壳管式换热器分配器内两相流动分配特性分析.pdf

doi:10.3969/j.issn.2095-4468.2023.03.104 壳管式换热器分配器内两相流动分配特性分析壳管式换热器分配器内两相流动分配特性分析 刘斌1，傅羽欣2，黄天骢2，胡海涛2（1-浙江英特科技股份有限公司，浙江安吉 313300；2-上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240）摘摘 要要 本文建立了纯逆流干式壳管蒸发器分配器两相流分配模型，分析了分配器结构和节流孔径对分流均匀性的影响，并对分配器进行了结构优化设计。实验验证表明，模型能够准确预测分流器的性能。前端不开孔的分配器分配特性较好；缩小节流孔有助于两相制冷剂的均匀分配，对于前端不开孔的分配器，节流孔缩小使得换热量最大可提高 39.6%；对于前端开孔的分配器，节流孔缩小使得换热量最大可提高 36.5%。关键词关键词 管分配器；壳管蒸发器；结构优化；分配性能 中图分类号：中图分类号：TB61+1;TQ051.5 文献标识码：文献标识码：A Analysis of Two-phase Flow Distribution Performance of Distributor in Shell-tube Heat Exchanger LIU Bin1,FU Yuxin2,HUANG Tiancong2,HU Haitao*2(1-Zhejiang Extek Technology Co.,Ltd.,Anji 313300,Zhejiang,China;2-Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract In this paper,the model of the distribution performance of the distributor in counter flow dry-expansion shell-tube evaporator is developed,and the influence of the structure and throttle hole diameter of the distributor on the two-phase flow distribution performance is analysed,and the structure of the distributor is optimized.The experimental results show that the model can accurately predict the performance of the distribution.The distribution characteristic of the distributor without opening hole at the front is better than that of distributor with opening hole.The decrement of the throttle hole diameter is conducive to the uniform distribution of the two-phase refrigerant.For the distributor without opening hole at the front,the decrement of the throttle hole diameter makes the heat transfer increase by 39.6%;for the distributor with the front opening hole,the decrement of the throttle hole diameter makes the heat transfer increase by 36.5%.Keywords Distributor;Shell-tube evaporator;Structure optimization;Distribution performance 0 引言引言 纯逆流干式管壳蒸发器，是一种大型直管式蒸发器，常见的应用场景有大型空调的冷水机组及风冷热泵机组。由于换热管数量与体型庞大，综合考虑制造成本与安装空间等影响，采用管板式分配器进行气液相的分配，以实现向换热管束均匀、等量的供液1。然而现有的分配器安装方式为水平安装，在重力的影响下，更多液相的制冷剂会流入底部的 胡海涛（1978），男，副教授，博士。研究方向：换热器优化设计。联系地址：上海市闵行区东川路 800 号，邮编 200240。联系电话：[phone]，E-mail:。基金项目：国家自然科学基金（No.51976115）。换热管道，导致管道内液相体积分数过大而液体无法充分蒸发，过热度无法满足要求，此时再增加制冷剂流量会降低系统热力学完善度2，而蒸发器的额定换热量与流量成正比3。因此，分流性能良好的分配器，可以提高蒸发器的换热性能，从而提高空调系统的整体性能。干式管壳蒸发器通常被分为 U 形管式和直管式两类，目前对干式管壳蒸发器分配器的研究主要集第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202326中于 U 形管式蒸发器，研究方向主要分为两类：一类是对传统的管板式分配器的结构优化，另一类是对干式管壳蒸发器的新型分配器的开发。对于传统的管板式分配器的结构优化研究，LUO 等4提出分析控制区域的分配器孔挡板结构优化方法，并且通过 2D 和 3D 算例验证其合理性。钟衡5针对管板式分配器进行了纯液相和两相的 CFD 模拟研究，并通过调整孔径得出最佳方案。王珂等6对 10 孔管板式分配器进行了纯液相 CFD 模拟研究，分析了三种结构下管程单相制冷剂流量分配均匀性的影响因素。对于干式管壳蒸发器的新型分配器的开发，LIANG 等7-8研究在不同流型下，多分路叶轮式分配器和旋流叶片式分配器的分配性能。王亚男9通过 CFD 模拟的方法提出新型锥形分液器的优化方法，对新型锥形分液器进行进一步优化。SUN 等10提出了一种新型整流喷嘴式临界分流器，并通过测试证明其性能的优秀。孙文卿等11通过两相 CFD 数值模拟研究以及可视化实验相结合的研究，提出了一种新型分液器，并通过实验证明比采用原蒸发器的机组提高了 5%。王芳芳12对入口结构进行了优化设计，提出三种新型入口结构，并对这三种新型分布入口结构进行两相 CFD 数值模拟，研究了随流量变化对分配性能的影响。目前对安装在直管式干式壳管蒸发器的分配器的研究较少，有待于进一步研究和优化设计。本文对安装在干式壳管蒸发器的分配器进行研究，分析不同结构参数对分配性能的影响规律，并优化分配器结构。1 分配器流量分配模型 分配器流量分配模型 1.1 研究对象 研究对象 纯逆流干式管壳蒸发器管板式分配器的三维结构模型如图1和图2所示。节流孔半径为7.14 mm、10 mm 以及不采用节流孔方案，分析结构参数对分配性能的影响。图图 1 纯逆流干式管壳蒸发器分配器三维结构模型纯逆流干式管壳蒸发器分配器三维结构模型 (a)A 型分配器型分配器 (b)B 型分配器型分配器 图图 2 两种分配器的结构模型两种分配器的结构模型 1.2 数值模型数值模型 流体控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程13；分配器分配过程中与外界换热量可被忽略，因此只需要遵循连续性方程和动量方程14：0uvwtxyz (1)222222()xuuupuuuuvwFxyzxxyz(2)222222()yvvvpvvvuvwFxyzyxyz(3)222222()zwwwpwwwuvwFxyzzxyz(4)式中，为流体密度，kg/m3；t 为时间，s；u、v、w 分别为在、三个方向上的速度分量，m/s；p 为压力，Pa；F 为流体单位质量的力，N；为分子动力黏度，Pa/s。可实现-模型15计算精度较高，本文使用该湍流方程进行计算。水平管内流型有气泡流、弹状流、层状流、塞状流、环状流和波状流16。根据Weisman 流型图17，分配器中制冷剂两相流实际为波状流，气相在液相上方流动，且有明显的分界面，选用流体体积函数模型。空泡系数 公式18为：1(1)nnhxhx (5)0.2186g2.212 93.129lh (6)0.5150g3.348 70.651 3ln (7)式中，x 为干度；h 和 n 代表两种与气液相密度有关的无量纲常数。根据工质总质量流量和空泡系数，计算出气相和液相的折算速度：g2g4mxvD (8)第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.20232724(1)llmxvD (9)式中，vg和 vl分别为气相折算速度和液相折算速度，m/s，m 代表工质的总质量流量，kg/s，D 为分配器入口直径，m。1.3 评价指标 评价指标 分配性能的评价指标，采用通道分配偏差系数和整体分配不均匀度。数值越小表明流量分配均匀性越好19。两者的详细计算见式(10)和式(11)：iimmm (10)211niin (11)式中，im 为第 i 个出口通道的质量流量，kg/s；m为出口通道的平均质量流量，kg/s。通过分配孔出口干度和气压，计算得出每根换热管内制冷剂的焓，并通过以下公式计算换热量：outi1()niiQm hh (12)式中，n 为分配孔的数量；hout为蒸发器出口处的焓，kJ/kg；hi为分配孔出口处的焓，kJ/kg；i 为每根分配孔的编号。2 模型设置与验证模型设置与验证 2.1网格划分 网格划分 本文采用的网格划分软件为 ICEM，网格类型采用四面体非结构化网格，并在入口、节流孔板、分配器以及分液板做局部加密处理20，图 3 所示为网格划分。(a)分配器面网格分配器面网格 (b)入口面网格入口面网格 图图 3 分配器计算域网格划分分配器计算域网格划分 2.2 边界条件边界条件 将模型进口设置为速度进口边界，出口设置为压力出口边界，其余边界均设置为壁面边界。进口干度为 0.2，管板式分配器进口质量流量为 3.4 kg/s；分配器出口为压力出口；分配器壁面为绝热边界。2.3 模型求解与验证模型求解与验证 动量和动能方程均采用一阶迎风格式，压力相采用 PRESCO!格式离散21，而速度和压力离散算法采用 SIMPLE 算法。为了保证计算精度，设置残差收敛最大值，连续性方程残差最大值为 10-5，三个方向速度的残差最大值为 10-6。本文通过实验数据对 CFD 模型预测精度进行验证，模型与实验数据的误差在 10%以内，能够准确预测分配器内两相分配的均匀程度。3 分配器分配特性及结构优化分配器分配特性及结构优化 3.1 分配器结构的影响 分配器结构的影响 图 4 所示为分配器不同分配器分配不均匀度和换热性能对比。(a)不均匀度不均匀度 (b)换热量换热量 图图 4 分配器的影响分配器的影响 由图 4 可知，分别对比 A、B 两种分配器无节流孔、开 10 mm 直径节流孔与开 7.14 mm 直径节流孔三种情况的分配不均匀度和换热性能，A 型分配器的不均匀度分别比 B 型分配器低 22%、35%、19%，A 型分配器的换热量分别比 B 型分配器高 35%、27%、33%，由此得出结论：使用 A 型分配器的分配性能和换热量都比使用 B 型分配器更佳。影响两个分配器的分配性能的主要因素是 A 型分配器前方没有开孔，液相制冷剂在分配器前方发生碰撞，有利于两相制冷剂混合；而 B 型分配器前方则存在00.51无节流孔节流孔无节流孔节流孔10mm节流孔节流孔7.14mm不均匀度不均匀度A型分配器型分配器B型分配器型分配器05001000无节流孔节流孔无节流孔节流孔10mm 节流孔节流孔7.14mm预测换热量预测换热量/kWA型分配器型分配器B型分配器型分配器1 000 第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202328开孔，底部的液相制冷剂直接通过前方的开孔进入混合腔，并受重力影响流入底部的换热管，且分配器前方的碰撞空间小，制冷剂碰撞混合不充分。3.2节流孔半径的影响节流孔半径的影响 图 5 所示为不同节流孔径整体分配不均匀度和换热预测比较。缩小节流孔半径，可以减小分配不均匀性，从而提高换热量。对于 A 型分配器方案，换热量最多可提高 39.6%；对于 B 型分配器方案，换热量最多提高 36.5%。缩小节流孔提高换热性能的原因在于，节流孔减小提高制冷剂的流速，从而减小重力对分配性能的影响，傅汝德数 Fr 上升，改变流型类似于环状流22。图图 5 节流孔半径的影响节流孔半径的影响3.3 不同换热管的换热量分析不同换热管的换热量分析 图 6 所示为 A 型无节流孔和 B 型 10 mm 节流孔换热器的单根换热管的换热量对比。与 A 型无节流孔换热器相比，B 型 10 mm 节流孔换热器的下部液态制冷剂减少、上部液体增加，使得不均匀度的降低；但是，某个分配孔内部制冷剂的流量和液相体积分数远超出了其他分配孔，直接限制了蒸发器制冷剂流量，使其总流量和总换热量均小于 A 型无节流孔换热器。图图 6 单根换热管的换热量对比分析单根换热管的换热量对比分析 单根换热管最大流量和最大液相体积分数，直接确定了蒸发器内部制冷剂的总流量；在最大流量相同的基础上，分配器的整体不均匀度小的方案蒸发器换热性能更佳。4 结论 结论 本文针对管板式分配器的结构，研究了不同分配器结构、不同节流孔半径对分配性能的影响，得出如下结论：1）分配器前端不开孔的 A 型分配器的分配特性较好；分配器前端开孔的 B 型分配器，由于碰撞空间过小，导致分配性能不佳；2）缩小节流孔有助于两相制冷剂的均匀分配，对于前端不开孔的 A 型分配器，换热量最大可提高39.6%；对于前端开孔的 B 型分配器，换热量最大可提高 36.5%。参考文献：参考文献：1 YOU Y H,WU Z D,LIU H Y,et al.A flexible hybrid CFD model for refrigerant mal-distribution among minichannels in parallel flow condensersJ.International Journal of Refrigeration,2018,91:80-88.2 杨露露,徐洪波,张慧慧,等.制冷剂充注量对微型制冷系统性能影响的实验研究J.制冷技术,2020,40(6):12-16.3 宋吉,吴国明,丁国良.基于新能效等级标准的房间空调器的换热器设计J.制冷技术,2020,40(3):43-47.4 LUO L,WEI M,FAN Y,et al.Heuristic shape optimization of baffled fluid distributor for uniform flow distribution J.Chemical Engineering Science,2015,123:542-556.5 钟衡.干式蒸发器制冷剂分配性能改进研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.6 王珂,廖家干,王永庆,等.蒸发器入口结构流量分配特性及优化研究J.流体机械,2020,48(11):62-66,88.7 LIANG F C,WANG D,CHEN J,et al.Gas-liquid two-phase flow equal distribution using a wheel distributorJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2014,55:181-186.8 LIANG F C,CHEN J,WANG J L,et al.Gasliquid two-phase flow equal division using a swirling flow distributorJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2014,59:43-50.9 王亚男.管壳式蒸发器内制冷剂的均分特性研究D.南京:南京师范大学,2015.（下转第 57 页）0200400600800无节流孔节流孔无节流孔节流孔10mm 节流孔节流孔7.14mm换热量换热量/kWA型分配器型分配器B型分配器型分配器01234560100200300400预测换热量预测换热量/kW分配孔编号分配孔编号A型无节流孔型无节流孔B型型10mm节流孔节流孔第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202329荷特性研究J.制冷技术,2022,42(1):65-70.4 吕鸿斌,刘启媛,施骏业,等.基于自定义场函数的乘员舱热舒适性仿真研究J.制冷技术,2021,41(1):70-75.5 FANGER P O.Thermal comfortM.New York:McGraw-Hill,1972.6 STOLWIJK J A J.Temperature regulation in man:a theoretical studyJ.Pflugers Arch,1966,291(2):129-162.7 STOLWIJK J A J.A mathematical model of physiological temperature regulation in manR.NASA,1971.8 TANABE S,ZHANG H,ARENS E A,et al.Evaluating thermal environments by using a thermal manikin with controlled skin surface temperatureJ.ASHRAE Transactions,1994,100(1):39-48.9 HUIZENGA C,ZHANG H,ARENS E.A model of human physiology and comfort for assessing complex thermal environmentsJ.Building and Environment,2001,36(6):691-699.10 DUSAN F,LOMAS K J,MARTIN S.A computer model of human thermoregulation for a wide range of environmental conditions:the passive systemJ.Journal of Applied Physiology,1999,87(5):1957-1972.11 KINGMA B.Human thermoregulation:a synergy between physiology and mathematical modellingD.Walled City:University of Santo Tomas,2014.12 SALLOUM M,GHADDAR N,GHALI K.A new transient bioheat model of the human body and its integration to clothing modelJ.International Journal of Thermal Sciences,2007,46(4):371-384.13 周鑫.基于中国人热特性的多节点热舒适模型D.上海:上海交通大学,2015.14 唐敏.基于不同对流换热环境的多节点人体热反应模型D.长沙:湖南大学,2019.15 STOLWIJK J,HARDY J D.Partitional calorimetric studies of responses of man to thermal transientsJ.Journal of Applied Physiology,1966,21(3):967-977.16 SCHOLKMANN F,FISCHER J B,FRISK L K,et al.Influence of study design on effects of mask wearing on fMRI BOLD contrast and systemic physiology:a comment on Law et al.(2021)J.NeuroImage,2021,244:118549.17 DOHERTY C J,MANN L M,ANGUS S A,et al.Impact of wearing a surgical and cloth mask during cycle exerciseJ.Applied Physiology Nutrition and Metabolism,2021(7):113-118.18 FU G G.A transient,three-dimensional mathematical thermal model for the clothed humanD.Kansas:Kansas State University,1995.19 TANABE S,KOBAYASHI K,NAKANO J,et al.Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation(65MN)and radiation models and computational fluid dynamics(CFD)J.Energy and Buildings,2002,34(6):637-46.20 ZHANG H,HUIZENGA C,ARENS E,et al.Thermal sensation and comfort in transient non-uniform thermal environments J.European Journal of Applied Physiology,2004,92(6):728-33.21 李龙飞.真丝口罩防护性及舒适性研究D.杭州:浙江理工大学,2021.22 石鹏程.基于人体热生理变化下的住宅沐浴间环境控制策略研究D.南京:东南大学,2020.（上接第 29页）10 SUN Z L,WANG Q F,LIANG Y C,et al.Experimental study on improving the performance of dry evaporator with rectifying nozzle type critical distributorJ.International Journal of Refrigeration,2020,111:39-52.11 孙文卿,屈静,鹿世化.干式壳管式蒸发器内新型分液器的数值模拟J.制冷学报,2017,38(3):56-62.12 王芳芳.干式管壳式蒸发器制冷剂分配结构优化与性能研究D.郑州:郑州大学,2018.13 吴静玮,张弛,胡鸣鹤,等.晃荡工况下板翅式换热器封头内两相流分配模拟J.制冷技术,2020,40(5):16-21,28.14 魏文建,常守金,丁二刚,等.不同结构风冷换热器风侧特性对比分析J.制冷技术,2020,40(5):53-57.15 SHIH T H,LIOU W W,SHABBIR A,et al.A New k-eddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows-model development and validationJ.Computers Fluids,1995,24(3):227-238.16 劳力云,郑之初,吴应湘,等.关于气液两相流流型及其判别的若干问题J.力学进展,2002(2):235-249.17 WEISMAN J,KANG S Y.Flow pattern transitions in vertical and upwardly inclined linesJ.Pergamon,1981,7(3):271-291.18 CIONCOLINI A,THOME J R.Void fraction prediction in annular two-phase flowJ.International Journal of Multiphase Flow,2012,43:72-84.19 董续君,黄辉,张桃,等.空调器中制冷剂分流器及其组件的性能研究C/第三届制冷空调新技术研讨会论文集.北京:中国制冷学会,2005.20 张如许,魏文建,胡海涛,等.单相流体在点波板式换热器内流动与换热的数值模拟J.制冷技术,2014,34(5):6-12.21 张弛,胡海涛,魏文建,等.制冷剂在近三角形微通道内流动沸腾特性的模拟分析J.制冷技术,2020,40(3):18-23.22 LI G,FRANKEL S,BRAUN J E,et al.Application of CFD models to two-phase flow in refrigerant distributorsJ.HVAC and R Research,2005,11(1):45-62.第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202357