热管式换热器
新闻动态
分液管对风侧换热器中流量分配的调节点击：1912 日期：[ 2014-04-26 22:14:15 ] |
| 分液管对风侧换热器中流量分配的调节 张东彬 田怀璋 陈林辉 王 石 ( 西安交通大学) 摘要：建立分液管和换热器的数学模型，对空气源热泵风侧换热器在有、无分液管的情况下的各盘管中质量流量分配问题分别进行研究。仿真研究分析分液管能够对流量分配不均匀性起到调节作用的原因，同时定量讨论分液管几何尺寸对流量不均匀性的调节作用。分析结果还表明，为了进一步提高换热器性能，除了加装分液管外还应该对换热器各个盘管面积进行优化。 关键词：分液管 风侧换热器 数值模拟 流量不均 风侧换热器在制热工况下用作蒸发器使用，进口为干度很小的两相流体，出口为过热气体，密度相差很大，因此盘管位置越高流量越小；在制冷工况下用作冷凝器使用，进口为过热气体，出口为具有一定过冷度的液体，密度相差也很大，此种工况下盘管位置越高流量越大。盘管流量的差异导致换热器换热性能的恶化，加装分液管可以有效改善流量在蒸发器的各个盘管中的分配不均匀性。另 外，热泵的风侧换热器也常常因V型布置造成空气侧迎面速度不均匀，导致换热器不同换热盘管内的换热差异，影响流量的分配。目前国内有关换热器中的流量分配均匀性问题的研究工作还开展的较少，对于换热器是否使用分液管以及分液管、换热器各个盘管的换热管数量等设计问题的处理，往往带有较大的随意性，从而极大地影响换热器效率和系统的经济性。 作者曾用计算机仿真的方法对毛细管、冷凝器和蒸发器进行了流动和换热的研究，取得了满意的结果。在此基础上，建立了分液管和换热器的数学模型，对风侧换热器流量分配进行仿真研究。 1 数学模型 1．1 假设 ① 分液管中制冷剂的流动沿轴向，忽略径向和切向的流动，不考虑通过分液管管壁的换热； ② 忽略分液管与换热盘管接头处的局部压力损失； ③ 换热器传热沿径向，忽略沿着管轴向与周长方向的传热；制冷剂在换热管内的流动沿轴向，忽略径向和切向的流动等。 通过以上简化，即可将分液管中制冷剂的流动当作一维绝热流动，换热器可作为单通道水平波纹翅片管换热器处理，从而可以采用以下控制方程建立稳态数学模型。 1．2 控制方程及求解 使用控制容积(如图2)格式建立一维稳态控制方程。 由式(1)～(3)构成的一维稳态控制方程适用于毛细管、分液管及换热器，用于绝热毛细管及分液管计算时，需令壁面热流密度qw=0。对单相和两相使用了统一的控制方程，模型求解时按控制体逐个求解，保证了模型的收敛性。制冷剂在分液管中的流动速度增大得很快，压降梯度在进口时比出口时的小，因此对分液管计算时按式(4)划分成非均匀网格，换热器中制冷剂参数的变化没有分液管中的变化剧烈，因此按式(5)划分成均匀网格。 2 风侧换热器的流量分配不均匀性分析 2．1 重力压差 在没有分液管的情况下，制冷工况下顶部盘管内制冷剂的流量要大于底部盘管，也就是说盘管的位置越高，制冷剂的流量越大，而制热工况下风侧换热器的流量分配相反。图3表示空气源热泵在制冷和制热工况下风侧换热器仅由重力压差引起的流量分配不均匀的比较，由图可以看出，制冷工况下的流量分配不均匀程度远大于制热工况下的流量分配不均匀程度。由于在制冷工况时制冷剂进出换热器的密度差大于制热工况时的密度差，因此造成制冷工况下由重力压差所引起的流量分配不均匀度远大于制热工况下的流量分配不均匀程度。 2．2 风速不均 在没有分液管情况下，由于空气源热泵风侧换热器各换热盘管的外侧空气迎面速度不同，因此各盘管内换热情况会产生差异，从而影响管内的摩擦压降及加速压降，导致各盘管的流量差异。为简单有效地研究风速不均匀的影响，假定风侧换热器外侧空气迎面速度成线性分布，定义风速线性分布的斜率为风速不均匀度，则风速不均匀度越大表明风速分布越不均匀。 由图4可以看出，在制冷工况下，出口压力差约为1．2 kPa。由于并联管路的进出口压力应该相等，因此该换热造成的压力差需要各个盘管的流量偏差造成的流动压力差进行补偿。仿真计算表明，该风速不均匀所造成的第1盘管与第20盘管流量偏差约为0．16。 从图5中可以看出，由于盘管外侧风速不均引起各盘管内的两相换热段长度不同，各换热盘管的压力在两相段以后出现差异。但是由于制冷剂在过热区的流速很大，因此过热区制冷剂的摩擦压降仍然很大。计算表明，即使换热器水平放置，各换热盘管内没有重力压降，仅仅由于盘管外侧风速不均匀间接影响管内摩擦压降及加速压降，流量偏差约为0．14。 3 分液管流量调节机制及其几何尺寸对流量调节的影响 分液管中的压降包括摩擦压降、加速压降与重力压降。制冷剂在小直径管道(如毛细管)中的加速压降、摩擦压降对流量的变化反应灵敏，特别是在制冷剂两相状态下，加速压降、摩擦压降随质量流量的增加迅速增大。由于流体在分液管中总压降及各部分压降都随质量流量的增加而增大。当分液管与蒸发器各个盘管串联后，流体在分液管中的流动特性使得流量大的管路有流量减小的趋势，流量相对小的管路有流量增大的趋势，这样形成一个流量分配的负反馈。 为了衡量分液管中的压降对质量流量变化的反应灵敏度，定义一个变量： 计算表明，两相区r 的取值约为5．26×10MPa／(kg／s)，而液相区r取值约1．03×10 MPa／(kg／s)，比两相区要小的多，因此分液管的流量调节作用主要体现在两相区。计算表明，风侧换热器“V”字型夹角40度时，在重力压差及风速不均匀的影响下，若不采用分液管，制热工况下风侧换热器的最大流量偏差为0．36，制冷工况下的最大流量偏差达到0．75。图6是分液管长1．5 m 情况下，风侧换热器各换热盘管最大流量偏差随分液管直径的变化曲线，可以看出最大流量偏差随分液管直径的增大而增大；图7是分液管直径3．5 mm 的情况下，最大流量偏差随分液管长度的变化曲线图，可以看出最大流量偏差随分液管长度的增加而减小，但是当长度增加到1 m 后，其调节作用逐渐减弱。在相同分液管直径3．0 mlTl，长度1．5 m的情况下，制热工况下分液管能将最大流量偏差从0．36减小到0．0436，为未调节时的12．1％；而制冷工阀节流变成两相流体后再进入分液器；制冷工况下，制冷剂首先经过风侧换热器冷凝，变为过冷液体，然后流经分液管，再进入膨胀阀。为保证可靠的节流效果，要求膨胀阀前分液管中的制冷剂不能出现两相流动，因此分液管中的流动应该是一段全液相流动。对于制热工况，在理论上只要将分液管长度无限加大，或者采用内径不相等的分液管措施 后，是可以消除蒸发器各个盘管流量的不均匀性的。但是仿真计算表明，由于在实际设计中既要同时兼顾制冷和制热两种工况，使得制冷剂节流前有一定过冷度，又要保证制冷剂经过膨胀阀时有一定的压力降，使得膨胀阀可以通过过热度调节流量，因此仅依靠分液管来使得蒸发器中流量达到完全均匀是不可能的。换热器的进一步优化还需要调整换热器各个盘管的面积，经过分液管后流量仍然大的盘管应该将其换热面积所占的比例相应增大。 4 结 论 通过计算机仿真研究，对分液管在风侧换热器中流量分配的调节作用得到以下结论： ① 分液管能够有效改善制冷剂流量在蒸发器各个盘管中的流量分配均匀性，但是当分液管长度达到一定程度时，再增加其长度，改善作用就会减弱； ② 由于要兼顾制冷和热泵工况，并且又要保持在节流前液体制冷剂有一定的过冷度，因此不能仅依靠分液管使得蒸发器各盘管流量分配完全均匀。要取得更好的换热效率，蒸发器各个换热盘管所占面积的比例也应该进行优化。 参考文献 [1] 高原，田怀璋，曾艳，等．用数值方法分析绝热毛细管的流量特性．流体机械，2002，30(7)：47—49． [2] 梁俊杰，田怀璋，陈林辉，等．制冷剂在蒸发器中的流量分配及分液管设计．石油化工设备，2004，33(1)：30—33． [3] 王石．空气源热泵风冷换热器内部工作过程研究．西安：西安交通大学，2005． [4] 陶文铨．数值传热学．2版．西安：西安交通大学出版社，2001． |
| 上一篇：管壳式换热器的结构型式及传热性能 | 下一篇：管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展 |