尚少文,榮來譽,朱 晨,錢 浩

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.成都基準方中建筑設計有限公司杭州分公司,浙江 杭州 310000)

制冷劑R22對環(huán)境的危害非常大,各國專家都試圖尋找可以用來替代R22的制冷劑。在歐美等國家,以R410A、R290等制冷劑為實驗對象,分析得出制冷劑R410A具有較好的傳熱性以及較小的壓力損失,制冷劑R290 具有良好的環(huán)境性能和熱物性[1-2]。此外,實驗對比水平螺紋管和水平強化漣漪管與光滑管的冷凝換熱特性和壓降情況[3-4]。梁賓等[5]從多個方面對制冷劑R410A、R290和R32進行實驗研究,其結(jié)果表明這些制冷劑適合做R22的替代制冷劑。肖航[6]實驗研究了R290、R1234ze和R22壓降和換熱性能,結(jié)果表明壓降及換熱性能均與質(zhì)量流率及干度成正比,與飽和溫度成反比。張會勇等[7]實驗研究制冷劑R410A和R22質(zhì)量流速和干度的影響,結(jié)果表明在較高干度和較高質(zhì)量流速時R22的壓降大于R410A。劉建等[8]以制冷劑R410A和R22為研究對象,對比實驗測試和仿真模擬,結(jié)果表明通過7.0 mm強化管R410A比通過9.52 mm強化管R22所提高的蒸發(fā)冷凝換熱量高。鄒思凱[9]實驗研究了制冷劑R290在水平管內(nèi)的不同影響因素下冷凝換熱特性,實驗表明制冷劑R290冷凝換熱系數(shù)會受到質(zhì)量流量、干度、熱流密度、管徑的影響。J.R.Thome等[10]通過對兩相流沸騰和冷凝的仿真模擬,得到了適用于環(huán)狀流的統(tǒng)一模型。B.C.Nguyen等[11]研究了R32、CO2和R290在微通道中的傳熱系數(shù),對比分析了傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量和熱流量的變化情況。此外,許多學者對其他制冷劑在各種換熱器中的冷凝換熱情況進行了大量的實驗研究[13-22]。制冷劑冷凝換熱的效果受很多種影響因素的影響,筆者分析了各影響因素對水平管內(nèi)的凝結(jié)換熱和壓降情況的影響。

1 建立模型

近壁區(qū)的流體流動情況和中心氣核部分的流動情況都對換熱效果有影響,所以筆者建立的湍流模型仿真模擬選用SSTk-ω模型,多相流模型選擇VOF模型,VOF模型已經(jīng)廣泛應用于兩相流流動過程的模擬,在該模型中計算單元中,各相的體積分數(shù)總和為1,即氣相和液相的體積分數(shù)總和為1。筆者針對水平圓管冷凝換熱中氣液界面的傳熱傳質(zhì)問題采用了Lee模型。Lee模型假設了氣液界面的溫度為飽和溫度,設置相變因子為1000,水平圓管冷凝換熱中氣液界面的傳熱傳質(zhì)表達式為

(1)

式中:Sm為質(zhì)量守恒方程中的相變質(zhì)量源項;r為相變因子;αl、αg分別是液相和氣相的體積分數(shù);T為氣、液相溫度,K;Tsat為飽和溫度,K;ρ1為液相密度,kg/m3;ρv為汽相密度,kg/m3。

2 結(jié)果分析

模擬采用AnsysWorkbench軟件,建立了長為1 m,內(nèi)徑為10 mm的水平圓管幾何模型,制冷劑工質(zhì)的物性由REFPROP軟件確定。數(shù)值仿真模擬采用的是Fluent軟件,經(jīng)過后期處理,運用Origin軟件繪制得到散點圖。

2.1 質(zhì)量流量影響

由于制冷劑質(zhì)量流量發(fā)生變化對水平圓管冷凝換熱中氣液界面的換熱和壓降有影響,所以對質(zhì)量流量進行研究。在其他條 件不變的情況下,在0.041 8 kg/s,0.084 kg/s,0.126 kg/s不同的質(zhì)量流量情況下進行數(shù)值模擬,得到3種制冷劑在不同質(zhì)量流量下的壓降和傳熱系數(shù)情況。圖1為3種制冷劑在不同質(zhì)量流量下壓降的變化情況。

圖1 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的壓降

在控制其他變量相同的條件下,當質(zhì)量流量增大時,制冷劑的管內(nèi)壓降會隨之增大,這是由于流體的流速隨著質(zhì)量流量的增大而增大。同時可以看出3種制冷劑隨著質(zhì)量流量增大,壓差也隨之增大,這是由于3種制冷劑的物性有所不同,R22、R410A和R290的氣相和液相密度有所差異,導致在相同質(zhì)量流量條件下流動速率有所不同,R290大約是R22的兩倍,而壓降受流動速率影響很大,所以在壓降方面R290要遠大于其他兩種制冷劑。

圖2為3種制冷劑在3種質(zhì)量流量下傳熱系數(shù)的變化情況。

圖2 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的傳熱系數(shù)

當其他變量相同時,傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增大而增大。這是由于當質(zhì)量流量增大時,積聚在水平圓管底部的液膜厚度變小,這就使傳熱過程的換熱熱阻減小從而導致傳熱系數(shù)的增大。同時也可以看出R290的換熱效果最好,R410A和R22的曲線較近說明在換熱效果方面差距比較小,并且R410A略好一些。

圖3為不同質(zhì)量流量的制冷劑R22在水平管中距離進口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。

圖3 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的氣液體積分布云圖

對比發(fā)現(xiàn)在控制其他變量相同的條件下,沿蒸汽在水平圓管內(nèi)的流動方向,高溫蒸汽不斷地與低溫管壁換熱進行熱量交換,被冷卻降溫,最終相變成液體。由連續(xù)性方程可知,高溫蒸汽的流速會不斷下降,同時由于冷凝的液體不斷增多,在重力的作用下會在水平圓管的底部沉積,液膜厚度增加。在其他條件不變時,隨制冷劑質(zhì)量流量的增大,水平圓管底部的液膜厚度由于剪切力的作用會不斷縮小,由液膜產(chǎn)生的熱阻會隨之減小,換熱效果提升。同時水平圓管內(nèi)的壓降會隨之增大,這是由于制冷劑質(zhì)量流量的增大會導致流速增大,壓降增大。

2.2 干度影響

筆者在干度為0.6和0.9的情況下進行了數(shù)值模擬并進行對比分析。圖4為3種制冷劑在不同干度下壓降的變化情況。

圖4 制冷劑在兩種干度下的壓降Fig.4 Effect of dryness on pressure drop

在控制其他變量相同的條件下,管內(nèi)壓降隨著干度的增大而增大,這是由于隨著工質(zhì)密度的減小,由流量連續(xù)性方程可知會導致工質(zhì)的流速變大,湍流作用也會變得更大,氣液之間的相互作用隨之增強,最終導致壓降增大。并且可以看出3種制冷劑的壓降由高到低為R29、R22、R410A。

圖5為3種制冷劑在2種干度下傳熱系數(shù)的變化情況。在控制其他變量相同的條件下,傳熱過程的傳熱系數(shù)隨干度的增大而增大,這是由于干度增大后,表面張力對工質(zhì)的作用增大,從而導致傳熱系數(shù)減小。同時可以看出R290的傳熱系數(shù)最大,R22在換熱方面與R410A比較相近,R22傳熱系數(shù)略低。

圖5 制冷劑在兩種干度下的傳熱系數(shù)Fig.5 Effect of dryness on heat transfer coefficient

圖6為不同干度的制冷劑R22在水平管中距離進口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。從圖中可以看出,干度為0.9時的液膜厚度要遠小于干度為0.6時的液膜厚度,原因是因為制冷劑表面張力會隨干度的增大而增強,表面張力越強液體的體積越小,液膜越薄,而換熱熱阻會隨之減小,換熱效果提升。同時管內(nèi)的壓降也會隨著干度的增加而增大,由于制冷劑的密度會隨干度的增加而減小,根據(jù)連續(xù)性方程可知,制冷劑的流速會隨密度的減小而增大,流速增大擾動能力增強,壓降增大。

圖6 制冷劑在兩種干度下的氣液體積分布云圖

2.3 管徑影響

對管徑的仿真模擬選擇了6 mm、8 mm和10 mm的管徑進行對比。圖7為3種制冷劑在不同管徑下壓降的變化情況。

圖7 制冷劑在3種管徑下的壓降

在控制其他變量相同的條件下,壓降隨管徑的增大而減小,這是由當管徑變大時,流體流速減小,重力的作用相對增強,表面張力和剪切力的作用相對減小,從而導致壓降的減小。同時可以看出制冷劑R290的壓降是最大的,制冷劑R410A與R22的在壓降方面相差較小,R410A壓降稍低。

圖8為3種制冷劑在3種管徑下傳熱系數(shù)的變化情況。在控制其他變量相同的條件下,傳熱系數(shù)隨管徑的減小而增大,這是由于在相同的質(zhì)量流量條件下,隨著管徑的不斷縮小,水平圓管內(nèi)的制冷劑流速會不斷增大,增大的流速會增強剪切力、表面張力和擾動能力的作用,圓管底部的液膜厚度會隨之減小,由其產(chǎn)生的熱阻會減小,換熱效果提升。

圖8 制冷劑在3種管徑下的傳熱系數(shù)

圖9為制冷劑R22在不同管徑的水平管中距離進口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。制冷劑氣液界面處的剪切力、表面張力、重力等作用力會隨水平圓管管徑的變化而改變,從而影響換熱效果和壓降大小。水平圓管內(nèi)壓降在管徑為6 mm最大,其次為8 mm,最小為10 mm,這是由于在相同的質(zhì)量流量條件下,制冷劑的流速會隨水平圓管管徑的減小而增大,增大的流速會增強剪切力、表面張力和擾動能力的作用,剪切力、表面張力作用增大會使環(huán)狀流狀態(tài)的區(qū)域增加,從而水平圓管底部的液膜厚度消減,熱阻減小,同時擾動能了會增強換熱,最終增強了換熱效果。

圖9 制冷劑在3種管徑下的氣液體積分布云圖

3 結(jié) 論

(1)在控制其他變量相同的條件下,質(zhì)量流量的增大會導致水平圓管內(nèi)制冷劑流速增大、液膜變薄,換熱效果增強,但壓降會隨之增大。

(2)在控制其他變量相同的條件下,隨著干度的增大,水平圓管內(nèi)的壓降和換熱過程的換熱系數(shù)也會增大,但管內(nèi)的壓降和換熱效果隨干度變化相對較小。

(3)在控制其他變量相同的條件下,水平圓管管徑的減小會增強制冷劑汽液界面剪切力、表面張力和擾動能力的作用,從而提升換熱效果,但管內(nèi)壓降會隨之增大。

(4)3種制冷劑中R290的換熱效果最好,同時壓降也最大,R22與R410A的換熱效果和壓降的差距較小,其中R22的傳熱系數(shù)和壓降都比R410A要稍小一些。