E-07001-水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算

中国教育学会工程热物理专业委员会第十三届全国学术会议编号：E-07001水平管降膜蒸发器管外液体流动研究及膜厚的模拟计算王小飞1费继友1,2何茂刚1*张颖1（1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049）（2大连交通大学机械工程学院，大连，116028）（*联系作者Tel：029-82663863Email：[e-mail]）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FLUENT数值模拟计算的物理模型。以制冷剂R134a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1前言早在1848年，水平管降膜式蒸发器技术就已经诞生[1]，但是直到上世纪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，以其独特的优势使其具有广阔的发展前景，主要表现在以下几个方面：1)拥有更高的换热系数[2]，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。由于目前降膜式蒸发器在制冷系统中的应用尚处于探索阶段，故仍有许多技术难题需要解决，主要表现为以下几个方面：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（Dryout）的影响[3]。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。除国家自然科学基金资助项目(No.50323001)；新世纪人才基金资助项目(No.NCET-04-0925)；中国博士后科学基金项目(No.20060400997)此之外，目前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。针对上述问题，本文采用数值模拟软件FLUENT，建立了正三角形排列的水平管降膜式蒸发器物理模型，以制冷剂R134a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Tecplot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。2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、泵和排气通道组成。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[4]。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。2.1波长λ的验证计算以及布液器开孔间距的确定T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，波长为从单孔流下的液体在蒸发管上延伸的昀大范围的轴向距离（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。Tλ图1波长示意图波长λT表达式如下[5]：TLn2gσλπρ12⎛⎞=⎜⎟⎝⎠(1)式中：σ为制冷剂液体的表面张力系数，N/m；ρL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，对于粘度较小工质，取2与实际观察相符[5]。针对制冷工质R134a，当n＝2，在某工况下，可得λT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。2.2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GaL和ReΓ，无量纲数GaL和ReΓ定义如下：3LL4Gagρσμ=L4ReμΓΓ=(2)式中：ΓL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；μ为动力粘性系数，kg·(m·s)-1。研究表明[6]：1.当ReГ0.074GaL0.302，处于滴状流流态；2.当0.074GaL0.302≤ReГ≤0.096GaL0.301，处于滴状流到柱状流过渡的混合流态；3.当0.096GaL0.301≤ReГ≤1.414GaL0.233，处于柱状流流态；4.当1.414GaL0.233≤ReГ≤1.448GaL0.236，处于柱状流到片状流过渡的混合流体态。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：outm2dReqπμΓ=孔24mqudπρ=孔孔(3)式中：qm孔为布液器上单孔制冷剂流量，kg·s-1；dout蒸发管外径，mm；d孔为布液器上单孔开孔直径，mm。2.3FLUENT6.0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计算域示意图图3网格示意图为了提高计算精度，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[7]。网格为四边形，采用pave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，所以昀终计算过程采用该网格数。3数值模拟结果及分析选定计算工质为R134a，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R134a蒸气，其热物性参数如表1所示。表1R134a制冷剂物性参数状态ρ/kg·m-3cp/kJ·(kg·K)-1μ/kg·(m·s)-1λ/W·(m·K)-1σ/N·m-1饱和液体1278.11.3512.5011×10-40.09110.010840饱和气体17.1470.920731.0912×10-5\0.010840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VOF两相模拟方法。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℃，下端边为Outflow边界，两侧边为对称边界。3.1开孔孔径对液膜厚度的影响用Tecplot后处理软件读取液膜厚度。将Fluent的运行结果导入Tecplot中，采用wild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δ1、δ2分别为第一、二排蒸发管轴线水平面上液膜厚度（下同）。表2管孔距离10mm，变孔径变流量下液膜厚度d孔/mmqm/kg·s-1u/m·s-1δ1/mmδ2/mm0.0005850.08000.28\0.0007310.10000.310.220.0011870.16230.410.310.0012370.16910.440.320.0012860.17580.450.330.0019020.26000.590.442.70.0019780.27040.60\0.0011380.11500.33\0.0011870.12000.340.27*0.0012370.12500.370.280.0012860.13000.380.300.0019780.20000.540.430.0028690.29000.700.570.0029680.30000.73\3.140.0030670.32000.79\0.0008450.06500.320.20*0.0009100.07000.320.210.0011380.08750.320.240.0011870.09130.330.250.0012370.09510.370.280.0019780.15210.490.370.0028690.22060.66\3.60.0029680.22830.68\注：*临界状态点；\不成膜图4～10显示了水平管外径dout＝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。汽液两相图速度分布图汽液两相图速度分布图图4速度u＝0.08m/s模拟结果图(d孔＝2.70mm)图5速度u＝0.17m/s模拟结果图(d孔＝2.70mm)汽液两相图速度分布图汽液两相图速度分布图图6速度u＝0.12m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)图7速度u＝0.29m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)汽液两相图速度分布图汽液两相图速度分布图图8速度u＝0.07m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)图9速度u＝0.15m/s模拟结果图(d孔＝3.14mm)从上述表和图中可以看出：(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公式(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。3.2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，在不同孔径，不同流量条件下，管外薄膜厚度随着管表面角度θ变化的分布情况如表4～6和图10～15，其中θ＝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°。表4开孔孔径为2.7mm，不同流量下膜厚分布情况θ/°14.5