1.1波长T的验证计算以及布液器开孔间距的确定布液器上开孔间距分为沿蒸发管轴向的纵向间距以及沿垂直于蒸发管轴向的横向间距。纵向间距是影响制冷剂液体在蒸发管轴向分布均匀度的关键因素。横向间距是根据蒸发管束的布置形式确定的。布液器开孔纵向间距受波长制约

8、,波长为从单孔流下的液体在蒸发管上延伸的最大范围的轴向距离(如图1所示。为了使蒸发管上能够包裹一层均匀的液膜,布液器轴向上相邻两个开孔间距必须小于波长。波长T的表达式为4T=2gL 12(1式中:为制冷剂液体的表面张力系数,N m;L为制冷剂液体密度, kg m3;g为重力加速度,m s2;n因膜相对较薄取为2。一般情况下,对于黏度较小工质,取2与实际观察相符4。针对制冷工质R134a,当n=2,在某工况下,可得T为8.26mm,即开孔中心距离在管长方向上不应大于8.26mm,本文开孔纵向间距取为8.14mm。这里需要说明的,开孔纵向间距不易过小,以免造成制冷剂液体的局部堆积。布液器开孔横向间

9、距对于距形排列,应等于同一水平面相邻两管的间距,对于三角形排列,应等于水平面上相邻两管间距的一半。图1波长示意图F ig11Sketch of w ave length1.2管外制冷剂液体流态的理论计算管外制冷剂的流态是表征管束的管与管之间制冷剂液体流动连续性的量,有以下几种形式,滴状流、柱状流、片状流以及它们之间的过渡态。当流态为滴状流时,由于滴状流属于不连续流,换热过程中容易出现局部干涸现象;当流态为片状流时,表明制冷剂使用过量,体现不出降膜式蒸发器本身的优越性。因此应尽量使流态处于柱状流态。管外降膜流动过程流态主要取决于两个无量纲数Ga L和R e#,无量纲数Ga L和R e#定义为:G

10、a L=L34g,R e#=4#L(2式中:#L为制冷剂液体在管外单侧单位长度的质量流量的一半,kg (m s-1;为动力黏性系数,kg (m s-1。研究表明5:1当R e#0.074Ga0.302L,处于滴状流流态;2当0.074Ga0.302LR e#0.096Ga0.301L,处于滴状流到柱状流过渡的混合流态;3当0.096Ga0.301LR e#1.414Ga0.233L,处于柱状流流态;4当1.414Ga0.233LR e#1.448Ga0.236L,处于柱状流到片状流过渡的混合流体态。023热科学与技术第6卷本文控制制冷剂流量、蒸发管外径等相关参数,使流动处于严格的柱状流流态。为

11、了找到使流动处于柱状流的速度,在已知开孔孔径以及管外径的前提下,可得单孔流量及单孔流速:q m ,c =d out R e #2,u =4q m , cd 2c (3式中:q m ,c 为布液器上单孔制冷剂流量,kg s -1;d out 蒸发管外径,mm ;d c 为布液器上单孔开孔直径,mm 。1.3FLU EN T 数值模拟模型本文采用60三角形排列蒸发管束排列形式(如图2所示,图2显示的是过布液器某组横向开孔中心线的垂面。计算区域如图中的阴影部分:上边界取在过布液器某行开孔中心的直线上,下边界取为第二行管与第三行管的中间线上,两侧取在两列管的中轴线上 。图2计算域示意图F ig 12S

12、ketch of compu tati onal dom ain为了提高计算精度,对计算区域网格的处理采用分区划分,局部加密的方式。液体管外绕流区域集中在管外1mm 区域内,为了便于跟踪气液交界面,将对这段区域的网格加密6。网格为四边形,采用p ave 划分类型。计算区域网格如图3所示,对网格进一步加密后,计算所得结果变化不大,所以最终计算过程采用该网格数。选定非耦合隐式求解器,动量方程为一阶迎风差分格式,为动态模拟液膜形成过程,选用非稳态求解方式,同时为了更好的跟踪气液相交界面,选用VO F 两相模拟模型。建立相应的边界条件,设置上端面两端为速度入口边界,入流速度取不同值,温度保持为5,下端

13、边为O u tflow 边界,两侧边为对称边界 。图3网格示意图F ig 13Sketch of grid2数值模拟结果及分析选定计算工质为R 134a,取其蒸发温度为5,假设在管外除了制冷剂液体之外的空间充满了处于饱和状态的R 134a 蒸气,其热物性参数如表1所示。表1R 134a 制冷剂物性参数T ab 11T her mophysical param eters of R 134a状态 kg m -3c p kJ (kg K -1 kg (m s -1 W (m K -1 N m -1饱和液体1278.11.3512.501110-40.09110.010840饱和气体17.1470.

14、920731.091210-50.0108402.1开孔孔径对液膜厚度的影响用T ECPLO T 后处理软件读取液膜厚度。将FLU EN T 的运行结果导入T ECPLO T 中,采用w ild 格式细化两相交界面,便于辨认两相分界面,读取过蒸发管轴线水平面上液膜厚度。在管孔间距保持在10mm (第一排管,管外径取为19mm 的情况下,改变布液器开孔孔径和单孔制冷剂流量,可以得到液膜厚度变化如表2所示,其中1、2分别为第一、二排蒸发管轴线水平面上液膜厚度。123第4期何茂刚等:水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算表2管孔距离10mm ,变孔径变流量下液膜厚度T ab 12T h i

15、ckness of liqu id fli m under conditon ofvariable aperture and variab le flow ,w hen p i pe o rifice in terval is 10mmd c mmq m kg s -1u m s -11 mm 2 mm2.70.0005850.08000.280.0007310.10000.310.220.0011870.16230.410.310.0012370.16910.440.320.0012860.17580.450.330.0019020.26000.590.440.0019780.27040.6

16、03.140.0011380.11500.330.0011870.12000.340.2730.0012370.12500.370.280.0012860.13000.380.300.0019780.20000.540.430.0028690.29000.700.570.0029680.30000.730.0030670.32000.793.60.0008450.06500.320.2030.0009100.07000.320.210.0011380.08750.320.240.0011870.09130.330.250.0012370.09510.370.280.0019780.15210.

17、490.370.0028690.22060.660.0029680.22830.68注:3临界状态点 ;不成膜图4显示了水平管外径d out =19mm ,不同开孔孔径,达到稳态流动时气液两相分布以及速度分布情况。从表2和图4中可以看出:1在开孔孔径及管孔距离一定的情况下,增加单孔流量,液膜厚度会随之增加,但增加到一定程度时液体流态将发生改变,即由柱状流变为片状流,流态改变的边界速度与式(3计算边界值基本相符;2一定的流量下,开孔孔径过大或者过小,都会使成膜的流量范围变小, 即使成膜条件中对流量的要求变得苛刻。2.2液膜厚度在管外的分布情况当管孔间距取10mm ,水平管外径取19mm ,在不同

18、孔径,不同流量条件下,管外薄膜厚度随着管表面角度变化的分布情况如表35和图510所示,其中=0为过管中心竖直线向上方向,180为过管中心竖直向下方向,而过管心水平向右方向定义为90。从模拟结果可以得到结论:1从0 180内,液膜厚度由厚变薄,然后由薄变厚,在140左右最薄;汽液两相图速度分布图汽液两相图速度分布图(a (u =0.08m s -1,d c =2.70mm (b (u =0.17m s -1,d c =2.70mm 汽液两相图速度分布图汽液两相图速度分布图(c (u =0.12m s -1,d c =3.14mm (d (u =0.29m s -1,d c =2.70mm 汽液两

19、相图速度分布图汽液两相图速度分布图(e (u =0.07m s -1,d c =3.14mm (f (u =0.15m s -1,d c =3.14mm 图4模拟结果图F ig 14Chart of si m u lati on223热科学与技术第6卷表3开孔孔径为2.7mm,不同流量下膜厚分布情况T ab13T h ickness distributi on of liquid fli m under conditon of variable flow(d c=2.7mmq m=0.001286(kg s-1 ( mmq m=0.001902(kg s-1 ( mm14.50.6515.60

20、.8130.00.6330.00.7945.00.6045.00.7560.00.5660.00.7190.00.4590.00.59120.00.43120.00.53136.70.43135.10.52150.00.46150.00.61165.00.55165.00.70表4开孔孔径为3.14mm,不同流量下膜厚分布情况T ab14T h ickness distributi on of liquid fli m under conditon of variable flow(d c=3.14mmq m=0.001286(kg s-1 ( mmq m=0.001978(kg s-1 (

21、mm16.80.6017.30.7730.00.5930.00.7445.00.5545.00.7060.00.5060.00.6590.00.3890.00.54120.00.35120.00.50140.20.34137.50.48150.00.41150.00.55165.00.53165.00.68表5开孔孔径为3.60mm,不同流量下膜厚分布情况T ab15T h ickness distributi on of liquid fli m under conditon of variable flow(d c=3.60mmq m=0.001286(kg s-1 ( mmq m=0.0

22、01978(kg s-1 ( mm17.20.5817.40.70 30.00.5730.00.68 45. 00.5345.00.64 60.00.4960.00. 60 90.00.3790.00.49 120.00.36 120.00.47 143.50.35139.50.45 150. 00.42150.00.54 165.00.51165.00.62图5液膜分布曲线F ig15D istributi on curve of fil m th ickness图6液膜分布曲线F ig16D istributi on curve of fil m th ickness图7液膜分布曲线F i

23、g17D istributi on curve of fil m th ickness图8液膜分布曲线F ig18D istributi on curve of fil m th ickness323第4期何茂刚等:水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算324 热 科 学 与 技 术 第 6 卷 1 布液器开孔孔径的大小影响成柱状流流 态对流量的依赖程度, 孔径变大或变小, 都不利于 保持柱状流流态, 所以对于某一具体流量必然存 在一个最适合的开孔孔径。 2 液膜厚度沿着管子圆周的分布成一个近 似勺状的曲线, 即膜厚沿管周先减小后增大, 且最 小值取在略大于 90 的位置。 对 于水

24、平管降膜式蒸发器结构设计, 需要综 图 9 液膜分布曲线 F ig 19 D istribu tion cu rve of film th ickness 合 考虑制冷剂流量, 布液器开孔孔径、 开孔间距, 管孔间距、 管间距等对液膜分布的综合影响。 当某 一个或几个参量确定后, 其他参量的确定结合上 述规律作适当的调整优化, 最后可得到适合某种 工况的最合理的结构。 参考文献 ( References : 1 ADAM S F W , CONN A L. A ho rizon ta l film typ e coo ler 2film coefficien ts of hea t tran

25、sm ission J . evapo ration on ho rizon tal tubes a critical review J . I n t J of R ef rig , 2005, 28: 6352653. I nd u E ng C hem , 1936, 28 ( 5 : 5372541. 图 10 液膜分布曲线 2 R I T SK I BA G, JA COB I A M. 2 液膜厚度从 20 90 内变化较快, 90 140 内变化缓慢, 140 160 内变化很快; 3 开孔孔径变化对液膜厚度的分布影响较 小; 4 在同一开孔孔径下, 随着制冷剂质量流量 的变大,

26、 达到液膜厚度最薄点的角度变小。 3 结 论 本 文 用 FLU EN T 软 件, 针 对 制 冷 剂 工 质 R 134a 进行管外绕流的模拟计算。 采用 VO F 两相 模 拟模型跟踪液体流动过程两相分界面, 并用 T ECPLO T 后处理软件读取液膜厚度值。 为配合 蒸发器的结构设计, 改变制冷剂质量流量, 布液器 开孔孔径、 开孔间距, 蒸发管管孔间距、 管间距等 参数, 得到各参量变化对液流流态和蒸发管外液 膜厚度的影响, 主要结论为 F ig 110 D istribu tion cu rve of film th ickness 3 费继友, 李连生. 水平管降膜蒸发器管间流

27、动模式的 4 YU N G D , LO R EN Z J J , GAN IC E N. V apo r liqu id in teraction and J . en tra inm en t in falling film 5 HU X , JA COB I A M. T he in tertube falling film : p a rt 12flow cha racteristics, m ode tran sition s, d rop lets and 100321013. falling J of 6 J ESSE D , GA R I ELLA K S. Si u lati

28、on of p endan t M m film s on ho rizon ta l tube film evapo ra tion J . R ef rig and A ir2 ond ition ing , C evapo ration 20225. hysteresis J . H ea t T ransf er, 1996, 118: 6162625. ab so rbers J . H ea t T ransf er , 研究 J . 制冷与空调, 2006, 4: 1022104. 2006, 4: 1022104. ( in Ch inese FE I J i2you, L I

29、 L ian 2sheng. H ea t T ransf er , Investigation in tervascu lar flow p attern s of ho rizon tal tube falling 1980, 102 ( 1 : Fa lling 2film 2004, 126: on and 第 4 期 何茂刚等: 水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算 325 Study of f low reg i e and num er ica l s i ula tion of m m f ilm th ickness on hor izon ta l- tube

30、fa ll ing f ilm evapora tor ( 1. Sta te Key L ab. of M u ltip ha se F low in Pow. Eng. , X i J iao tong U n iv. , X i 710049, Ch ina; an an 2. Schoo l of M ech. Eng. , D a lian J iao tong U n iv. , D a lian 116028, Ch ina w o rk ing cond it ion s w ere sim u la ted and ca lcu la ted. m Abstract: A p hysica l m odel fo r num erica l si u la t ion and ca lcu la t ion of cro ss ho rizon ta l2tube fa lling film evapo ra to r u sed in a ir2cond it ion ing and refrigera tion sy