基于气液分离原理的强化换热器研究.pdf

1452023中国家电科技年会论文集0 引言国家提出的“2030年碳达峰，2060年碳中和”的战略，为热交换器行业带来新的机遇和挑战。根据美国能源信息署发布的 国际能源展望 预测，到2025年，我国的一次能源消耗仍然将占世界总需求的13.7%14.6%，由此可见，节能形势依然非常严峻。气液两相流广泛存在于换热设备中，两相流分配的均匀性对换热设备的运行安全和换热效率提升具有重要意义。通过对管内制冷剂换热过程以及流型流态的分析得出：在冷凝过程中，液滴刚生成的时候管内换热系数最高，在冷凝过程中随着冷凝液的逐渐积累液膜逐渐增厚，液膜的热阻成为主要热阻之一，导致换热作者简介：董永旺，本科学历。研究方向：高效热泵空调系统。地址：山东省青岛市崂山区海尔路1号。E-mail：。基于气液分离原理的强化换热器研究董永旺1 马强1 代传民1 曾敏2 李秉承2 魏伟11.青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266103；2.西安交通大学 陕西西安 710049摘 要：气液两相流广泛存在于换热设备中，通过对管内制冷剂换热过程以及流型流态的分析得出在冷凝过程中，液滴刚生成的时候管内换热系数最高，蒸发过程中则是环状流换热系数最高。为了实现冷凝过程中液体快速排走提出了减薄液膜实现强化换热的气液分离技术，近些年来引起了广泛的研究和应用。创新地提出了一种可以应用于翅片管换热器的蜂窝状气液分离结构，利用仿真计算软件对蜂窝状分离结构的气液分离过程机理进行研究，同时利用Coildesigner中经验公式对其进行校核，确定了模型的准确性和可靠性，最终确定蜂窝状气液分离结构的参数。研究可以实现气液分离效率89%以上，同时装备了蜂窝状气液分离结构的翅片管式换热器，对比于传统翅片管式换热器，可以实现压降损失降低8.08%，换热量提升6.22%。关键词：气液分离；微孔；高效换热器；翅片管换热器；减薄液膜Research on enhanced heat exchanger based on vapor-liquid separation principleDONG Yongwang1 MA Qiang1 DAI Chuanmin1 ZENG Min2 LI Bingcheng2 WEI Wei11.Qingdao Haier Intelligent Technology R&D Co.,Ltd.Qingdao 266013;2.Xian Jiaotong University Xian 710049Abstract:Vapor-liquid two phase flow is widely used in heat exchanger.Through the analysis of the heat transfer process and flow pattern of refrigerant in the tube,it is found that during the condensation process,the heat transfer coefficient in the tube is the highest when the liquid droplet is just generated,while during the evaporation process,the heat transfer coefficient in the annular flow is the highest.In order to achieve rapid liquid removal during the condensation process,a vapor-liquid separation technology that enhances heat transfer by thinning the liquid film has been proposed,which has attracted extensive research and application in recent years.Innovatively proposes a honeycomb vapor-liquid separation structure which can be applied to finned tube heat exchangers,simulation software is used to study the vapor-liquid separation process mechanism of the honeycomb separation structure.At the same time,the empirical formulas in Coildesigner are used to verify its accuracy and reliability,and the parameters of the honeycomb vapor-liquid separation structure are ultimately determined,which can achieve vapor-liquid separation efficiency of over 89%.At the same time,a finned tube heat exchanger equipped with a honeycomb gas-liquid separation structure can achieve a pressure drop loss reduction of 8.08%and a heat transfer increase of 6.22%compared to traditional finned tube heat exchangers.Keywords:Vapor-liquid separation;Micropore;High efficiency heat exchanger;Finned tube heat exchanger;Thinning liquid film中图分类号：TK172 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.034146 2023中国家电科技年会论文集能力大幅下降，而此时继续强化管外空气侧换热系数带来的增效较小，在冷凝换热器中若能够在适当位置处设置气液分离结构，起到减薄液膜厚度、降低热阻的作用，可以实现增强冷凝器换热能力的效果。近年来气液分离技术在传热相关领域的研发和应用越来越多。Li等人1,2在微通道冷凝换热器中采用了T型管的气液分离方案，与无分液结构的微通道冷凝器相比，微通道分液冷凝器的出口温度低1.3，质量流量高6.1%。Yang等人3对T型管气液分离开展了广泛深入的研究，特别是有机制冷剂在T型管中的气液分离，T型管气液分离器的优点是简单实用、成本低廉，目前在分液冷凝器，气体旁通制冷系统和家用冰箱中应用较为广泛，但是其缺点也十分明显，即气液分离效率一般，组分分离效果差。虢国成等4对过滤式气液分离器的分离机理进行了研究，对包括惯性冲击、拦截滞留、布朗扩散、重力沉降以及静电吸附等进行了分析，进一步探讨了丝网气液分离器分离效率及影响因素。彭晓峰等人5对平行流冷凝器中连接各管程的联箱进行改造，提出了平行流分液冷凝器，两相工质进入联箱后，在分液结构的作用下联箱中的液相工质沿联箱流到冷凝器底部的蛇形管过冷区，气相工质进入下一管程中继续冷凝，实现气液分离，在这一过程中，流体工质的质量流速基本稳定，冷凝器的换热更加均匀且整体换热性能具有较大的提升。目前气液分离技术已得到大量研究文献的报道，近年来已逐渐应用于不同领域中，但对于管翅式蛇形管换热器中的气液分离技术仍没有合适方案。因此，本文对于管翅式换热器的气液分离提出了一种可行方案，同时进行了验证分析。1 热质传递方法与模型建立1.1 热质传递数值方法研究本文中制冷剂R32在管翅式蛇形管换热器内的冷凝过程包含气液两相，因此计算时需选用多相流模型。根据公开文献研究，目前应用广泛且技术成熟的多相流模型主要分为三种，分别是：欧拉模型、混合模型和流体体积（VOF）模型。VOF模型要求各相之间不会相互渗透从而求解区域内每一相的体积分数，相比于其他多相流模型可以更加清晰地捕捉冷凝过程中相界面的变化，并且能够更加清晰地描述温度分布，适用于射流、气液两相流动、溃坝后液体的运动等场景，虽然对计算资源要求较大，但是稳定性好、准确度高且相界面最为清晰，是本项目的最佳选项。基于上述分析，选择VOF模型作为本项目研究工作的多相流模型，通过求解相体积分数的连续性方程，跟踪相之间的界面。定义主相为气相为v，次相为液相l，在冷凝过程中可得式（1）：（1）式中：mvl是气相到液相的传质质量，mlv为液相到气相的传质质量，v为气相密度，t为时间项，为气相流体速度，在单一控制体重气液两相的体积分数和为1，场变量和属性基于体积分数值计算，当v=0时计算单元中全部为液相；当v=1时计算单元中全部为气相；当0v1时计算单元中为气液两相共存。VOF模型计算中公式可分为显示公式和隐式公式两种，显示格式用当前步的计算值直接作为下一迭代步的初始值，计算逻辑清晰，但步长受限制，一般时间步长要很小，由此带来的好处是气液两相界面相比于隐式更加清晰。隐式格式需要解方程组，对时间步长的要求较小，受限程度小于显示格式，但是步长过大也会导致结果的精确性下降，求解单个迭代步的计算量大，尤其对大型非线性方程组求解困难，优点是稳定性好。显式格式和隐式格式的本质区别在于采用不同的物理学平衡方程，但都需要根据模型和求解问题合理设置分析步的增量步长和求解方法，保证分析的精度和质量。管翅式蛇形管换热器气液分离研究的对两相流流型判断和分布有较高的要求，因此相界面需要足够清晰，根据前期试算结果表明，显示公式下效果更好，更能捕捉到冷凝过程的细节，因此研究中选用显示格式的CAE求解方法，其方程为：（2）式中：V为单元体积，n+1为当前时间步索引，n为上一时间步索引，为气相流体在第n+1时间步时体积分数的面值，v为在第n+1时间步时气相密度的单元值，为基于法向速度的通过面的体积通量，同时在计算中选用精度最高的Geo-Reconstruct界面追踪方案。在整个计算域中，为流体的密度，kg/m3；为流体的导热系数，W/(mK)；为流体的动力粘度，Pas；E为比热力学能，J/kg，其计算方法如式（3）（6）所示：（3）（4）（5）（6）在管翅式蛇形管换热器的整体计算案例中，构建正六面体结合化网格或蜂窝状多面体网格，采用VOF求解动量方程由气液两相共享，如式（7）所示；冷凝相变过程中能量方程如式（8）所示：1472023中国家电科技年会论文集 （7）（8）式中，为表面张力项；为重力加速度，m/s2；p为压强，Pa；hig为相变潜热，J/kg；其中气相比热力学能Ev和液相比热力学能El的计算方法如公式（9）（10）所示：（9）（10）式中，Tv为气相温度，单位K；Tl为液相温度，单位K；Tsat为相变工质的饱和温度，单位K。在本研究中，通过UDF（用户自定义函数）实现对NIST数据库中R32制冷剂物性参数调用，建立温度范围为308.15 K348.15 K、压力范围为2.99803.0020 MPa的工质饱和蒸气压关系，拟合使Tsat=f(psat)从而代替定制饱和温度作为相变判据，使得仿真更加准确，工况更贴近实际。1.2 三维物理模型研究冷凝器管路为单排，管类型为7内螺纹管，换热器长700 mm，宽200 mm，管间距21 mm，翅片类型为波纹翅片，片宽为21 mm，片间距为1.1 mm。制冷剂采用R32，建立模型如图1。内螺纹铜管在冷凝过程中的使用存在优势也存在弊端。具体地，在内螺纹铜管的作用下可以使管内冷凝液发生旋转，增加扰动，使液膜与冷却壁面脱开，促进换热系数的增大。但在另一方面，蛇形管冷凝器换热管内壁面的螺纹会带来更大的粗糙度，造成压降增大。流体在壁面光滑无垢的管道中液膜的流动阻力更小，冷凝液的流速更大，从而能够在更短的时间中流走，液膜层也会减薄。而当壁面含螺纹时，粗糙度增加，流动阻力会增大，泵在以额定功率运行下R32制冷剂在管内的流速降低，使液膜层更容易增厚，换热系数会降低。因此从传热学理论分析的角度考虑，对于本研究中的带螺旋结构的换热管迫切需要进行气液分离技术。该技术能够有效强化内螺纹铜管的优势，同时弱化液膜增厚带来的热阻增大的弊端，进而可以带来更大的传热效益。在本文的计算中，流体域网格单元结构皆为正六面体结构化网格单元，如图2所示，它具有快速拟合、生成的速度、生成的质量好等优点，与实际的模型更容易接近。图2 蛇形管换热器局部网格示意图微通道蜂窝管分液器是结合加工需要而设计出的分液冷凝的技术方案，同样也是一种传统的管翅式换热器的分液冷凝的优化方案。微通道蜂窝管分液器也安装于管翅式蛇形管换热器的一侧，当大规模普及应用时，可批量采购蜂窝管微通道与U型管进行焊接，对原管翅式换热器的一端进行适当延长，完成蜂窝管微通道分液器的安装。本节中L为蜂窝微通道通孔的孔中心距（0.52 mm），D为蜂窝分液器的外径（5.6 mm），d为蜂窝微通道孔径（0.32 mm），其安装示意图与尺寸标注示意图如图3和4所示。本节中建立了含分液微通道蜂窝管的管翅式换热器的三维物理模型，局部位置的几何示意图如图3所示，从中可以清晰直观地了解其内部的结构细节。微通道蜂窝管分液器的一侧连接U型管，另一侧连接螺纹翅片换热管，整体安装位置在管翅式蛇形管换热器的一侧，即可减小掠过螺纹管风速和风向的影响，也可以便于工程图1 含分液微通道蜂窝管的管翅式蛇形管换热器三维示意图图3 圆柱蜂窝微通道安装的示意图148 2023中国家电科技年会论文集加工和制造。根据有限元分析的基本原理，网格划分的越致密，求解结果的精度便会越高。但在实际的设计应用中，网格数量成倍增加会导致计算的时间同时成倍增加。因为当网格数量达到一定数量后，计算精度的提高幅度微乎其微。所以，在计算应用中，应选择满足计算精度且网格数量适当的网格。一般地，需要对模型不同部位的重要程度进行区分，节选重点的研究计算域，并对关键的部位和关键的节点进行网格细化，而远离约束和载荷的部位或受约束和载荷影响较小的部位可适当选择较为粗糙的网格进行离散，从而可以将有限的资源和时间用到物理模型结构的关键部位和节点。在本文的计算中，选择L型蛇形管换热器的局部流体域开展网格独立性验证，选择进出口压降作为独立性检验的比较参数，结果如图5所示。图5 网格独立性验证由图5可知，当计算域模型的网格数从62.58万增长到125.68万时，计算域进出口压降随网格的变化剧烈。当网格数从125.68万增长至195.36万时，计算域进出口压降的变化幅度大幅减小，但仍然有较大的偏差。当网格数达到195.36万时，可以看出随着网格数量的增加，曲线基本保持一致，进出口压降对网格的敏感性很弱，比较参数的值越来越趋向于定值，认为195.36万网格单元数对应的计算网格符合数值求解的精度要求，网格独立性验证完毕。在研究时间步长无关性时，时间步长分别选取110-4 s、510-5 s、210-5 s、110-5 s、810-6 s、510-6 s、210-6 s和110-6 s，其他参数设置均相同，表1为当流动时间总时间为0.5 s时，8种时间步长下运算过程状态和流体计算域内冷凝液的生成量（液相百分数）。表1 不同时间步长下冷凝液生成量（液相百分数）序号时间步长（s）运算过程状态冷凝液生成量1110-4计算发散/2510-5残差震荡剧烈，相界面模糊11.599%3210-5收敛性较好，相界面较模糊12.328%4110-5收敛性较好，相界面较清晰12.333%5810-6收敛性好，相界面较清晰12.332%6510-6收敛性好，相界面清晰12.333%7210-6收敛性好，相界面清晰12.332%8110-6收敛性好，相界面清晰12.333%可见时间步长为110-5 s、810-6 s、510-6 s、210-6 s和110-6 s时，冷凝液生成量几乎一致；当时间步长为510-6 s、210-6 s和110-6 s时，气液两相流相界面清晰，因此选取510-6 s作为本算例的时间步长。同时方法选择为Multiphase-Specific，全局库仑数上限为0.25，每个时间步迭代不超过30次，计算步数为5106步，即流动总时间为25.00 s。1.2.1 两相传热与压降验证本节中建立了10管程蛇形管换热器的三维模型，管内壁光滑，网格为六面体结构化网格，边界层层数为8层，第一层网格高度为0.1 mm，从而使y+数保持在30300之间，三维模型与网格如图6所示，采用第一部分中相同的翅片与空气侧的对流换热系数hair,i，使用第三类传热边界条件，外界温度设为35，将不同质量速度的数值模拟结果与利用Coildesigner中换热器经验关联式计算出的结果进行对比验证，传热及压降关联式如表2，CFD模拟与经验关联式计算的结果对比如图7所示，分别从总热负荷、压降与相百分数进行比较。结果可见，随制冷剂质量流量增大，总热负荷与压降不断增大，气相与两相百分比增大，液相百分比降低。此外，关联式与CFD计算结果存在一定的偏差，但趋势相同，且当制冷剂质量流量为50 kg/h时，对比参数误差皆小于12.5%，因此在误差允许的范围图4 圆柱蜂窝微通道尺寸标注图表2 传热及压降关联式传热关联式压降关联式空气侧Chang等7Wang等10制冷剂液相Gnielinski等8Schlager等11制冷剂两相Dobson等9Friedel12制冷剂气相Gnielinski等8Schlager等11 1492023中国家电科技年会论文集内，以上述制冷剂质量流量开展进一步研究的结果具有说服力。1.2.2 仿真分析本节研究中结合了大量瞬态计算数据结果，完成流动过程渲染动画，通过数据图和云图对比研究了圆柱蜂窝微细通道长度对气液分离效果及两相流流型分布的影响。数值研究中的管翅式蛇形管换热器的仿真条件与实际工作相同，具体如下：由空调压缩机中排出的高温（75.00）高压的R32气体（入口压力3.00 MPa）进入冷凝器，管内冷凝液含量通过内螺纹铜管和铝箔波纹管肋片实现散热冷却，采用风冷式（风量2000 m3/h），使制冷剂在冷却凝结过程中，温度先降低至4748饱和温度，随后在冷凝过程中温度不变，R32制冷剂由气体转化为液体，最后当潜热不足以满足热负荷，即R32蒸汽全部转化为冷凝液后温度继续降低。在冷凝器内制冷剂发生两相传热传质的过程在传热学的理论上可以看成等温变化过程。数值模拟边界条件与1.1节中的边界条件一致，这里不再赘述，仅对结果进行对比分析。在研究蜂窝管微通道长度对分液效果的影响的过程中，保持分液器安装位置相同，所述圆柱蜂窝微通道安装的示意图如图1所示，其中上述的圆柱蜂窝微通道长度如图4的字母H所示，在本报告中，L为蜂窝微通道通孔的孔中心距（0.52 mm），D为蜂窝分液器的外径（5.60 mm），d为蜂窝微通道孔径（0.32 mm）。图8 蜂窝管微通道分液器特征截面气液两相分布（不含T型区域）图9 蜂窝管微通道分液器特征截面气液两相分布（含T型区域2 mm）随着时间步的推进，冷凝液会在压差、表面张力和重力的三重作用下逐渐充盈整个微孔分液器内。由此可实现“通液阻气”，将换热铜管内气液两相流分离的目标，进而减薄液膜厚度，提升换热器的综合换热性能。a)总热负荷对比；b)压降对比；c)相百分数关联式计算结果；d)相百分数CFD模拟结果图7 波纹翅片管蛇形管换热器结果对比图6 蛇形管换热器三维模型及网格细节150 2023中国家电科技年会论文集2 成果分析本节研究旨在评估分液冷凝优化前后管翅式L蛇形管换热器性能的变化。本节中共对比研究两台管翅式L型蛇形管换热器。数值模拟中采用对比的原型机（优化前）为1.2节中所建立的管翅式L型蛇形管换热器，测试工况和传热边界条件相同，采用常规冷凝方式。另一台管翅式L型蛇形管换热器中采用分液冷凝方式，分液器采用蜂窝管微通道分液器。在研究中采用以下方案对分液冷凝优化前后换热器性能参数展开评估。蜂窝管微通道分液器的规格如下：微通道孔截面形状为圆形，孔径为0.70 mm，微通道孔数为85个，蜂窝管整体外径为5.50 mm，圆形小孔均匀布置，T型连接区域高度为2.00 mm。首先对环境温度为29、35和45条件时，管翅式L型蛇形管换热器的管内换热系数进行数值计算和比较，如图10所示。从图中可以发现，当环境温度为45时的管内制冷剂换热系数数值最大，最大值达到了7159.65 W/(m2K)；相比较之下，环境温度为35时的管内制冷剂换热系数最大值为4209.09 W/(m2K)；环境温度为29时的管内制冷剂换热系数最大值为4050.67 W/(m2K)。分析其原因，可将管翅式L型蛇形管换热器的传热过程通过制冷剂、管壁和外界流体共同组成一个换热网络，当换热器相变温度（48）越接近环境温度时，换热器内外温差减小，热传导更加有效，中间传热热阻降低，因此热量可以更高效地从R32制冷剂传递到管壁，制冷剂作为传热介质会更快地在蛇形管换热器的管内发生相变，管内换热系数便会更高。图10 管翅式L蛇形管换热器在不同环境温度下的管内换热系数论文采用蜂窝状微通道分液优化可以减小0.63 kPa的压降，压力损失可以降低8.08%。这是由于当R32冷凝液在管内含量较多时，制冷剂液相的粘度大于气相，冷凝液的沿程阻力更高。虽然气液分离过程中，微通道分液器处会形成局部的压降损失，但是由于分液器本身尺寸相比于管翅式换热器很小且为多孔通道并联结构，造成的压降损失远不如其安装带来的增益。气液分离技术可以减小管翅式L蛇形管换热器中部分管道中的冷凝液含量，使液体形成较薄的液膜流动，有效减小了摩擦阻力和湍流耗散，使能量损失更小，压降更低，也可以减小泵功率的消耗。优化前的管翅式L型蛇形管换热器的总热负荷为3854.47 W；采用蜂窝管微通道分液器优化后的管翅式换热器总负荷为4094.06 W，对比优化前提升了6.22%，如图11所示。图11 气液分离优化前后管翅式换热器热负荷比较3 结论综上所述，在管翅式L型蛇形管换热器中，微通道分液器的应用可以优化换热器的传热效率，提升热负荷，降低压降。（1）采用蜂窝状微通道可以减小0.63 kPa的压降，压力损失降低8.08%。（2）蜂窝状微通道可以减薄液膜，实现“通液阻气，提高管内换热系数，提升换热器综合性能。（3）蜂窝状微通道可以提升换热量6.22%，具有非常大的节能潜力。分液冷凝优化后的换热器拥有更高的热能利用率和更好的能源效率。同时，未优化前的换热器易受到空气湿度和气温等外界环境因素的影响，优化后的分液冷凝换热器具有更好的环境适应性。研究结果具有重要的实用价值和推广意义。参考文献1 Li J,Hrnjak P.Separation in condensers as a way to improve efficiencyJ.International Journal of Refrigeration,2017,79:1-9.2 Li J,Hrnjak P.Improvement of condenser performance by phaseseparation confirmed experimentally and by modelingJ.International Journal of Refrigeration,2017,78:60-69.3 Yang B,Su W,Deng S,et al.State-of-art of branching Tjunction:experiments,modeling,developing prospects and applicationsJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2019,109:109895.4 虢国成,王满生.丝网气液分离器分离机理分析研究J.食品与机械,2010,26(04):98-101,108.1512023中国家电科技年会论文集5 彭晓峰,吴迪,张扬.高性能冷凝器技术原理与实践J.化工进展,2007(01):97-104.6 陈二雄,陈颖,陈雪清.分液冷凝器的管程理论设计及热力性能评价J.制冷学报,2013,33(06):19-25.7 Wang C C,Lee C J,Chang C 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