太阳能板式换热器的脉动流相变传热特性.pdf

近年来,聚光型太阳能光热发电技术发展非常迅速,而太阳能热泵系统因其特有的经济环保优点被广泛应用1。太阳能热泵系统的蒸发器和冷凝器都 可 以 用 板 式 换 热 器(phase heat exchanger,PHE),作为一种高效换热器,板式换热器通常由一系列波纹形状的金属片叠装而成。卢晨等2构建一种槽式太阳能集热器、氨吸收式热泵和板式换热器联合供暖系统,建立数学模型经过综合分析最终确定出当太阳能保证率在 45%、板式换热器设计负荷占建筑负荷的 30%时,系统达到最佳配比关系。PHE 交叉波纹通道中沸腾相变的复杂传热过程仍不完全清楚,目前研究工作中确定的 PHE 中流动沸腾主要传热机制可分为对流沸腾、核沸腾、对流和核沸腾的共存三类,其中传热机制随工作条件而变化3-5。Zhang 等6通过实验对板式换热器的流动沸腾传热和压降进行分析,测试了 7 种不同工质在 0.45、0.55 和 0.65 减压条件下的对应饱和温度及各种质量流量,发现了核沸腾和薄膜蒸发两种传热机制,并发现所有流体的摩擦压降随质量流量、蒸汽质量的增加和饱和温度的降低而增加。Richadrson7通过实验发现圆管内脉动流下的速度投稿网址:分布存在“速度环效应”,由此人们发现脉动流动是强化传热一种有效手段。目前,通过实验和数值模拟手段对单相层流脉动流的研究比较普遍,但有关脉动流对相变传热影响的研究鲜见报道8-10。刘欣等11通过实验分析了竖直圆管不同工况下入口过冷度的换热特性,结果表明,过冷沸腾初期,换热效果与脉动振幅和脉动周期成正比,后期换热效果只受振幅影响,振幅越大,换热效果越差。Yuan 等12研究了非反转脉动流和高频往复流对芯片过冷沸腾传热的影响,非反转脉动流实验中通过控制脉动周期和振幅,发现随着脉动幅度的增加或脉动周期的减少,临界热流随之降低,高频往复流实验的结果表明往复流动对低、高热流区域的传热性能有明显改善,但对中热流区域影响有限。脉动流沸腾相变是一种增强传热、传质的主要方法,近年来,许多学者围绕进一步提高相变传热性能,利用实验研究脉动流相变的传热传质效果,但关于脉动流传热的数值研究较少13。鉴于此,对波纹换热器流道进行数值模拟,通过用户自定义函数(user-defined function,UDF)输入冷流体脉动流速,对 PHE 波纹流道内流体的流动与换热特性进行研究,揭示脉动流对波纹流道内沸腾相变传热的影响。研究结果对太阳能板式换热器优化和应用具有一定的指导意义。1 数值模型及边界条件1.1 物理模型构建脉动流体在波纹通道内的流动特性复杂,为反映内部相变传热状态,针对三维流道剖面建立仿真模型,波纹通道模型如图 1 所示。板式换热器板片主要几何结构参数为波纹倾角、波纹间距 和波纹高度 H。采用 ICEM 软件对几何模型进行结构化网格划分,近壁面处通过网格加密划分了边界层网格,以便保证数值模拟计算精度,计算网格模型如图 2所示。为流道间距图 1 几何模型Fig.1 Geometric Model图 2 计算网格模型Fig.2 Computational grid model网格无关性验证分别采用网格数量为 Mesh1(88 200),Mesh2(110 400),Mesh3(140 400)三套网格进行计算,计算局部 Nu 数来比较差异,结果显示前两套的网格局部 Nu 数最大偏差为 1.77%,后两套网格的局部 Nu 数最大偏差为 0.60%。因此Mesh2 满足计算精度,网格无关性得以验证,选用其进行计算。1.2 数学模型及边界条件1.2.1 控制方程采用 Schepper 等14提出的传热传质模型对板式换热器流道间的相变传热过程建立数学模型。设定:流体为不可压缩牛顿流体;忽略重力和浮力;忽略流体流动时的黏性耗散热效应。定义气相和液相的体积 v和 l,满足:v+l=1(1)则数学模型方程如下。(1)连续性方程。lt+(ul)=-Sm,vll(2)vt+(uv)=-Sm,lvv(3)式中:u 为速度;v、l分别为气相密度、液相密度;为矢量梯度;t 为时间;Sm,vl、Sm,lv分别为液相质量源项、气相质量源项。(2)动量守恒方程。(u)t+(uu)=-p+(u+uT)+F(4)式(4)中:为动力黏度;F 为表面张力;p 为压强。(3)能量守恒方程。(E)t+u(E+p)=(kT)+Q(5)E=llEl+vvEvll+vv(6)式中:为内能;Q 为相变引起的能量源项;T 为温度;k 为导热系数;Ev、El分别为某一温度下的气相933012023,23(24)苏华山,等:太阳能板式换热器的脉动流相变传热特性投稿网址:能、某一温度下的液相能。(4)质量传递方程。液相向气相可表示为Sm,lv=rlvll(Tl-Tsat)Tsat(7)气相向液相可表示为Sm,vl=rvlvv(Tsat-Tl)Tsat(8)式中:rlv和 rvl为相变速率;Tl、Tv和 Tsat分别为液相温度、气相温度和饱和温度。(5)能量传递方程。Q=-hLHSm,lv=hLHSm,vl(9)式(9)中:hLH为焓。1.2.2 边界条件边界条件设置如下:所有流道采用速度入口,压力出口。上下流道介质为高温流体,初始温度为650 K,无相变,inlet1 和 inlet3 入口速度为匀速。中间流道介质为水,初始温度 350 K,inlet2 入口相为液相,当温度为 373.15 K 时发生相变,inlet2 入口速度通过自定义程序 UDF 输入,表达式为v=v0+Asint(10)式(10)中:v为 inlet2 的入口瞬时速度;v0为稳态速度;A 为脉动流的振幅;为简谐振动的角频率。波纹冷热流道壁面为换热面,其余为绝热,采用 VOF(volume of fluid)多相流和 Realizeable-(为紊流脉动动能;为紊流脉动动能的耗散率)湍流模型,压力耦合求解采用 couple 算法。1.3 模型验证文献15 给出了努塞特数(Nu)和摩擦系数(f)随雷诺数(Re)变化的实验数据,通过对模型进行数值模拟计算,将得到的模拟结果与文献15的实验数据对比,结果如图 3 和图 4 所示。对比模拟图 3 Nu 的模拟结果与实验数据对比Fig.3 Comparison between the simulation results ofNu and the experimental data图 4 摩擦系数 f 的模拟结果与实验数据对比Fig.4 Comparison between the simulation results offriction coefficient f and the experimental data结果与文献15实验数据结果可知:模拟结果与实验数据存在一定误差,产生误差的原因主要是数值模拟计算采用二维计算,并且壁面设置为理想条件。但整体相对误差较小,均小于 12%,从而模型得以验证。2 计算和结果分析2.1 速度分布分析图 5 给出了施特鲁哈尔数 St=0.2,A=0.04,Re=650 时脉动流场和相应稳态流场分布。可以看出,不同时刻波纹凹角内的漩涡情况与稳态流场有明显差异,波纹凹角和背流面处于低流速区域,波纹凸角和迎流面处于高流速区域。通过脉动流场分布图直观观察到波纹凹角处漩涡的产生、发展和消失过程。随着流速增大,波纹凹角处涡流逐渐增大,并向背流面延伸,同时出口背流面也有漩涡产生,=/2 时涡流几乎占据整个背流面,之后逐渐缩小,=3/2 时转化为层流。2.2 流体换热特性变化规律分析图 6 为稳态和脉动流场周期内的脉动流场下温度分布云图,可以看出,从入口到出口,冷流道流体温度由低到高,热流道流体温度由高到低,呈阶梯分布,冷流道波纹凹角处较波纹凸角处温度高。图 7 为最后一个脉动周期内不同振幅冷流道出口平均温度随时间的变化曲线。如图 7 所示,随着脉动振幅的增大,冷流道出口平均温度波动程度加剧。与稳态时相比,脉动流动造成温度跟流速成反比,即流速高时冷流道出口平均温度降低,流速低时冷流道出口平均温度升高。同时可以发现脉动流动冷流道出口平均温度在一个周期内的均值随振幅增大而增大,且高于稳态值。如图 8 所示,与稳态比,脉动流动冷流道流体出04301科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:图 5 稳态和脉动流动时流场分布Fig.5 Flow field distribution in steady state and pulsating flow图 6 稳态与脉动流场周期内流场下的温度分布Fig.6 Temperature distribution under the flow field in the steady and pulsating flow field cycle143012023,23(24)苏华山,等:太阳能板式换热器的脉动流相变传热特性投稿网址:图 7 不同振幅入口流速 v 条件下冷流道出口平均温度周期内的变化Fig.7 The change of the average temperature of theoutlet of the cold runner in the cycle under the condition ofdifferent amplitude inlet velocity v图 8 不同频率入口流速 v 条件下冷流道出口平均温度周期内变化Fig.8 Periodic variation of the average temperature at theoutlet of the cold runner under the condition of differentfrequency inlet velocity v口平均温度均值要更高,随时间增大呈正弦周期性变化。冷流道出口平均温度变化幅值随频率增大呈现先增大后减小的特征,但其周期内均值随频率增大而增大。为了对比脉动流动和稳态流动的换热特性,引进无量纲系数 Eh,计算公式为Eh=NumNus(11)式(11)中:Num为一个脉动周期的平均 Nu 数;Nus为相应稳态流时的 Nu 数。图 9 给出了不同脉动振幅 A 下斯德鲁哈尔数St 对 Eh的影响,可以清楚发现,脉动流动对波纹流道有明显传热强化效果。发现 Eh与 St呈正相关,且随着脉动振幅 A 增大,传热强化系数 Eh增大。图 9 不同脉动振幅 A 下 St 对 Eh的影响Fig.9 Effect of St on Ehat different pulsation amplitudes A这表明增大脉动频率和脉动振幅使得冷流体流速紊乱度增加,管内流体会出现反向流和振荡流,二者使得强化传热效果明显增强。2.3 流体气相体积分布规律分析图 10 为稳态与不同振幅脉动周期内流场下的气相体积分布云图。其中图 10(a)为稳态气相体积分布云图,可以发现此时流道内气相在凹角和换热壁面上堆积,凹角处已经形成明显的气膜。脉动流场下的气相体积分布云图显示,流体内产生的气相随流体流速增大迅速脱落,不会在凹角处堆积,也不会扩散到流体主流区域,当流速逐渐下降,流道内气象体积分布开始增大。可以看出,相较于稳态流场,此时凹角处仍然没有大量气相堆积。振幅越大,气相体积分数波动变化越大,波纹流道凹角处的气相堆积越小,可知这与流体的流速密切相关。当脉动流速低于稳态流速的周期区间内,可以看到随着振幅的增大,气相开始向流道主流区分布,这主要是由于振幅增大,流体主流流速会进一步降低,气相会向其扩散,且近壁面流体会将更高温度传递给主流区流体,使主流区流体发生相变。图 11 和图 12 分别为不同振幅和不同频率条件下冷流道流体随时间的变化。可以看出,稳态流场的气相体积分数要高于脉动流场,气相体积分布在约 60 s 达到稳定值,而后脉动流场的气相体积围绕着各自的均值上下脉动。图 11 中可以看出,随着脉动振幅的增大,脉动流场的气相体积先减小后增大,脉动振幅 A=0.02 时,气相体积为最小值,后随着振幅增大而增大。这是因为脉动振幅较小时,流体流速变化小,结合图 9 可知,相变主要发生在换热壁面周围,主流区未发生相变,所以在 A=0.02 之前,随着脉动振幅增大,流体流速变化增大,换热壁面的气相更容易脱落,被输送出去,造成气相体积随脉动振幅增大而减小。在 A=0.02 后,流体流速24301科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:图 10 稳态与不同振幅脉动周期流场下的气相体积分布Fig.10 Volume distribution of gas phase under flow field in steady state and different amplitude pulsation periods图 11 不同振幅下入口流速 v 条件下冷流道气相体积随时间的变化Fig.11 The change of the gas phase volume of thecold runner with time under the condition of inlet flowv at different amplitudes图 12 不同频率入口流速 v 条件下冷流道气相体积随时间的变化Fig.12 The change of the gas phase volume of thecold runner with time under the condition of differentfrequency inlet velocity v343012023,23(24)苏华山,等:太阳能板式换热器的脉动流相变传热特性投稿网址:周期变化非常大,=3/2 2 低速区间内流速非常低,近壁面流体开始将更高温度传递给主流区流体,主流区流体温度达到相变温度,有更多气相产生,造成气相体积随脉动振幅增大而增大的现象。由图 12 可知,随着脉动频率的增加,气相体积的变化幅值开始减小,气相体积均值增大。原因是频率增加导致流体流速变化剧烈,增加了传热强化效果。3 结论对板式换热器波纹流道内的脉动流相变传热特性进行数值模拟,得出如下主要结论。(1)脉动流动下,波纹流道内流场与稳态有很大不同,由于脉动流体流速的周期性变化,波纹流道内漩涡周期性形成和脱落,增强了波纹凹角处流体与主流区流体的掺混,使得流道内流体的紊乱度很高,改善了换热壁面的传热环境。(2)冷热流体流道温度分布为中间疏两端密,热量由高温流体传递给低温流体,与稳态相比,脉动对流体传热有明显强化作用,传热效果的强化程度振幅和频率的增大而增大。(3)冷流体的凹角处更易形成汽化核心,稳态流动气相在凹角和换热壁面上堆积,气相体积分数要高于脉动流场,气相体积分布在约 60 s 达到稳定值,形成明显的气膜。脉动流动下,波纹冷流体流道内气相体积随脉动流体流速呈相反的周期性变化。随着脉动振幅的增大,脉动流场的气相体积先减小后增大,A=0.02 时到达最小值。随着脉动频率的增加,气相体积的变化幅值开始减小,气相体积均值增大,而其气相体积均值在逐渐增大。参考文献1 胡叶广,张成,周超英,等.太阳能光热发电的集热技术现状及前景分析J.科学技术与工程,2021,21(9):3421-3427.Hu Yeguang,Zhang Cheng,Zhou Chaoying,et al.Current statusand prospect analysis of heat collection technology for solar thermalpower generationJ.Science Technology and Engineering,2021,21(9):3421-3427.2 卢晨,杨洪兴,吕建,等.氨吸收式太阳能热泵-板式换热器联合供暖系统的理论与试验研究J.流体机械,2018,46(2):60-67.Lu Chen,Yang Hongxing,L Jian,et al.Theoretical and experi-mental research on ammonia absorption solar heat pump-plate heatexchanger combined heating systemJ.Fluid 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