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变工况下微通道两相换热器性能模拟点击：2079 日期：[ 2014-04-26 22:06:07 ] |
| 变工况下微通道两相换热器性能模拟 1.邵世婷 2.王文 (上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海200240) 摘要：利用均相模型对微通道两相换热器(蒸发器、冷凝器)进行模拟,通过制冷工质R134a热力状态及参数的计算模拟换热器设计工况下的稳态情况。首先建立换热器仿真模型,得出设计工况下的换热器设计结果,然后此基础上,着重分析当外界温度、进出口状态以及质量流量发生变化时,相应的换热器性能参数变化情况,以及相关影响因素。 关键词：微通道;换热器;变工况;均相模型 中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1004-1699(2008)02-0322-03 微通道两相换热器是一种随着高新技术的日新月异而不断发展起来的紧凑型换热器,一般情况下微通道是在很薄的硅片、金属或其他合适的材料薄片上加工而成的。可以单独使用,即平板式换热器,也可以按照不同的排布形式形成顺流、逆流或交叉流换热器[1]。目前微通道两相换热器已广泛地应用于微电子、石油化工、汽车空调、航空航天及医疗等行业,例如电子芯片、飞机和宇宙飞行器、低温冷却器、精密仪器的冷却等等。与常规换热器相比,微通道换热器具有单位体积内传热表面积大,热阻低,质量轻,体积小,流体流量小等特点。 目前,虽然不少学者对微小型换热器内有关两相流的实验及理论进行了研究与探索,并发表了他们的研究结果。但是,这些理论与实验研究仍相对比较缺乏,而且不同学者提出的结果之间有很大差异。而均相模型在实验及理论方面都已经很成熟,所以本文尝试利用两相流中常用的均相模型结合目前微通道中的单相流的研究成果,通过对微通道换热器的模拟仿真分析了变工况下冷凝器、蒸发器性能参数的变化情况。 1 仿真模型 1.1 均相模型[2] 均相模型常称为“摩擦因子”模型或“雾状流”模型,这里两相区的模型是按照分布均相模型进行建立的。基本思想是通过合适地定义两相混合物的平均参数值,把两相流当作具有这种平均特性并遵循单相流体基本方程的赝流体。其基本假设是: (1)两相具有相等的线速度,即 uv=ul=uH(1) (2)两相之间处于热力平衡; (3)对两相流动使用一个适当地限定的单相摩擦系数。 根据上述原理,两相区制冷剂参数是对饱和气态和饱和液态参数进行加权平均[3]。权重因子主要有两个,干度x和空泡率a。 其中下角标g.l.tp分别代表气相、液相和两相。 1.2 换热器模型 微电子机械一般指特征尺度小于1mm且大于1μm的器件。研究表明,对于当量直径在1μm~lmm范围的MEMS,连续介质假定和Navier-Stokes方程仍然适用,对本文所研究的通道尺寸而言,连续介质假定、Navier-Stokes方程和傅立叶导热定律完全成立,但微通道内的换热、压降和流动特性不能用常规通道的关联式来预测,某些常规通道内不重要的参数,在微小通道内影响可能却是很大的。在上述理论基础上建立换热器稳态分布参数模型[5],制冷剂在冷凝器分为三种状态:过热、两相、过冷;蒸发器中分为两个状态:两相、过热,通过对控制方程组进行离散将每个相区划分若干个微元,可以按照制冷剂的温度和焓进行划分,本文中两相区按照焓差划分微元,单相区按照温差划分,所有离散化方法都采用向前差分格式以利于化为显式。换热器外侧分布均匀的翅片,通过外界空气流动与换热器进行热交换。 2 设计结果及变工况性能 2.1 计算结果 利用均相模型,按照稳态分布参数模型,建立微通道两相换热器模型,模拟设计工况下换热器结构参数。假设冷凝器入口56℃,冷凝温度50℃,蒸发器入口20℃,冷凝器过冷5℃,蒸发器出口过热3℃,通道截面为方形,边长0.05mm,通道个数30。 通过对制冷工质R134a进行热力状态和参数的计算,按照上述理论模型得出设计结果:蒸发器计算长度为190mm,冷凝器计算长度为250mm。 2.2 变工况下换热器性能参数的变化 完成对部件的设计后,应用于实践时,工况必然会发生或多或少的变化。图1为假定换热器通道个数及管长不变,过冷度保持不变,管外侧空气状态变化时,换热量和冷凝温度变化的情况。图1(a)为冷凝器外界温度变化时,冷凝器进出口温度的变化曲线。随着外界温度的升高,在管长一定的情况下,冷凝温度必然升高,由于冷凝器包含过热、两相和过冷,换热量最大的是两相区的潜热,因此在冷凝温度增加时,两相区潜热值减小,从而总换热量不断减小,见图1(b)。饱和区,随着温度升高,饱和液粘度降低,而饱和气粘度升高,但是饱和液粘度比饱和气体粘度高一个数量级以上,总摩擦效应降低,压降减小,冷凝器两相区由于压降带来的进出口温差越来越小,见图1(a)。 当外界条件保持设计工况不变时,改变入口状态,随着入口过热度的增加过热区长度增加,两相区基本不变,从而过冷区长度不断减小,过冷度逐渐减小直至成为两相。当进口温度大于74℃时,出口为两相,随着进口温度的增加,出口干度不断增加。图2(a)是冷凝器出口温度随进口温度变化的曲线。出口过冷时,随着过冷度的减小,出口温度增加,到达两相区后,温度基本保持不变,但由于压降变化,温度稍微上升,幅度很小。由于过热区入口温度变化范围为50~90℃,而过冷度为0~6.6℃,所以过热区增加的换热量比过冷区的减小量要大,因此总换热量增加,见图2(b)。 图3是蒸发器入口条件不变,管长不变,外侧空气状态变化时,入口温度和换热量变化情况,总制冷量为5W,蒸发器过热3°。外界空气温度升高时,蒸发器入口温度必然升高,如3(a)所示。3(b)为制冷量随外界温度变化的曲线,蒸发器入口焓一定,随着蒸发温度的增加,饱和气焓值越来越大,过热3℃时,过热区焓随蒸发温度变化不大,故换热量不断增大。设计时入口干度为0.25,出口过热,过热3℃当入口干度从0变化到0.22时,出口为两相,入口干度大于0.22,出口过热,过热度随入口干度的增加不断增加,如图4(a);4(b)是制冷量随入口干度变化的曲线,只存在两相时,入口干度增加,出口干度也增加,两相中气体份额相对较大,换热量会略微上升,存在过热时,过热区换热量较小,总换热量减小。 2.3 质量流量的影响 图5为冷凝器在不同质量流量下换热量和两相区压降变化情况。5(a),(b)分别为两相区温差和总换热量随质量流量的变化曲线。如图换热器结构参数不变,质量流量增大时,管内流动强度增大,换热量增加,同时由于摩擦阻力增大,压降随之增大,换热器两相区进出口温差增大。蒸发器内换热量和两相区压降随质量流量变化趋势与冷凝器类似,不再赘述。 3 结语 利用均相模型模拟微通道两相换热器稳态性能,得出换热器设计结构参数(蒸发器计算长度为190mm,冷凝器计算长度为250mm),在此设计基础上分析变工况下换热器性能变化情况。外界空气温度变化时,随着冷凝器外界温度的升高,冷凝温度升高,换热量减小,进出口温差越来越小;蒸发器外侧温度升高时,入口蒸发温度升高,换热量不断增大。当外界条件保持不变时,冷凝器入口温度不断增加时,过冷度逐渐减小至出口为两相,出口过冷时,随着过冷度的减小,出口温度增加,到达两相区后,温度基本保持不变,总换热量增加;蒸发器入口干度设计值为0.25,此时出口过热3℃,当入口干度处于0~0.2时,出口两相,换热量略微上升,入口干度大于0.2时,出口过热,换热量减小。质量流量增大时,换热增强,两相区温差增大。 参考文献: [1] 姜培学,李勐.微型换热器的试验研究[J].压力容器,2003,20(2):8-12. [2] CollierJG,ConvectiveBoilingandCondensation[M].3rdedi- tion,Oxford:ClaredonPress,1994. [3] 鲁钟琪.两相流与沸腾传热[M].北京:清华大学出版社,2002. [4] McAdamsWH,etal.VaporizationInsideHorizontalTubes-II-Benzene-OilMixtures[C]//Trans.ASME.64,193(1942). [5] 丁国良,张春路.制冷空调装置仿真与优化[M].北京:科学出版社,2001. [6] 杨世铭,陶文铨.传热学第三版[M].北京:高等教育出版社.2001.215-220. [7] 朱明善.HFC-134a热物理性质:绿色环保制冷剂[M].科学出版社,1995. [8] S.W.Churchill.FrictionFactorEquationSpansAllFluidRe- gimes.Chem.Eng:91-92. [9] ChoiSB,BarronRF,WarringtonRO.FluidFlowandHeat TransferinMicrotubes[C]//MicromechanicalSensors,Actuators andSystems,ASMEDSC,vol.32,Atlanta,GA,1991:123-134. [10] WuP,LittleWA.MeasurementoftheHeatTransferCharac- teristicsofGasFlowinFineChannelHeatExchangersUsedfor MicrominiatureRefrigerators[J].Cryogenics24(1984)415-420. |
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