（动力工程及工程热物理专业论文）平行流换热器内气液两相流动特性和结霜过程研究.pdf

中文摘要 摘要 平行流换热器空气侧采用换热性能较高的百叶窗翅片，制冷剂侧采用小水力 直径的多通道扁管，使空气侧和制冷剂侧的换热都被强化，被认为是一种高效、 紧凑的换热器。平行流换热器已广泛应用于汽车空调系统中的冷凝器，近年来又 被推广应用到蒸发器、家用空调、冰箱等很多领域，以取代传统的翅片圆管换热 器。平行流蒸发器内气液两相( 特别是液相) 在各扁管间的分配对其传热性能影 响较大，如果各扁管间的气液分配不均其传热性能将显著的下降；平行流蒸发器 在低温环境下容易结霜，而结霜对于蒸发器的正常运行有着很大的影响。随着霜 层厚度的增加，逐渐堵塞了蒸发器，使通过蒸发器的空气流量越来越小，最终完 全堵塞蒸发器。同时霜层的导热热阻逐渐增大，严重影响了换热；平行流蒸发器 冷凝水是否有效导出对其的性能影响也较大，如果冷凝水得不到有效的排出，性 能将恶化。 论文在不同气一液流量下实验研究了六种不同结构形式的平行流蒸发器分支 管的液体流量分配情况，发现集管中的流型以环状流型为主，在集管底部夹杂有 波状流；结果表明，平行流蒸发器不论是在竖直向下流动时还是在竖直向上流动 时，通过增加分支管的内径来调节液体流量在各分支管的分配，其均匀性改善不 大，有时反而恶化；两相流体入口应尽可能布置在集管的中间而不是侧端，这样 更有利于液体流量在各分支管内的均匀分配。 通过实验结果与模型计算值的对比，发现：模型是建立在均相和大直径分支 管的基础上，而实验中观察的结果是环状流，即液相主要集中在管壁，气相主要 集中的管中心，以及小直径管和大直径管的阻力损失区别，造成了实际沿程阻力 损失、局部阻力损失和模型中的计算值差别较大。模型对增加管内径的方法，非 常敏感，但是实际并没有出现这么多大的变化。 研究中发现各种空气参数对普通翅片圆管式蒸发器结霜速率的影响很大，空 气相对湿度、风速越大、蒸发器结霜越严重，蒸发器结霜的温度范围是以o 为 顶点的曲线。同时还发现蒸发器换热量在结霜初期略有增大，在结霜后期蒸发器 结霜使得蒸发器换热量急剧下降。不同的地区应根据不同的空气参数制定不同的 除霜周期。 当平行流蒸发器霜层累计增加时，大翅片长度和高度的总传热系数和空气侧 热传热系数下降的更明显，而从传热和传质的类比可以知道总传热系数和空气侧 热传热系数如果下降的较慢则传质较慢即结霜较慢，所以更低的霜冻增长速率， 压降增加的速率也将降低。换热器的翅片长度和间距的大小要适中，以保证结霜 重庆人学硕士学位论文 后的压降、总传热系数、效率不会变化太快。 蒸发器可以采用倾斜放置的方式、翅片可以采用亲水( 湿润) 表面处理，加 速冷凝水排出；也可以在翅片上开设导流槽道。平行流蒸发器冷凝水排除技术在 结构上可以在扁管上开设导流槽道。 关键词：平行流换热器，气液分配，阻力损失，结霜，冷凝水排出 英文摘要 a b s t r a c t p a m l l e l - n o wh e a te x c h a n g e r sc o l l s i s to fs m a l lb y d r 则i cd i 锄e t e rm u l t i - c h 锄e l n a tt i l b e so n l er e 衔g e 础t - s i d e ，趾dl o u v e rf i i l so n 廿l ea * s i d e ，a i rs i d ea 1 1 d r e j j r i g e r 卸n ts i d eh e a tt r a n s f e r h a v eb e e ne i l l l 强c e d ，b e e i lc o n s i d e r e do n e l 【i 】n do fe 伍c i e 她 c o m p a c th e a te x c h a n g e r s p 删l e l - n o wh e a te x c h a n g e rh a u sb e e i l 、) l ，i d e l yu s e d i 1 1 a u t o m o t i v ca i r - c o n d i t i o i l i n gs y s t e i n 嬲m ec o n d e n s e r i 1 1r e c e n ty e a r sh a sb e e na p p l i e d t ot l l ee v a p o r a t o r ，h o m ea i rc o n d i t i o n e r s ，r e 衔g e r a t o r s ，孤l dm 砒l yo t l l e ra r e a s ，t or e p l a c e t b ec o n v e n t i o n a lf i n n e d r o m l d t u b eh e a te x c l l a 】 1 9 e r g 硒一l i q u i d ( e s p e c i a l l yl i q u i d ) 抑o - p k 塔ed i s t r i b u t i o ni i le 龇hn a tt u _ b eo ft h ep a r a l l e l - n o we v a p o r a t o rh a sa 留r e a t e r i m p 2 u c to nt l l et h e r m mp e r f o m l a n c e ，i fu n e v e i l l yd i s 仃i b u t i o ni i ln a tn l b e s ，t l l et h e m a l p e r f o 肌a n c e i s s i g l l i f i c a l l t l y d e t e r i o r a t e d ；a tl o wt e m p e r a j t u r e e i i r o i n e n t p 删l e l - n o we v 印o m t o re 嬲yt 0f 吣s t ，b u tf b s tl m sa 孕e a ti i i l p a c to n1 1 0 h n a lo p e r a t i o n o fm ee v a p o r a t o r w 池恤m c r e 嬲吨o f 恤舶s tt h i c l 【】s s ，伊a d 砌l yb l o c k e d e v a p o r a t o r ，s oa i rn o w 也r o u g l lt l l ee v 印o r a t o ri sg e t t i n gs m a l l e ra i l ds m a l l e r ，a n d u l t i i l l a t e l yc o n l p l e t e l yb l o c k e dt l l ee v 印o r a t o r a t t h es 锄et i 芏1 1 e ，t l l et 1 1 e r m m c o n d u c t i v i 够r e s i s t a i l c eo ff b s tl a y e ri s 铲a d u a l l yi 1 1 c r e 嬲i 1 1 9 ，s e r i o u s l ya f f e c t i i l gt h e h e a tt 啪s f i e r ；t 1 1 ec o n d e n s a t ew a t e ro fp 删l e l f l o wc v 印o r a t o rw h e t h e ro rn o te x p o r t h 弱孕e a t e ri i 】1 p a c to ni t sp e r f o m a n c e ，i ft l l ec o n d e n s e dw a t e rd on o td i s c h a r g e d ， p e r f o m l a n c ew i u w o r s e n t 1 1 i sa r t i c l ee x p e r i m e ms t u d i e dn l el i q u i dn u xd i s t r i b 以0 ni i lb r m c hp i p eo fs i x d i f r e r e n tc o n s t r u c t i o nf o m so fp a r a l l e l - n o we v 印o r a t o rmd i f f e r e n tg 别i q u i dn u x ， w m c hs h o w e dt l l a t ：伦n o wp a t t e mi s 删y 锄u l a rn o w ，w i lt l l em i ) 【t u r eo fw a v y n o wa tt h eb o t t o mo f l eh e a d e rt u b e 1 1 1 ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo 比曲e dt h r o u 曲t h e e x p e r i i l l e n t ：n l e 疵f o m l i 够o ft 1 1 el i q u i dn u xw 鳃i m p r o v e dal i t t l e 趾l ds o m e t i m e s 、 ，o r s 锄e dt h r o u 曲i n c r e 嬲i n gt l l ei 1 1 n e rd i 锄e t e rt or e g u l a t e 廿l el i q u i dd i s t r i b u t i o ni nt h e b 瑚c hp i p e ；l e “e tn l b es h o u l db ea 彻n g e di nt h ei i l i d d l eo f h e a d e rn l b e 砒e rt h a l l s i d e so fi t ，w h i c hi sm o r eb e n e f i c i a lt ot l l ee v e i l l yd i s t r i b u t i o no ft l l el i q u i dn u ) 【i i l 坨 b m c h p i p e ，印p l i c a b l et ou p w a r dn o w a i l dd o ，i l w l r dn o w t h r o u 曲c o m p a r i s o no ft h ee x p e r i m e n t mr e s u l t sa i l dc a l c u l a t e dv a l u e s ，f o dt 1 1 a t ： t l l em o d e li sb a s e do nh o m o g e n e o u sp h a s e 锄dl a r g e - d i 锄e t e rb r 觚c hp i p e s ，b u t e x p e r i m e n tr e s u l t si sa m m l 盯n o w m a ti sl i q u i dm 粥em 血l yc o n c e n m l t e do nt l l ew a l l l o ft l l et u b e ，g 嬲p i 粥ec o n c e n 也l t e do nc e n t e ro ft h et u b e ，雒、耽l l 嬲t l l er e s i s t a l l c el o s s m 重庆大学硕士学位论文 d i f f e r e n c eb e t w e e ns m a l l - d i 锄e t e rp i p e 砒l dl a r g ed i 锄鼬e rp i p e ，s or e s u l t i n gi i l 衔c t i o n r e s i s t 锄c el o s s ，l o c 出r e s i s t a i ：i c el o s sl a 玛e rd i 疗e r e n c eb e t 、粑e n l ea c t i l a lv a i u e sa 1 1 dt 1 1 e m o d e lc a l c u l a t e d 砌u e s 1 1 1 em o d e l i sv e 巧s e n s i t i v et oi 1 1 c r e 嬲i 1 1 9t h ei i l i l e rd i 锄酏e r o ft h en i b e ；h o w e v e r ，t i l ea c t u 越c l m g ei si l o t 嬲母e a t t h es t u d yf o u r l d ：廿l e r ea r eav 撕e 够o fa i rp a r a m e t e r sg r e a ti i l n u e n c eo nt 1 1 e 舶s t i n gr a t eo f l eg e n e r a lf m r o u l l d - t l 慨e v 印o r a t o r ，也e 伊e a t c ro fa i rr c l a t i v e h u i l l i d i 劬嘶n ds p e e dt l l em o r es e r i o u sm ee v a p o r a t o r 丘o s t i n g ，t l l er 觚g eo f 舶s t i n g t e i l l p e r a t u r ei so t 0p e a l 【o f t l l ec m v e a tt l l es 鲫t i n l e ，a l s of o u n dm a th e a t 觚s f e r l e r ei sas l i g h ti n c r e 锻ei nm e e a r l y 丘o s t i r 培o ft h eh c a te v a p o r a t o r b u ti nt l 圮l a ：t ea s h 唧d r o pf o re v 印o r a t o r 舶s t i n g d i 髓r e n tr e g i o n ss h o u l d b eb 弱e do nd i 晒i e n ta i r p 舢e t e r sc o n s t i t u _ t eo fd i 舵r e n td e m ) s tc y c l e w h e np a r a l l e l n o we v a p o r a t o r 丘。o s tl a y e ra c c u i n i l l a t e d ，m o r eo b v i o u sd e c l 疵 a b o u to v e 试lh e a t 昀n s f e rc o e 伍c i e n ta n da i r - s i d eh e a t 胁s 向c o e m c i e n tf o r b i gf i l l s ( 1 e p 协a n dh e i g l i t ，砒l d 丘o mh e a t 协m s f e ra 1 1 dm 嬲s 位m s f e r 删o g yc a n k n o wt l l a t ：i f t l l eo v e r a l lh e a tn 锄f e rc o e m c i e n ta n da i r - s i d eh e a t 缸 m s f e rc o e f j e i c i e n ts l o 、e ri i e c l i r 圮 s om 嬲st 鼬s f e ri ss l o wt l l a ti ss l o w e rf b s t i n g ，s o1 0 w e r l ef 硒s t 毋0 w mr a t e ，t 1 屺r a t e o fp r e s s u i l ed 1 o pi i l c r e 弱e 、析ua l s or e d u c c ，p 砌l e lf l o we v a p o r a t o r ss h o l l l dh a 、，e p r o p e rf i nd 印ma n dp i t c ht oe n s u r em a tt l l ep r e s s u r ed r o p ，t l l e 删h e a t 仃a n s f e r c o e 伍c i e n t ，f i ne m c i e n c y 谢l ln o tc h a i l g et o of 弧a r e r l e 舶s t p a r a l l e ln o we v 印o r a t o rc a l lb ep l a c e di i l c l i n e d ，e v 叩o r a t o rf i nc 锄b eu s e d h y d r o p m l i c ( w e t t i n g ) s u r 】沁e 仃e 锄e n t ，觚dt 0 c e l e r a t e 此c o n d e n s a t ew a t e rv e n t o u t ；c a l la l s ob eo p e n e dw a t e r - d i v e r s i o nc h a l l n e li l lt l l ef - m h 1t l l e 蚰舢加r eo fp a r a l l e l f l o we v a p o r a t o rc a nb eo p e r l e dw a t e r _ d i v e r s i o nc h m m e li nt h en a tt u _ b et 0e x c l u d e d w a t e r i k 叼啊o r d s ：p a r a l l e lf l o we v 印o r a c o r ，g 嬲- l i q u i dd i s t r i b u t i o n ，r e s i s t 锄c el o s s ，f r o s t ， e x c l u d e dc o n d e n s e dw a t e r 基本符号表 基本符号表 面积，聊2 为肋片总宽度，聊 比热，j 堙一c 一1 为肋片的当量直径，聊 管外径，m 交叉流修正因子 对流换热系数，形聊_ 2 。c - 1 结冰潜热( 对水) ，堙一 翅高，聊 对数平均焓差，堙。 热导率，形聊一。c 。1 出口损失系数 百叶窗长，m 翅片的状况参数或质量 风量，历3 办 压力，p a 换热器的压降 热流量，形 潜热，j 瓜g 从凝露到结霜的潜热，k j 蚝 管间距，聊 为肋片间距，肌 半翅厚，聊 温度，k 风速，1 s 肋片管的迎面风速，“s 蒸发器的厚度，聊 湿度比率 为肋片厚度，m 密度，谢 空气的导温系数，朋2 s 湿空气的总压力即大气压力，p a 含湿量，k g l ( g 扩散系数或水力直径 摩擦因子 物质传递速率，堙研。2 s - 1 热平衡 肋片高度或换热器高度，朋 焓，堙。1 c o l b 啪因子 入口损失系数 翅宽，聊 百叶窗宽，所 质量流速，姆s 。1 结霜量，蚝 静压，p a 水蒸气的饱和压力，p a 换热量或除霜热，w 水蒸气凝露潜热，l 【j k 热阻，。c 形- 1 管排间距，所 为换热器的迎风面积，所2 对数平均温度 露点温度，k 总的传热系数，形朋_ 2 。c 。1 换热器体积，所3 换热器的宽度，肌 结霜厚度，朋 翅片效率或翅片结霜效率 动力粘度系数，p a s 口曰d d厂瑚日，歹k 0历m郇只q_r s铒泓矿形万 刁 母 所 肘 掣彳6叱域f乃k研瓯七疋厶m 尸叱g r吃墨母r丁甜 吩w 国芬p 重庆大学硕士学位论文 锄除霜效率 巩全表面效率 目 百叶窗角度 下标： o肋基或最初的 口湿空气或空气侧 6 基 蒯导热 玎 相关 厂结霜或迎风 自由流动 打 霜层 乃 热流体侧 z潜热 d 出口 j 显热 f总和 甜矿 无翅片 w 管壁 x 时间，s 相对湿度 吸收因子或传质系数 结霜层一维传导 平均 带0 冷剂侧 对流 除霜 结霜翅片 翅片 结霜表面 入口 金属或空气 制冷剂 饱和 总的摩擦面积 所占的可变热效应 协嘴cd产加弦，册r删姘12 学位论文独创性声明 本 人声明所 呈 交的巫 士 学位 论 文 年鸳) 筮盐垫鬈i 查生违厶蝠) 垂掣：j 址她进糕季个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文甲特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：呈j 硅 导师签名： 忐毯 签字日期： 沙1 弓 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程) ，愿意将本人的盈士学位论文鞠盔越譬由土五鑫塑 选塑鞠叠趟漏l 车缓砰宝 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 腿i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 呈j ) 矗 导师签名： 杰鹫 1 年6 月；日 备注：审核通过的涉密论文不得签署_ 授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! l 逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 l绪论 1 1 课题的提出及研究意义 平行流式冷凝器是在汽车空调工质替代过程中产生的，h f c l 3 4 a 作为c f c l 2 的替代工质已经被广泛认可，为了采用新型制冷剂，系统设计必须进行改进，由 此出现了平流式冷凝器。平流式冷凝器结构与管带式非常类似，也是一种紧凑式 换热器，由管带式冷凝器发展演变而来，由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成。 汽车空调制冷系统中采用的冷凝器结构型式主要有管片式、管带式和平行流 式三种。管带式冷凝器和平行流式冷凝器的性能评价见表1 1 i l 】。 表1 1 管带式冷凝器和平行流式冷凝器性能评价 t a b l e1 1p e r f o 加锄c ee v a l u a t i o no fp i p et 印ec o n d e n s e ra i l dp a r a l l e l - f l o wc o n d e n s e r 管片式、管带式和平行流式冷凝器因设计制造不同，在具体结构尺寸及热力 性能方面存在较大差异。这3 种冷凝器的性能比较如下： 传热系数：平行流式 管带式 管片式； 制冷剂侧流动阻力：管带式 管片式 平行流式； 空气侧流动阻力：管带式 管片式 平行流式； 内容积：管片式 管带式 平行流式； 体积与重量：管片式 管带式 平行流式。 通过比较发现，管片式冷凝器的综合性能最劣，平行流式冷凝器的综合性能 最高。管片式和管带式冷凝器相比，换热性能得到进一步提高，并具有换热系数 高、质量轻、结构紧凑、制冷剂充灌量少等优点。 平行流换热器空气侧采用换热性能较高的百叶窗翅片，制冷剂侧采用小水力 直径的多通道扁管，使空气侧和制冷剂侧的换热都被强化，被认为是一种高效、 紧凑的换热器。平行流换热器已广泛应用于汽车空调系统中的冷凝器，近年来又 被推广应用到蒸发器、家用空调、冰箱等很多领域，以取代传统的翅片圆管换热 器口吲。平行流蒸发器内气液两相( 特别是液相) 在各扁管间的分配对其传热性能 影响较大，如果各扁管间的气液分配不均其传热性能将显著的下降【4 。t u s h 8 r k l i l | a 咖等1 的研究发现，下降可高达2 5 。这就造成了换热器有效换热面积的 减少或者不得不增加换热面积以弥补传热性能的下降，这又造成了制造成本的增 加，所以平行流蒸发器内气液两相特别是液相在各平行流蒸发器内各分支管的是 否均匀分配就显得特别重要。 在平行流冷凝器中传热恶化现象没有蒸发器严重因为进入冷凝器的是单相 气态工质相比进入蒸发器的气液两相工质，流动均匀分配较容易达到。另一方面 由于平行流蒸发器为了方便冷凝水的导出，采用了水平集管的设计( 冷凝器是垂 直集管) ，水平集管内两相流体容易受重力的影响形成分层流动。所以本课题的首 要任务就是改善平行流蒸发器内气液两相特别是液相在每个分支管的分配。 图l i 蒸发器表面 f 培1ls l m c e o f w a p o m f o r l 绪论 另外平行流蒸发器冷凝水是否有效导出对其的性能影响也较大，像图一所示 的蒸发器，表面覆盖有大量的冷凝水得不到有效的排出，性能将恶化。 我国大部分地区处于季风气候区，其特征为四季分明，冬天普遍需供暖，夏 季需供冷，同时冬季除少数北方地区外，大部分地区冬季温度偏高，尤其是黄河、 长江流域。据气象部门统计黄河流域以南冬季平均温度在8 0 之间，而长江 流域以南冬季平均温度在一3 3 ，这些地区正适合热泵使用，所以热泵在我国 有广泛的应用前景。但同时我国热泵适宜应用的地区普遍湿度比较大，例如长江 以南相对湿度一般都在7 5 以上。 在低温高湿的环境下，风冷热泵室外侧蒸发器极易结霜，而结霜对于热泵的 正常运行有着很大的影响。随着霜层厚度的增加，逐渐堵塞了蒸发器，使通过蒸 发器的空气流量越来越小，最终完全堵塞蒸发器，同时霜层的导热热阻逐渐增大， 严重影响了热泵的制热量，甚至由于制冷剂不能在蒸发器中蒸发而进入压缩机从 而引起事故，结霜初期结霜所带来的好处与此相比可以说是微不足道的，结霜给 风冷式热泵带来相当大的危害【6 】。所以对热泵蒸发器结霜进行分析研究是非常必 要的。 如果平行流换热器表面结霜会降低换热器的传热系数，增加空气侧的流动阻 力，减小机组的供热能力。5 0 有雾或雨雪天气是最恶劣的运行工况，此时， 由于机组结霜严重，蒸发压力过低，常使机组停止运行；机组换向热气除霜时， 压缩机润滑油常被带出，造成压缩机缺油；机组结霜严重时，制冷剂蒸发量急剧减 少，因回液过多造成液击的可能性大大增加等。此时，必须对室外盘管进行除霜。 除霜时，机组不但不能供给热量，反而从建筑物内部吸取热量，严重影响供热效 果【7 】o 因此平行流换热器内气液两相流体( 特别是液体) 是否均匀分配，冷凝水是 否有效导出，是否有效溶霜、除霜对整个系统安全有效运行有重要意义。 1 2 平行流换热器国内外发展及研究现状 1 2 1 平行流换热器内气液两相流动特陛研究现状及进展 大水力直径管( 圆管和方管) 的气液两相流研究现状，小水力直径管气液两 相流和大水力直径管的区别。 马根娣等1 8 j 人于1 9 8 6 年对气液两相流在当时的发展现状进行了概述，将气液 两相的基本流型划分为：泡状流、塞状流、环状流、雾化流，认为其它流型只不 过是这些基本流型的转换或综合而已。同时也对气液两相流研究方法、理论模型、 实验研究进行了介绍。 大水力直径圆管气液两相流 重庆大学硕士学位论文 对大水力直径圆管内气液两相流在水平、垂直、倾斜、弯曲条件下国内外研 究都较多。蒋安众等【9 】在内径2 6 i 砌水平管上进行试验，绘制了流型图并与威斯 曼流型图进行了比较，提出了水平管内流型转换边界准则和用于计算水平管内双 组分两相流在环状流动时摩阻压力降的公式。顾汉洋等i l u j 对直径为5 0 舢m 的水平 管内气液两相流中单气泡的形态特征进行了实验研究。陈如艳等j 通过实验研究 了水平管内两相流的流型、泡状流中所产生的气泡尺寸沿水平管径向的变化规律， 以及气泡尺寸随实验参数的改变而变化的情况。另外最近几年在气液两相流的特 征提取与流型识别方面也有不小的进展，徐遥远等【1 2 j 以水平管道中的气液两相流 为研究对象应用电阻层析成像技术对不同流型条件下的数据进行小波分析，结合 支持向量机方法分析数据，判断流型。 郑成【l3 j 导出了垂直管内气液两相流总压力降计算模型，并用内径2 4 l 姗的 玻璃管进行了实验验证，发现计算垂直管内向上流动的气液两相气泡流压力降时， 求解过程比当今现存的模型简单、准确性高，尤其是对于长管压力降的预测更有 优越性。丁国忠等【1 4 】针对气液两相流动中，不同流型下的压力变化和空泡率变化 不一样的问题，研究采用压力传感器及新型的电容空泡率传感器来测量垂直管中 各种流型的压力波信号及空泡率信号，并以此辨识流型。通过实验得到了不同流 型的压力波时序图，压力波频谱图，空泡率时序图。并给出了各种流型的辨识准 则。 在倾斜大水力直径圆管方面，曹夏昕等【l5 】对空气水形成的两相流同向通过管 径1 5 n u n 、管长6 m ，倾斜角为1 5 。和3 0 。两种不同的倾斜角有机玻璃管的流型 进行了实验研究。通过可视化观察和压差波动特性对流型进行分类，结合实验数 据绘制出不同倾角下的流行图。另外，通过与相同管径下的水平管流型图进行对 比以及不同倾角下流型产生范围的比较，发现试验段倾角对流型区间有显著的影 响。gg e r a c i 等【1 6 】使用平行探针技术得到了直经为3 8 岫，倾斜上升圆管内时 间平均液膜局部厚度的数据，当管子倾斜角增加时管子下部时间平均液膜厚度减 小，上部时间平均液膜厚度增加( 从o 。4 5 。度变化较小，4 5 。9 0 。变化较大) ， 并分析数据给出了圆周局部液膜厚度的计算关联式。 y e h u d a 碱t e l 等【1 7 j 发现在1 0 。，1 5 。，2 0 。的倾斜角度下，当气液流速较低 时，气液只在单根管内流动，随着气液流速增加，气液开始在其他管流动，直到 所有的四根管子。m t s h u v a 等l l 驯在只有两根分支管的系统上开展了类似的实 验，在分支管水平时气液在两根管子间分配较均匀，随着角度的增加维持两根管 子对称流动所需的气液流速越来越大。通过比较发现在集管水平、分支管水平且 进口管从集管中心进入时两相流体分配较均匀，而现有的平行流蒸发器进口管通 常都是从集管的一端进入，为了改善平行流蒸发器两相流体分配可以采用从集管 4 1 绪论 中心进入两相流体的方式。 在大水力直径弯管方面，赵建福等【1 9 】报道了微重力条件下9 0 。弯管( 弯管内 径1 2 7 n l 】m ，弯曲半径7 6 5 i m ) 气液两相流型实验结果，比较了与微重力直管内 相应流型间及常重力弯管两相流型间的异同。 由于气液两相流中界面波的存在对传热、传质、阻力特性及稳定性都有很大 影响，同时界面波的有关特性参数的深入研究也可以为气液两相流的数学理论化 提供试验基础。所以李广军等【2 0 】以空气、水为工质，系统研究了厚度为1 2 n n ， 横截面积为2 5 n l n l 1 5 0 i i l m 水平矩形管内气液两相流的界面波各特征量随气液两 相流量变化的变化规律。 以上大部分试验都是对大水力直径单管得到的结论，而把大水力直径管作为 集管向分支管分配两相流体，问题就更加复杂，不仅涉及到集管和分支管的各自 的两相流动，而且涉及到集管向分支管分配两相流体。对于大水力直径分支管， m a s a m r oo s a k a b e 掣2 l 】在水平方形集管( 横截面尺寸：4 0 m m 4 0 m m ) 上有四根 竖直分支管( 内径为：1 0 n 蛐) 的系统上进行了实验，其中两相流体从集管一端 进入。发现从集管进口进入少量气体的时候第一根管所占的水质量比例较大，而 其他管子所占比例几乎一样，气泡仅在第一根管子中流动。随着集管进口气相速 度的增加第一根管子的流体所占质量比例先增加后下降。当气相流速进一步增加 ( 最大流速0 8 耐s ) ，除了第一根管外，其他管子也有气体，但是第一根管子气体 最多，当管子有少量的气体时，必须要有较大的水流速度才能保证有足够水进入 每根管子中。y e l l u i d at a 沁l 等【7 】在水平集管直径5 0 m m 、4 根分支管( 管径2 6 舢m 、 长6 m ) 的系统上进行了实验，其中两相流体从集管中间进入，发现当分支管水 平时四根管气液分配接近均匀。 由于平行流蒸发器分支管采用小水力直径多通道扁管，以上关于大水力直径 分支管的流量分配对平行流蒸发器内两相分配有一定的借鉴作用。 小水力直径管气液两相流以及和大水力直径管的区别 小管径气、液两相流的研究在公开的文献中提及的较少，j o l l i lw c o l e m 锄等 瞄】绘制了小水力直径圆管和方管的两相流流型图，发现管径对各流型转变有重要 的影响，并和大直径管得到的流型转变准则相比较，发现大直径管得到的流型转 变准则应用到小水力直径管时出现了较大的偏差。j o l l l lw e s l e yc o l e m a n 等【2 3 】发现 两相流体从大的水力直径管到小水直径管的收缩压降损失比现有的一些模型预测 的值大。 在一定的气液流速下流型取决与管内重力、剪切力、表面张力的相互影响， 由于小水力直径管和大水力直径管内两相流体的剪切力和表面张力的数量级不 同，所以流型和流动机制就有所区别。j o l l l lw c o l e m a i l 等建议应将管径和表明张 5 重庆大学硕士学位论文 力等因素考虑到流型图中【2 2 - 2 3 】。 突缩再突扩管道内两相流 平行流蒸发器在大水力直径集管向小水力直径扁管分配两相流体时，流体流 动的流道就会改变。对于气液两相流体流经突缩再突扩管道的压力降，吴东垠等 阱j 在文中所述的突缩再突扩管道可视为突缩接头和突扩接头之间放入锐边插入 物，但并非如前所述的长插入和短插入两种极限情况，而是一种普遍形式，目前 尚无较成熟的理论。首先可将突缩接头和突扩接头分开计算，然后进行叠加，并 引入突缩再突扩管道的两相流静压降修正系数。研究发现：在他的实验范围内， 管道的静压降修正系数与两相流干度和气体的质量流量有关，再这个基础上，总 结了相应的计算式，此文的研究方法为相关的计算提供了依据。j s c h m i d t 等【2 5 j 通过实验建立了气液两相流流经突缩管道的压力降计算模型。m f o s s a 等【2 6 】研 究了突缩再突扩管道中间连接管长度对两相流体压力损失的影响，比较了不同的 模型和关联式的预测精度，发现有些关联式较可靠。 以上三篇文献虽然研究了突缩再突扩管道内压力损失情况，但是对于平行流 蒸发器内两相流动不适合，原因是：1 ) 在流动过程中流向没有改变；2 ) 使用空 气、水作为流动介质；3 ) 面积收缩比的值较大；4 ) 没有考虑两相流体中含油的 影响。为了克服上述第二、三点的影响，j o l l i l w b s l e yc 0 1 e m 锄【2 3 j 发展了一个新的 模型。 目前，工程上大量气液两相流计算一般都不考虑两相流的流型影响，作均相 处理，而实际研究表明流型对于气液两相的各种计算都是有影响的【2 7 】。但是现有 的流型划分方式及流型图之间存在很大的差异。劳力云等【2 3 j 对以往研究者的工作 进行了比较系统的归纳：1 ) 目前对各种流型的定义大多基于研究者的主观判断， 还没有一套统一的且被公认的定义，因而流型的划分只能是定性的；2 ) 就流型 转变准则而言，由于对流动机理缺乏深入的了解，到目前还没有一个具有普适 性的理论模型；3 ) 目前的流型图大多是基于绝热状态下的气、水系统提出的，且 一般都假定两相流动已经充展，这与实际应用有很大差别；4 ) 绘制流型图所需 参数( 如表观速度、干度等) 的测量十分困难；5 ) 这种采用几个简单参数绘制流型 图的做法不能够完全体现其他参数的影响。因此，流型图的适用性是有限制的。 所以一致认为要使平行流蒸发器内两相流动分配不均得到较大的改善，就需 要对其集管和扁管内两相流动从机理上了解透彻，那样才能对实现流体均匀分配 打下坚实的理论基础。另外l a u r e mfc 【2 9 l ，王雷【3 0 1 ，李祥东洲等介绍了两相流流 型识别方法及相关的仪器，但是由于扁管水力直径较小，这样就会带来测量仪器 布置上的困难，同时对测量仪器的精度也有较高的要求。 平行流蒸发器内两相流体分配的影响因素 6 l 绪论 影响因素很多，包括集管布置形式、分支管在集管内的插入深度、气液流量 和干度、进口管径和管长、热负荷、管子倾斜、介质中含油等【3 2 0 引。 1 2 2 热泵除霜研究现状及进展 国内外对平行流蒸发器溶霜除霜的文献较少，但是对圆管翅片式蒸发器溶霜 除霜的方法文献较多，在现在缺乏公开文献的情况下，可以借鉴圆管翅片式蒸发 器溶霜除霜方法。 随着世界能源结构的调整和全球范围内可持续发展战略的提出，人们越来越 重视对清洁、安全、高效能源的开发和利用。空气源热泵系统以电能为驱动力， 将室外环境空气作为热源、热汇，向被调节对象提供冷、热量，是国家着力推广 的环保、高效的能源供给方式之一。目前采用的空气空气热泵型分体式房间空调 器非常普遍，自2 0 世纪9 0 年代以来，空气水型式的空气源热泵冷热水机组也得 到了广泛的应用。但从目前空气源热泵的实际运行效果来看，这类机组在气温偏 低且相对湿度比较大的地区制热运行时仍不理想，主要原因是蒸发器结霜及除霜 造成的供热能力下降。因此，需用周期性除霜的方法解决这些问题。目前，空气 源热泵最常用有效的除霜方式是逆循环热气除霜。 空气源热泵的除霜特性是非常复杂的，研究涉及的方面很多，目前主要集中 在： 采用实验或计算机仿真的方法研究热泵各部件及整个系统的除霜特性， 其中以蒸发器的除霜特性为重点； 从热泵除霜时系统能量变化的角度出发，对系统除霜时能量的来源与分 配，除霜对热泵供热量的影响等问题进行研究； 热泵除霜自动控制。根据热泵的不同种类与容量，不同工况条件，确定 除霜运行的起止点，除霜周期，并研究相应的自动控制方法； 有利于改进除霜性能的其它辅助方法的研究【3 9 1 。 国外较早进行蒸发器除霜实验研究的是s a n d e r s 和n i e d e r e l ，1 9 7 4 年s a n d e r s 建立了蒸发器除霜模型，并在实验的基础上详细分析了除霜时能耗的分配情况 j ，1 9 7 6 年n i e d e r e r 用实验方法测定了除霜能耗时发现8 0 的除霜耗热用于加 热换热器金属结构和周围的空气【4 l 】。 1 9 8 9 年美国的o n e a l 对空气源热泵的热气除霜过程进行了实验研究【4 2 】，将 一台热泵的室内侧盘管和室外侧盘管分置于两个人工气候小室内，通过实验分析 热泵的功率，制冷工质质量流量、温度、过冷、过热度，压缩机的吸排气压力， 室外盘管的表面温度等参数在一次完整的除霜过程中的动态变化。认为可以采用 综合循环c o p 、除霜时间、融霜时间、排水时间4 项特性指标来反映热泵的除霜 性能。 7 重庆大学硕士学位论文 相对于除霜实验研究，近些年采用模拟方法研究除霜过程发展较快。加拿大 的心a l 【o w 在1 9 9 2 年建立了更接近于实际的蒸发器热气除霜分布参数动态模型 【4 3 】，重点分析了蒸发器表面的霜层在除霜过程中的变化情况。认为在一个除霜过 程中蒸发器表面要经历四个阶段：结霜表面的预热阶段；壁温高于0 的融霜阶 段；霜完全融化后的蒸发阶段；表面水蒸发结束后的干热阶段。对于这四个不同 阶段，从质量守恒，能量守恒出发，建立了详尽的除霜数学模型，模型求解过程 需要通过实验确定4 个参数：蒸发器最大表面滞水量，空气水膜导热系数，空气 膜导热系数，表面水蒸发系数与指数。虽然幻址o w 的模型是目前最接近实际工 况的模型，但模型的求解依赖于实验测定的参数，而且模型过于复杂，通用性不 够。2 0 0 5 年美国的h o 舵n b e c k e r 发表了工业用蒸发器热气除霜的动态模型州，该 模型以空气干球温度，空气湿度，盘管几何尺寸，霜层厚度与密度及热气入口温 度等为输入参数，以除霜时的显热量，潜热量及霜完全融化的时间等为输出参数。 该模型的优点在于可以预测除霜循环产生的附加空间热负荷，包括：除霜时的对 流换热量，湿空气的二次蒸发热量，盘管蓄热的散失量。 国内这几年对热泵蒸发器除霜也经行了大量研究，上海交大郑刚等人对风机 性能对结霜的影响进行了研究【4 5 j ，在结霜的后期，由于空气流量急剧减小，换热 器换热效果迅速恶化，进而整个系统的性能迅速下降。霜层的阻塞作用使得空气 流量减小是系统性能下降的最主要原因。霜层的形成增加了空气侧的传热热阻， 霜层的绝热效应使得换热器的换热效果下降，但其影响相对较弱。当空气源热泵 在结霜条件下工作时，可以采取提高空气侧换热器的空气流量，来减少结霜对系 统性能的影响，鉴于空气流量减小是系统性能恶化的主要影响因素，在配用风机 时，从降低结霜影响的角度，应该选用随阻力降的增加流量变化不大的风机。文 献m 】对空气侧换热器主要结构参数：翅片间距、管径、管间距、分液路数等，对 结霜的影响进行了分析。认为相对湿度较小于6 5 的地区，翅片间距对其结霜特 性的影响不大；相对湿度为7 5 的地区，属于一般结霜，翅片间距2 5 i m n 、3 n 1 i l l ， 可以减少结霜量，使换热器表面温度升高，换热量增加；相对湿度为8 5 的地区， 由于空气中绝对含湿量大，室外空气状态点处于结霜速率较大区间的缘故，翅片 间距增加到3 5i 衄直到4l l 吼时，才能延缓结霜，减少结霜量。 作为节流机构的毛细管和热力膨胀阀在空气源热泵除霜时的性能表现是不 同的。有关研究在实验时发现1 4 7 j ，除霜时，采用膨胀阀机组吸气压