基于气液分离原理的强化换热器研究.pdf
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1、 1452023中国家电科技年会论文集0 引言国家提出的“2030年碳达峰,2060年碳中和”的战略,为热交换器行业带来新的机遇和挑战。根据美国能源信息署发布的 国际能源展望 预测,到2025年,我国的一次能源消耗仍然将占世界总需求的13.7%14.6%,由此可见,节能形势依然非常严峻。气液两相流广泛存在于换热设备中,两相流分配的均匀性对换热设备的运行安全和换热效率提升具有重要意义。通过对管内制冷剂换热过程以及流型流态的分析得出:在冷凝过程中,液滴刚生成的时候管内换热系数最高,在冷凝过程中随着冷凝液的逐渐积累液膜逐渐增厚,液膜的热阻成为主要热阻之一,导致换热作者简介:董永旺,本科学历。研究方向
2、:高效热泵空调系统。地址:山东省青岛市崂山区海尔路1号。E-mail:。基于气液分离原理的强化换热器研究董永旺1 马强1 代传民1 曾敏2 李秉承2 魏伟11.青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266103;2.西安交通大学 陕西西安 710049摘 要:气液两相流广泛存在于换热设备中,通过对管内制冷剂换热过程以及流型流态的分析得出在冷凝过程中,液滴刚生成的时候管内换热系数最高,蒸发过程中则是环状流换热系数最高。为了实现冷凝过程中液体快速排走提出了减薄液膜实现强化换热的气液分离技术,近些年来引起了广泛的研究和应用。创新地提出了一种可以应用于翅片管换热器的蜂窝状气液分离结构,利用仿真计算软
3、件对蜂窝状分离结构的气液分离过程机理进行研究,同时利用Coildesigner中经验公式对其进行校核,确定了模型的准确性和可靠性,最终确定蜂窝状气液分离结构的参数。研究可以实现气液分离效率89%以上,同时装备了蜂窝状气液分离结构的翅片管式换热器,对比于传统翅片管式换热器,可以实现压降损失降低8.08%,换热量提升6.22%。关键词:气液分离;微孔;高效换热器;翅片管换热器;减薄液膜Research on enhanced heat exchanger based on vapor-liquid separation principleDONG Yongwang1 MA Qiang1 DAI C
4、huanmin1 ZENG Min2 LI Bingcheng2 WEI Wei11.Qingdao Haier Intelligent Technology R&D Co.,Ltd.Qingdao 266013;2.Xian Jiaotong University Xian 710049Abstract:Vapor-liquid two phase flow is widely used in heat exchanger.Through the analysis of the heat transfer process and flow pattern of refrigerant in
5、the tube,it is found that during the condensation process,the heat transfer coefficient in the tube is the highest when the liquid droplet is just generated,while during the evaporation process,the heat transfer coefficient in the annular flow is the highest.In order to achieve rapid liquid removal
6、during the condensation process,a vapor-liquid separation technology that enhances heat transfer by thinning the liquid film has been proposed,which has attracted extensive research and application in recent years.Innovatively proposes a honeycomb vapor-liquid separation structure which can be appli
7、ed to finned tube heat exchangers,simulation software is used to study the vapor-liquid separation process mechanism of the honeycomb separation structure.At the same time,the empirical formulas in Coildesigner are used to verify its accuracy and reliability,and the parameters of the honeycomb vapor
8、-liquid separation structure are ultimately determined,which can achieve vapor-liquid separation efficiency of over 89%.At the same time,a finned tube heat exchanger equipped with a honeycomb gas-liquid separation structure can achieve a pressure drop loss reduction of 8.08%and a heat transfer incre
9、ase of 6.22%compared to traditional finned tube heat exchangers.Keywords:Vapor-liquid separation;Micropore;High efficiency heat exchanger;Finned tube heat exchanger;Thinning liquid film中图分类号:TK172 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.034146 2023中国家电科技年会论文集能力大幅下降,而此时继续强化管外空气侧换热系数带来的增效较小,在冷凝换热器中若能够在适
10、当位置处设置气液分离结构,起到减薄液膜厚度、降低热阻的作用,可以实现增强冷凝器换热能力的效果。近年来气液分离技术在传热相关领域的研发和应用越来越多。Li等人1,2在微通道冷凝换热器中采用了T型管的气液分离方案,与无分液结构的微通道冷凝器相比,微通道分液冷凝器的出口温度低1.3,质量流量高6.1%。Yang等人3对T型管气液分离开展了广泛深入的研究,特别是有机制冷剂在T型管中的气液分离,T型管气液分离器的优点是简单实用、成本低廉,目前在分液冷凝器,气体旁通制冷系统和家用冰箱中应用较为广泛,但是其缺点也十分明显,即气液分离效率一般,组分分离效果差。虢国成等4对过滤式气液分离器的分离机理进行了研究,
11、对包括惯性冲击、拦截滞留、布朗扩散、重力沉降以及静电吸附等进行了分析,进一步探讨了丝网气液分离器分离效率及影响因素。彭晓峰等人5对平行流冷凝器中连接各管程的联箱进行改造,提出了平行流分液冷凝器,两相工质进入联箱后,在分液结构的作用下联箱中的液相工质沿联箱流到冷凝器底部的蛇形管过冷区,气相工质进入下一管程中继续冷凝,实现气液分离,在这一过程中,流体工质的质量流速基本稳定,冷凝器的换热更加均匀且整体换热性能具有较大的提升。目前气液分离技术已得到大量研究文献的报道,近年来已逐渐应用于不同领域中,但对于管翅式蛇形管换热器中的气液分离技术仍没有合适方案。因此,本文对于管翅式换热器的气液分离提出了一种可行
12、方案,同时进行了验证分析。1 热质传递方法与模型建立1.1 热质传递数值方法研究本文中制冷剂R32在管翅式蛇形管换热器内的冷凝过程包含气液两相,因此计算时需选用多相流模型。根据公开文献研究,目前应用广泛且技术成熟的多相流模型主要分为三种,分别是:欧拉模型、混合模型和流体体积(VOF)模型。VOF模型要求各相之间不会相互渗透从而求解区域内每一相的体积分数,相比于其他多相流模型可以更加清晰地捕捉冷凝过程中相界面的变化,并且能够更加清晰地描述温度分布,适用于射流、气液两相流动、溃坝后液体的运动等场景,虽然对计算资源要求较大,但是稳定性好、准确度高且相界面最为清晰,是本项目的最佳选项。基于上述分析,选
13、择VOF模型作为本项目研究工作的多相流模型,通过求解相体积分数的连续性方程,跟踪相之间的界面。定义主相为气相为v,次相为液相l,在冷凝过程中可得式(1):(1)式中:mvl是气相到液相的传质质量,mlv为液相到气相的传质质量,v为气相密度,t为时间项,为气相流体速度,在单一控制体重气液两相的体积分数和为1,场变量和属性基于体积分数值计算,当v=0时计算单元中全部为液相;当v=1时计算单元中全部为气相;当0v1时计算单元中为气液两相共存。VOF模型计算中公式可分为显示公式和隐式公式两种,显示格式用当前步的计算值直接作为下一迭代步的初始值,计算逻辑清晰,但步长受限制,一般时间步长要很小,由此带来的
14、好处是气液两相界面相比于隐式更加清晰。隐式格式需要解方程组,对时间步长的要求较小,受限程度小于显示格式,但是步长过大也会导致结果的精确性下降,求解单个迭代步的计算量大,尤其对大型非线性方程组求解困难,优点是稳定性好。显式格式和隐式格式的本质区别在于采用不同的物理学平衡方程,但都需要根据模型和求解问题合理设置分析步的增量步长和求解方法,保证分析的精度和质量。管翅式蛇形管换热器气液分离研究的对两相流流型判断和分布有较高的要求,因此相界面需要足够清晰,根据前期试算结果表明,显示公式下效果更好,更能捕捉到冷凝过程的细节,因此研究中选用显示格式的CAE求解方法,其方程为:(2)式中:V为单元体积,n+1
15、为当前时间步索引,n为上一时间步索引,为气相流体在第n+1时间步时体积分数的面值,v为在第n+1时间步时气相密度的单元值,为基于法向速度的通过面的体积通量,同时在计算中选用精度最高的Geo-Reconstruct界面追踪方案。在整个计算域中,为流体的密度,kg/m3;为流体的导热系数,W/(mK);为流体的动力粘度,Pas;E为比热力学能,J/kg,其计算方法如式(3)(6)所示:(3)(4)(5)(6)在管翅式蛇形管换热器的整体计算案例中,构建正六面体结合化网格或蜂窝状多面体网格,采用VOF求解动量方程由气液两相共享,如式(7)所示;冷凝相变过程中能量方程如式(8)所示:1472023中国家
16、电科技年会论文集 (7)(8)式中,为表面张力项;为重力加速度,m/s2;p为压强,Pa;hig为相变潜热,J/kg;其中气相比热力学能Ev和液相比热力学能El的计算方法如公式(9)(10)所示:(9)(10)式中,Tv为气相温度,单位K;Tl为液相温度,单位K;Tsat为相变工质的饱和温度,单位K。在本研究中,通过UDF(用户自定义函数)实现对NIST数据库中R32制冷剂物性参数调用,建立温度范围为308.15 K348.15 K、压力范围为2.99803.0020 MPa的工质饱和蒸气压关系,拟合使Tsat=f(psat)从而代替定制饱和温度作为相变判据,使得仿真更加准确,工况更贴近实际。
17、1.2 三维物理模型研究冷凝器管路为单排,管类型为7内螺纹管,换热器长700 mm,宽200 mm,管间距21 mm,翅片类型为波纹翅片,片宽为21 mm,片间距为1.1 mm。制冷剂采用R32,建立模型如图1。内螺纹铜管在冷凝过程中的使用存在优势也存在弊端。具体地,在内螺纹铜管的作用下可以使管内冷凝液发生旋转,增加扰动,使液膜与冷却壁面脱开,促进换热系数的增大。但在另一方面,蛇形管冷凝器换热管内壁面的螺纹会带来更大的粗糙度,造成压降增大。流体在壁面光滑无垢的管道中液膜的流动阻力更小,冷凝液的流速更大,从而能够在更短的时间中流走,液膜层也会减薄。而当壁面含螺纹时,粗糙度增加,流动阻力会增大,泵
18、在以额定功率运行下R32制冷剂在管内的流速降低,使液膜层更容易增厚,换热系数会降低。因此从传热学理论分析的角度考虑,对于本研究中的带螺旋结构的换热管迫切需要进行气液分离技术。该技术能够有效强化内螺纹铜管的优势,同时弱化液膜增厚带来的热阻增大的弊端,进而可以带来更大的传热效益。在本文的计算中,流体域网格单元结构皆为正六面体结构化网格单元,如图2所示,它具有快速拟合、生成的速度、生成的质量好等优点,与实际的模型更容易接近。图2 蛇形管换热器局部网格示意图微通道蜂窝管分液器是结合加工需要而设计出的分液冷凝的技术方案,同样也是一种传统的管翅式换热器的分液冷凝的优化方案。微通道蜂窝管分液器也安装于管翅式
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