二相流体在板翅式换热器中的分配是如何实现的

点击：2110 日期：[ 2014-04-20 00:59:05 ]

板翅式换热器具有传热效率高、结构紧凑、适应性强等特点，被广泛应用于化工、制冷和航空航天等领域。但由于换热器内部的温度场、流场分布不均匀以及纵向传热，引起了该类换热器整体效能的卜降。其中物流分配的不均匀会加剧换热器内部温度场分布的不均匀和纵向传热，从而导致换热器整体效能的下降。Lalot等针对换热器物流分配不均匀性对换热器效能的影响进行了研究，发现换热器内部的物流分配与入口结构有较大的关系，而且物流分配不均匀对错流式换热器效能的影响最严重，其下降量高达25%以上。物流分配不均匀会导致二相流换热器换热效能的严重恶化，甚至影响换热器的机械性能，带来无法弥补的后果，因此对换热器内部二相流体分配均匀性的研究.是当前换热器研究的一个重要方面。由于板翅式换热器结构复杂、翅片形式多种多样，国内外针对板翅式换热器的二相流动及换热的研究较少，公开报导的文献更少。Muellier等发现，由于二相流在流道中分配的不均匀，会造成不稳定密度波，从而造成液体在换热器内部的喘振，导致热效率急剧下降。许箐实验研究了无混合器情况下二相流板翅式换热器人口分配特性。但由于其实验工况范围较窄，实验数据有限，其规律尚需更多数据支持修正。本文主要通过二相流动实验，研究了人口参数对二相流在换热器内部分配特性的影响，并对比分析了封头结构参数对二相流的分配特性影响。通过换热器结构参数改进，改善了板翅式换热器内部的二相流动分配，达到了优化结构设计的目的。

1实验系统

1.1实验系统流程

实验系统如图1所示，本实验台可以进行气相、液相、气液二相的不均匀分配特性以及换热器换热的实验研究。主要由气路系统、水路系统以及实验测试系统等部分组成。在进行二相实验时，气液二路同时打开，经过流最调节后，空气和水经过气液混合器混合后进人换热器试件。换热器试件垂直安装，气液二相混合物从封头引人垂直向上流动，经过转换开关箱，单流道引出的二相混合物进人气液分离器进行二相分离，分离出的气体经涡轮流量计测定流量后放空，液相从分离器下部排人容器用称量法测量，其余通路气液二相混合物直接排空。

气相主要测量总管以及引出管流体的流量，由气体涡轮流量计完成。在实验的气体流量范围内，气体涡轮流量计的测量误差最大值，引出管为1.4%，总管为0.7%。液相流量总管采用玻璃转子流量计，根据选择的型号及测最范围，可知流量计在试验测M流量范围内属于1.5级精度。在实验的测量范围内，温度和水的重度改变所带来的误差均小于0.1%。通道出日液相流量的测量，主要是利用标准容器外加电子秒表计时计算出口流速。选用容积为1 000 n止的量筒作为标准容器，其刻度尺最小刻度为l mL，最大相对误差为0.1%,通过电子秒表计时，最大误差为0.2，实验中，在最大雷诺数下，最大流量通道注满量筒所用时间为15 s，因此最大计时相对误差为1.3%，则通道流速的测量误差小于1.4%.

1.2改进型封头结构

由于普通封头与人口管之间存在比较大的当量直径变化，造成了封头内部物流分布的不均匀。在普通封头出口面上，大部分流体都是从封头人口管对应的圆形区域内喷射而出，而流体在中心与两侧区域流速分布极不均匀，流速由中间向两端递减，并以人口管轴线成对称分布。因此，本课题组提出了一种改进型的封头结构，即在普通封头内部高度一半的地方加人一不均匀打孔挡板。板上打孔率沿着挡板的中轴线向两侧逐渐增加且成对称分布，孔板上沿中轴线由里向外分别均匀地打小、中、大3种不同直径的孔。粒子成像测速仪(PLV )实验结果显示，该改进型封头能明显提高单相流体分布的均匀性。正对人口管的截面，流体皆直接来自上游孔板的渗流。偏离人口管的截面出口的流体，除了由_L游的封头二次流分流过来，还有通过挡板小孔分流而来的。而几，随着截面与人口管距离的增加，孔板分流的效果愈明显，使得远离封头轴线的周边截面流最增多。本次二相流实验所用的封头为普通封头和改进型封头2种。

1.3不均匀性的描述

实验研究的对象是经过模化的板翅式换热器，其加工工艺和目前空分工业使用的换热器一致，整体尺寸为:200 min x 250 mm x 950 mm。为实现对小流量的精确测量和相关的实验研究，将板束断面出口进行5 x6井字形划分，每一个小区域的面积为40 mm x 41.7 mm。划分区域各通道的编号如图2所示。在实验时，对每一个区域进行测量，从而得到换热器出口截面的流量分布特性。

为了分析研究板束单元体截面物流分配的不均匀性，最直观的方式是将各个微型通道内的流量值都测出来并画出截面物流分配图，但板束单元体截面上众多的微型通道决定了此方法不可行。标准方差可以很好地综合反映不同工况、不同板束截面、不同封头结构参数对板束单元体内部的物流分配不均匀性的影响，因此定义s为换热器内部物流分配不均匀性参数。

式中:Si为实验结果的分散程度;N为通道的数目;9i为通道i流速的实验测量值;9ave为所有通道流速的平均值;qmax为最大流速;qmin。为最小流速;0为最大流速与最小流速之比。

2实验结果及分析
2.1普通封头的分布特征
图3为单相流体在传统换热器的出口分布特征，气体和液体的人口平均雷诺数Reg, Ret,分别为2 400和3300。从图中可以看出，2种气体的分布呈现相似的规律。流体的大流量区主要分布在中央位置，四周流量较小但没有出现某个通道流量非常小的现象。在横向上，流体的大流量集中在正对封头人口的中间通道，两侧的流量则逐渐对称递减。在纵向上，大流量的通道均偏离中心区域，且由于导流片的影响，均向远离人口封头的那一侧偏离。气体的最大流速和最小流速之比0g为4.2，气相不均匀分配参数Sg为0.328。对于液体，其整体分配的均
匀性好于气体，液体最大流速和最小流速之比0,和液体不均匀分配参数Sl分别为3.0和0.1970

图4所示为二相流体在传统换热器出口截面的分布。从图中可以看出，二相流体分布的不均匀性
大于单相流体，且气相和液相的分布特征差别很大。气相流速最大的区域，对应着液相流速最小的区域，反之亦然。如图4(a)所示，气相流速比较大的区域位于出口截面的中央，最大流速位于通道18处，而流速较小的区域则位于出口截面的四周(通道1,2,3,28和29),0g为129.2,5。为0.490。对于液相来说，最大的流速位于通道3，而且在横向上具有几个极值点，0l和sl分别为9.33和0.294.

2.2改进型封头的分布特征
改进型封头在入口Reg =2 400, Rel=3 251时的截面物流分配如图5所示。气相方面，与普通封头结构相比，中央通道上的流量降低，更多的气相流量被分配到了边角处，0g和Sg分别下降为4.44和0.294，气相分布的不均匀性有所改善，说明孔板封头起到了改善边角处流量的作用。液相方面，通过孔板结构的再分配，普通封头中出现的液相左偏现象被抑制，整体不均匀性减小.最大流量有所减小，出现位置在通道16,最小流量出现在通道3,0,和S。分别降低至3.397和0.273。进一步的实验结果表明，当入口Re。固定为2 400时，随着人口Rel的增大，气液二相在出口截面处分布形式的变化不大。这说明Rep的变化对改进型封头出口截面的二相流分布影响较小。结果表明，除了气相和液相之间的相互作用，改进型的封头结构对该换热器内的二相流体分布也具有明显的影响。液相的连续性使得通过小孔的液体容易对气体产生阻塞作用，迫使更多的气体从两侧大孔流人，因而产生了中间通道液相大，气相小的分配形式。改进型的孔板封头结构可以非常有效地改善换热器外围通道的流量，从而从整体上改善了板束单元体截面物流分配，而且其分配稳定性较好，不易受Re变化的影响。

2.3不同封头二相流体分布特征的比较
气相人口Reg对二相流体分布的影响如表1所示(Rel=3300)。

从表1可以看出，气相和液相分布均匀性均随着Re。的增加而提高。可见，在人口ReL不变的情
况下，提高人口Reg，可提高换热器内部二相流体分布的均匀性。而且，在实验范围内，气相的不均匀系数与普通型封头相比，降低了3.1%-35.0%，液相也降低了11.5%-34.1%.
液相人口Rel对二相流体分布的影响如表2所示(Reg = 2 400)。从结果可以看出，随着ReL的增加，普通型封头气相的分布不均匀性略有增加，而改进型封头则变化不大，但与普通型封头相比，其值降低15.4%-35.0%。对于液相来说，普通型封头分布的均匀性随着液相Rel的增加而略有改善，而改进型封头则变化不大。但改进型封头液相分布的不均匀系数与普通型封头相比，降低了6. 1%一44.0%。改进型封头结构可有效改进二相流体在换热器内部分布的均匀性。

3结论
(1)由于现有板翅式换热器结构设计的不合理，以及二相流体之间复杂的相互作用，使得二相流体在换热器内的分布极不均匀。二相流体分布的不均匀性系数S均随着人口Reg的增加而降低，而随着人口Rel的增加，液相分布的均匀性提高，而气相则相反。
(2)改进型的孔板封头结构可有效提高换热器外围通道的流体分配，从整体上改善板束单元体截面二相流体的分布，其二相分布的不均匀系数S均有效降低。而且，其分配稳定性好，不易受Re变化的影响。

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