平行流蒸發(fā)器管間距對流場溫度均勻性的影響

平行流蒸發(fā)器管間距對流場溫度均勻性的影響

流蒸發(fā)器的均勻性在過去提高換動器效率的各種方法中，大部分方法都是改變管的外切口的形狀，以提高管外圍的換熱系數(shù)（k）。因此,從傳熱溫差的角度考慮,設計高效的換熱器主要是管路的溫度場和速度場均勻性,即在同一截面上的溫度和速度相等。就平行流蒸發(fā)器而言,由于管路的管徑大小一樣,所以只要管內(nèi)流量的均勻,其管內(nèi)的速度場和溫度場也一定均勻,其傳熱效果最優(yōu)。本文針對將對下面兩個方面進行研究:(1)在每根管的流量達到均勻后,通過改變平行蒸發(fā)管之間的間距,研究管內(nèi)制冷劑流量受間距變化的影響大小;(2)在每根管的流量達到均勻后,通過改變平行蒸發(fā)管的進口速度,研究并分析管內(nèi)制冷劑流量受進口速度變化的大小。1各維度內(nèi)標物：單個入流速度分布不均勻性因子基周森泉,過增元等對來流溫度速度不均勻時換熱器效能的分析進行了研究到了來流速度分布為線性分布變化,得出了相變叉流換熱效能修正因子隨單相來流速度分布不均勻性因子變化曲線圖。其中相變叉流交換器的傳熱控制方程為:由圖1-1可看出來流速度分布不均勻會惡化換熱器的傳熱,NTU(傳熱單元數(shù))越大,惡化越強烈2數(shù)值模擬2.1平行流蒸發(fā)器理論分析對模型進行簡化,簡化和假設如下:i.實驗在室內(nèi)環(huán)境下進行,環(huán)境溫度保持恒定;ii.制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的干度變化均勻;iii.制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的流動為均相流;iv.蒸發(fā)器圓管管壁的軸向?qū)岷雎圆挥?v.忽略蒸發(fā)器內(nèi)的不凝性氣體的影響;為了能準確快捷的了解平行流蒸發(fā)器的孔徑大小對管內(nèi)制冷劑液體流量的影響,就需要對平行流蒸發(fā)器進行理論計算及數(shù)值模擬計算,以便更快更準的為實驗提供理論依據(jù)。本文在理論研究中采用中仿科技COMSOLMultiphysics4.4模擬軟件,對蒸發(fā)器孔徑及管內(nèi)流速和溫度進行理論計算。本文從三大基本方程出發(fā),建立平行流蒸發(fā)器的數(shù)值模型,應用COMSOL軟件來進行數(shù)值模擬整個平行流蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流動換熱的全過程。2.2蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的流量分配模擬本文數(shù)值模擬采用的是COMSOL中的廣義傳熱模型和不可壓縮N-S方程模型對二維模型進行模擬。分別對不同的蒸發(fā)器進口流速和蒸發(fā)管間距來觀察分析蒸發(fā)器管路溫度場進行求解。對蒸發(fā)器管路內(nèi)的制冷劑流速、壓力、溫度進行模擬分析。蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑流量分配通過伯努利方程(2-1)、動量方程(2-2)、質(zhì)量守恒方程(2-3)、能量方程(2-4)共同計算。伯努利方程:模擬采用COMSOL軟件中非等溫流模塊,其中流體流動中方程有動量方程:能量方程:固體傳熱中涉及方程:對所設計的平行流蒸發(fā)器進行模擬,對蒸發(fā)器進行管路的水力計算,通過改變管路的局部阻力系數(shù)和沿程阻力系數(shù)來調(diào)節(jié)平行蒸發(fā)管內(nèi)的制冷劑流量,最終使每根蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑流量相等。在均勻分液的平行流蒸發(fā)器基礎上,通過改變蒸發(fā)器進口流速和蒸發(fā)管之間的管間距來觀察分析蒸發(fā)器管路溫度場的變化。2.3邊境條件的定義2.3.1管根阻力系數(shù)當管根數(shù)和進口速度一定時,首先按照流量均勻分配進行邊界條件的模擬。由于所加工的最小孔徑為0.4mm,所以第一根蒸發(fā)管的孔徑設定為0.4mm,進口流速1不變時,在通過改變2、3的壓力,使2、3的流量分配為1/7(假定管根數(shù)為8),在通過伯努利方程計算得出此時孔徑處的局部阻力系數(shù)。然后通過物理模型按照壓降相等關(guān)系,模擬出剩余孔徑局部阻力系數(shù)的大小,再通過相應孔徑的流量分配比例和孔徑系數(shù)算的孔徑大小。管1孔徑的流量分配如表2-1所示。2.3.2一定的不同進口速度和不同的模擬過程在同一管根數(shù)和孔徑下,把進口流速從0.04改為0.1m/s和0.01m/s時,模擬蒸發(fā)管內(nèi)制冷劑流速狀態(tài)及溫度變化。2.3.3在相同的管根數(shù)和直徑下，不同管距離的模擬過程為通過改變相鄰蒸發(fā)管的管間距為3cm、5cm,模擬出其溫度和管內(nèi)流速的分配情況。2.4模擬結(jié)果和實驗分析2.4.1不同進口流速下的溫度差異由圖2-2、2-3可以看出,平行蒸發(fā)管為8根時的模擬孔徑下,當進口速度為V=0.1m/s時,8根平行蒸發(fā)管內(nèi)的制冷劑流量不相等,管1內(nèi)的制冷劑流速最大,管8內(nèi)的制冷劑流速最小,且從管1到管8的制冷劑流速逐漸減小;當進口制冷劑速度為V=0.01m/s時,8根平行蒸發(fā)管內(nèi)的制冷劑流速不相等,管1和管2內(nèi)的制冷劑流速最小,管6和管7內(nèi)的制冷劑流速最大。出現(xiàn)此狀況的主要原因是:當蒸發(fā)器入口處制冷劑流量不足時,集液管內(nèi)的制冷劑量較少,使得每根蒸發(fā)管的阻力降不等,靠近進口處的蒸發(fā)管阻力損失較小分液較多,距離入口處較遠的蒸發(fā)管阻力損失較大分液較少;當蒸發(fā)器入口處制冷劑流量較大時,集液管內(nèi)的制冷劑量較多,使得孔徑較大的蒸發(fā)管和阻力較小的管徑分液較多。由圖2-4可以看出,平行流蒸發(fā)器的蒸發(fā)管數(shù)為8根時,且蒸發(fā)器的進口速度為V=0.01m/s時,初始階段的溫度基本恒定不變,在100s后溫度下降較明顯,在同一時間內(nèi),平行流蒸發(fā)器的第8根管的溫度最高,第1根管內(nèi)的溫度最低,由于總的進口速度變小,使得靠近進口處的蒸發(fā)管分液較多,溫度下降較快,管8距離進口較遠,剩余分液量過少導致溫度較高;當系統(tǒng)穩(wěn)定后,靠近平行流蒸發(fā)器入口處越近的蒸發(fā)管溫度越低,管1和管8穩(wěn)定后的溫度相差約4℃。主要原因是:蒸發(fā)器進口處的速度變小,制冷劑流到所測點處的時間較長,導致溫度下降較慢;由于流量的不足,使得靠近進口處的蒸發(fā)管分離了較大部分制冷劑,導致靠近進口處較遠的蒸發(fā)管內(nèi)的制冷劑量不足,溫度較高。由圖2-5可以看出,在平行流蒸發(fā)器進口的速度為V=0.1m/s時,8根平行蒸發(fā)管的降溫速率相近,并且比圖2-11(V=0.04m/s)達到穩(wěn)定所需的時間短,但系統(tǒng)穩(wěn)定后的溫度比速度為V=0.1m/s時的高。主要原因是:當系統(tǒng)的循環(huán)量變大后,制冷劑能在最短的時間內(nèi)充滿集液管,制冷劑的流速較大,使得蒸發(fā)管的降溫速率變大,但由于流速過大,制冷劑不能再蒸發(fā)管內(nèi)得到充分的換熱,使得穩(wěn)定后的溫度較高。2.4.2不同管間距和溫度分布特點分析由圖2-6、2-7可以看出,當平行流蒸發(fā)器的進口速度為V=0.01m/s不變時,平行蒸發(fā)管管間距為3cm、5cm的管內(nèi)流速和管間距為4cm的管內(nèi)流速相近,主要是因為當平行蒸發(fā)管管間距改變較小時,每根蒸發(fā)管的壓降變化量不大,使得管內(nèi)流速變化量很小。由圖2-8可以看出,當蒸發(fā)器進口流速不變時,平行蒸發(fā)管的管間距由4cm變化到5cm后的溫度變化較小,在降溫階段,管間距為5cm的降溫曲線較分散。主要原因是管間距變大后,集管變長,制冷劑流向靠近進口處較遠的蒸發(fā)管所需時間較長,平行管之間的溫度下降所需時間變大,導致降溫階段各個平行管之間的分度分布較分散。由圖2-9可以看出,當蒸發(fā)器進口流速不變時,平行蒸發(fā)管的管間距由4cm變化到3cm后的溫度變化較小,在降溫階段,8根蒸發(fā)管間的降溫曲線較集中。主要原因是管間距變小后,集液管變短,制冷劑液體充滿集液管所需時間變短,蒸發(fā)管路之間的供液時間縮短。表明平行蒸發(fā)管之間距離的小幅增大和減小對管內(nèi)流量的影響較小。由圖2-10可以看出,在模擬工況與實驗工況一致的情況下,模擬值的降溫速率高于實驗值的降溫速率,在開始降溫階段,兩曲線吻合度較好,都呈現(xiàn)出豎直下降的趨勢,在下降到6℃時,實驗溫度值下降緩慢,模擬溫度值繼續(xù)下降,模擬溫度值在100s后達到穩(wěn)定狀態(tài)。實驗溫度值的整體下降趨勢較緩慢,在800s后穩(wěn)定并和模擬溫度值吻合。主要原因是,模擬溫度值是在數(shù)學模型下進行的,實驗溫度值受環(huán)境變化的影響較大,且系統(tǒng)在運行中的變量因素較多,對蒸發(fā)器進出口溫度和壓力的影響較大,導致模擬溫度值和實驗溫度值在穩(wěn)定前的誤差值較大3不同工況下平行流蒸發(fā)器的溫度變化規(guī)律最后在模擬出的孔徑下對平行流蒸發(fā)器進行實驗驗證,分析模擬孔徑在實驗過程中的溫度變化;分析平行流蒸發(fā)器和