哈雷釬焊板式換熱器
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                  分液管對風側換熱器中流量分配的調節

                  點擊:1556 日期:[ 2014-04-26 22:14:15 ]
                                                 分液管對風側換熱器中流量分配的調節                                    張東彬 田懷璋 陳林輝 王 石                                         ( 西安交通大學)     摘要:建立分液管和換熱器的數學模型,對空氣源熱泵風側換熱器在有、無分液管的情況下的各盤管中質量流量分配問題分別進行研究。仿真研究分析分液管能夠對流量分配不均勻性起到調節作用的原因,同時定量討論分液管幾何尺寸對流量不均勻性的調節作用。分析結果還表明,為了進一步提高換熱器性能,除了加裝分液管外還應該對換熱器各個盤管面積進行優化。     關鍵詞:分液管 風側換熱器 數值模擬 流量不均     風側換熱器在制熱工況下用作蒸發器使用,進口為干度很小的兩相流體,出口為過熱氣體,密度相差很大,因此盤管位置越高流量越??;在制冷工況下用作冷凝器使用,進口為過熱氣體,出口為具有一定過冷度的液體,密度相差也很大,此種工況下盤管位置越高流量越大。盤管流量的差異導致換熱器換熱性能的惡化,加裝分液管可以有效改善流量在蒸發器的各個盤管中的分配不均勻性。另 外,熱泵的風側換熱器也常常因V型布置造成空氣側迎面速度不均勻,導致換熱器不同換熱盤管內的換熱差異,影響流量的分配。目前國內有關換熱器中的流量分配均勻性問題的研究工作還開展的較少,對于換熱器是否使用分液管以及分液管、換熱器各個盤管的換熱管數量等設計問題的處理,往往帶有較大的隨意性,從而極大地影響換熱器效率和系統的經濟性。     作者曾用計算機仿真的方法對毛細管、冷凝器和蒸發器進行了流動和換熱的研究,取得了滿意的結果。在此基礎上,建立了分液管和換熱器的數學模型,對風側換熱器流量分配進行仿真研究。     1 數學模型     1.1 假設     ① 分液管中制冷劑的流動沿軸向,忽略徑向和切向的流動,不考慮通過分液管管壁的換熱;                       ② 忽略分液管與換熱盤管接頭處的局部壓力損失;     ③ 換熱器傳熱沿徑向,忽略沿著管軸向與周長方向的傳熱;制冷劑在換熱管內的流動沿軸向,忽略徑向和切向的流動等。     通過以上簡化,即可將分液管中制冷劑的流動當作一維絕熱流動,換熱器可作為單通道水平波紋翅片管換熱器處理,從而可以采用以下控制方程建立穩態數學模型。     1.2 控制方程及求解     使用控制容積(如圖2)格式建立一維穩態控制方程。                      由式(1)~(3)構成的一維穩態控制方程適用于毛細管、分液管及換熱器,用于絕熱毛細管及分液管計算時,需令壁面熱流密度qw=0。對單相和兩相使用了統一的控制方程,模型求解時按控制體逐個求解,保證了模型的收斂性。制冷劑在分液管中的流動速度增大得很快,壓降梯度在進口時比出口時的小,因此對分液管計算時按式(4)劃分成非均勻網格,換熱器中制冷劑參數的變化沒有分液管中的變化劇烈,因此按式(5)劃分成均勻網格。                                         2 風側換熱器的流量分配不均勻性分析                        2.1 重力壓差     在沒有分液管的情況下,制冷工況下頂部盤管內制冷劑的流量要大于底部盤管,也就是說盤管的位置越高,制冷劑的流量越大,而制熱工況下風側換熱器的流量分配相反。圖3表示空氣源熱泵在制冷和制熱工況下風側換熱器僅由重力壓差引起的流量分配不均勻的比較,由圖可以看出,制冷工況下的流量分配不均勻程度遠大于制熱工況下的流量分配不均勻程度。由于在制冷工況時制冷劑進出換熱器的密度差大于制熱工況時的密度差,因此造成制冷工況下由重力壓差所引起的流量分配不均勻度遠大于制熱工況下的流量分配不均勻程度。                       2.2 風速不均    在沒有分液管情況下,由于空氣源熱泵風側換熱器各換熱盤管的外側空氣迎面速度不同,因此各盤管內換熱情況會產生差異,從而影響管內的摩擦壓降及加速壓降,導致各盤管的流量差異。為簡單有效地研究風速不均勻的影響,假定風側換熱器外側空氣迎面速度成線性分布,定義風速線性分布的斜率為風速不均勻度,則風速不均勻度越大表明風速分布越不均勻。                      由圖4可以看出,在制冷工況下,出口壓力差約為1.2 kPa。由于并聯管路的進出口壓力應該相等,因此該換熱造成的壓力差需要各個盤管的流量偏差造成的流動壓力差進行補償。仿真計算表明,該風速不均勻所造成的第1盤管與第20盤管流量偏差約為0.16。     從圖5中可以看出,由于盤管外側風速不均引起各盤管內的兩相換熱段長度不同,各換熱盤管的壓力在兩相段以后出現差異。但是由于制冷劑在過熱區的流速很大,因此過熱區制冷劑的摩擦壓降仍然很大。計算表明,即使換熱器水平放置,各換熱盤管內沒有重力壓降,僅僅由于盤管外側風速不均勻間接影響管內摩擦壓降及加速壓降,流量偏差約為0.14。                           3 分液管流量調節機制及其幾何尺寸對流量調節的影響     分液管中的壓降包括摩擦壓降、加速壓降與重力壓降。制冷劑在小直徑管道(如毛細管)中的加速壓降、摩擦壓降對流量的變化反應靈敏,特別是在制冷劑兩相狀態下,加速壓降、摩擦壓降隨質量流量的增加迅速增大。由于流體在分液管中總壓降及各部分壓降都隨質量流量的增加而增大。當分液管與蒸發器各個盤管串聯后,流體在分液管中的流動特性使得流量大的管路有流量減小的趨勢,流量相對小的管路有流量增大的趨勢,這樣形成一個流量分配的負反饋。     為了衡量分液管中的壓降對質量流量變化的反應靈敏度,定義一個變量:                          計算表明,兩相區r 的取值約為5.26×10MPa/(kg/s),而液相區r取值約1.03×10 MPa/(kg/s),比兩相區要小的多,因此分液管的流量調節作用主要體現在兩相區。計算表明,風側換熱器“V”字型夾角40度時,在重力壓差及風速不均勻的影響下,若不采用分液管,制熱工況下風側換熱器的最大流量偏差為0.36,制冷工況下的最大流量偏差達到0.75。圖6是分液管長1.5 m 情況下,風側換熱器各換熱盤管最大流量偏差隨分液管直徑的變化曲線,可以看出最大流量偏差隨分液管直徑的增大而增大;圖7是分液管直徑3.5 mm 的情況下,最大流量偏差隨分液管長度的變化曲線圖,可以看出最大流量偏差隨分液管長度的增加而減小,但是當長度增加到1 m 后,其調節作用逐漸減弱。在相同分液管直徑3.0 mlTl,長度1.5 m的情況下,制熱工況下分液管能將最大流量偏差從0.36減小到0.0436,為未調節時的12.1%;而制冷工閥節流變成兩相流體后再進入分液器;制冷工況下,制冷劑首先經過風側換熱器冷凝,變為過冷液體,然后流經分液管,再進入膨脹閥。為保證可靠的節流效果,要求膨脹閥前分液管中的制冷劑不能出現兩相流動,因此分液管中的流動應該是一段全液相流動。對于制熱工況,在理論上只要將分液管長度無限加大,或者采用內徑不相等的分液管措施 后,是可以消除蒸發器各個盤管流量的不均勻性的。但是仿真計算表明,由于在實際設計中既要同時兼顧制冷和制熱兩種工況,使得制冷劑節流前有一定過冷度,又要保證制冷劑經過膨脹閥時有一定的壓力降,使得膨脹閥可以通過過熱度調節流量,因此僅依靠分液管來使得蒸發器中流量達到完全均勻是不可能的。換熱器的進一步優化還需要調整換熱器各個盤管的面積,經過分液管后流量仍然大的盤管應該將其換熱面積所占的比例相應增大。                                               4 結 論     通過計算機仿真研究,對分液管在風側換熱器中流量分配的調節作用得到以下結論:     ① 分液管能夠有效改善制冷劑流量在蒸發器各個盤管中的流量分配均勻性,但是當分液管長度達到一定程度時,再增加其長度,改善作用就會減弱;     ② 由于要兼顧制冷和熱泵工況,并且又要保持在節流前液體制冷劑有一定的過冷度,因此不能僅依靠分液管使得蒸發器各盤管流量分配完全均勻。要取得更好的換熱效率,蒸發器各個換熱盤管所占面積的比例也應該進行優化。                           參考文獻     [1] 高原,田懷璋,曾艷,等.用數值方法分析絕熱毛細管的流量特性.流體機械,2002,30(7):47—49.     [2] 梁俊杰,田懷璋,陳林輝,等.制冷劑在蒸發器中的流量分配及分液管設計.石油化工設備,2004,33(1):30—33.     [3] 王石.空氣源熱泵風冷換熱器內部工作過程研究.西安:西安交通大學,2005.     [4] 陶文銓.數值傳熱學.2版.西安:西安交通大學出版社,2001.
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