非均匀分布板式蒸发器流动状态仿真及分析.pdf

非均匀分布板式蒸发器流动状态仿真及分析非均匀分布板式蒸发器流动状态仿真及分析 杨昭 赵海波 摘要 摘要 在板式蒸发器中 流体在各流道中的分布多为不均匀分布 常用的均匀流模型忽略 了这一特点 为此建立了汽液两相流动非均匀流量分布的板式蒸发器分布参数模型 并根 据压力平衡确定各流道流速进而逐流道求解该模型 研究了板式蒸发器中各板间流道的流 体流量分布及其对换热和压降性能的影响 并对制冷剂和水侧在板间流道内的流量 压力 温度等参数的分布作了计算和分析 比较了均匀单流道模型与流量非均匀分布模型的差别 证明了非均匀分布模型是一种更符合实际且精度更高的模型 关键词 关键词 板式蒸发器 非均匀 仿真 均匀流 中图分类号 中图分类号 TQ021 1 1 引引 言言 建立板式蒸发器仿真模型 辅助系统分析与优化换热器设计是一种重要的研究手段 但 目前所用的板式蒸发器模型多为均匀流模型 即在建模过程中假设制冷剂和水在各个板间 流道内均匀流动 这显然与实际不符合 因为换热器结构和实际运行条件会导致制冷剂和 水在各个流道内的不均匀分布 为了建立更精确更实际的板式蒸发器模型 必须考虑流体 在蒸发器各流道中不均匀分布的影响 许多研究人员研究了不均匀流量分布的板式换热器模型 如M K Bassiouny和H Martin 建立了U型和Z型不均匀流量板换模型 并给出了流量分布和总压降的分析解 1 B Prabhakara Rao等在M K Bassiouny和H Martin的流量分布分析解的基础上 对流量不均匀 分布对板换传热和压降性能的影响进行了 试验研究和理论分析 2 赵镇南研究了流 量不均匀分布对板换冷凝换热性能的影响 3 上述研究都是以单相板换为研究对象 研究中没有考虑压降和传热的相互影响 为此 本文建立了汽液两相不均匀流量分 布的板式蒸发器模型 研究板式蒸发器的 换热和压降性能的变化 以全面了解板式蒸发器的性能和提供更符合实际情况的仿真工具 2 数学模型数学模型 本文以常用的 U 型逆流流动板式蒸发器为研究对象 如图 1 示 其中制冷剂由下向上 基金项基金项 基金项目 20030056027 天津市科技发展项目 043112411 制冷剂 9 10 11 7 8 654321 水 图 1 U 型逆流板式蒸发器示意图 目 目 211 二期工程建设项目 国家 985 建设项目 X03140 国家自然基金资助项目 50376048 教育部博士点 1 天津大学热能研究所 天津 300072 流动 水由上向下流动 为简化计算 建模时作如下假设 不考虑进出口流道的摩擦损失 和热交换 不考虑两侧板与外界环境的换热 制冷剂和水在板间流道内为准一维流动 不 考虑流体径向传热等 在板式蒸发器中 换热介质从固定压紧板 活动压紧板上的接管中流入 并相间的进 入板片之间的流体通道 进行换热 然后由接管流出 进出接管分别称为进口流道和出口 流道 板片之间的流道称为板间流道 相应地 整个蒸发器的数学模型也就由进口流道 板间流道和出口流道模型三部分组成 2 1 进 出口流道模型 进 出口流道模型 以进口流道与板间流道的分流处为研究对象 如图 2 3 示 建立制冷剂侧和水侧质量 守恒和动量守恒方程 1 制冷剂侧 AWUAx dx dW WA cc 1 0 1 2 1 cc c WU xA A dx dW W dx dp 2 水侧模型控制方程与制冷剂侧相同 只需将相应的参数换成水的参数即可 出口流道模型选择板间流道与出口流道的合流处为控制容积 制冷剂侧和水侧的质量 守恒和动量守恒方程与进口流道类似 方向与进口流道相反 2 2 板间流道模型板间流道模型 板间流道模型包括制冷剂侧 水侧和板壁面三部分 制冷剂侧由质量守恒 动量守恒 和能量守恒方程组成 4 5 0 dz Ud rr 3 zgf dz dp dz Ud rr rrr 2 4 gU dz q dz dU U dz dh U rr rr rr r rr 2 5 水侧数学模型由质量守恒 动量守恒和能量守恒方程组成 0 dz Ud ww 6 zgf dz dp dz Ud ww www 2 7 gU dz q dz dU U dz dt CU ww ww ww w pwww 2 8 壁面换热模型 0 wpwrpr tttt 9 由 3 9 可以看出 板间流道模型充分考虑了同种流体和不同流体之间的换热和 2 压降的相互影响 制冷剂沸腾换热系数按由Muley关联式计算 6 单相或水的换热系数采用Yan关联式计 算 7 制冷剂或水从进口流道进入板间流道或者从板间流道进入出口流道时 产生三通分流 或合流阻力损失 制冷剂的三通压力损失可按下式计算 8 1 1 2 2 X G dp v l l t 10 为两相流的局部阻力因数 可用文献12的修正单相局部阻力因数 估计 水的三通阻力损失可按下式计算 9 w w t G dp 2 2 11 两相制冷剂在板间流道的摩擦阻力损失ftp由Yan关联式计算 7 单相制冷剂或水在板间 流道的沿程摩擦阻力系数按Muley式计算 6 模型求解时 由同一流体各分路在蒸发器进出口的压差相等 确定各板间流道的流量 分布 板间流道模型采用分布参数法求解 两侧流体相邻分路通过板壁换热相互耦合 求 解时从蒸发器入口依次假设各流道的流体流量并计算该流道所在流路的出口压力 将该压 力与前一流道计算得到的同一位置的压力比较 根据二者偏差大小修正假设流量值 直至 完成蒸发器所有流道的计算 3 计算示例与结果分析计算示例与结果分析 本文采用的换热器的结构参数如下 人字形波纹板 板片数56 板宽0 11m 板长 Lc 为0 50m 板间距0 0028m 波纹角为45 运行参数有 制冷剂总流量为0 2kg s 进口 压力为415kPa 进口焓值243 8kJ kg 水侧总流量1 8kg s 进口温度为7 进口压力为 1 5016e5Pa 制冷剂为R22 3 1 水侧压力 流速 温度分布水侧压力 流速 温度分布 图4表示水在各板间流道的无量纲流速 板间流道的进口流速 均匀流动板间流速 分 布 由图可知 随着流道与蒸发器入口距离的增大 水的流速逐渐减少 在首尾流道中分 别以最大和最小流速流动 最大流速比最小流速高3 9 各流道流速与均匀流速的相对偏 差在 1 9 2 以内 图5是水的压力沿板间流道板长的分布 由图可知 沿流动方向板间流道水的压力逐 渐减少 首尾流道中分别出现最小和最大压力 非均匀流量下水在板间流道的压降比均匀 流时大340Pa 450Pa 相对偏差为25 8 34 1 可见 流量的不均匀分布增加了水侧 压降 3 图6是水的温度在板间流道中的分布 从图可知 沿着流动方向 水的温度逐渐降低 均匀流动时水温变化趋势与非均匀流动基本一致 但温度梯度较大 出口温度偏低 与非 均匀流动相比 出口温度低0 25 1 54 相对偏差为3 7 22 8 即非均匀流量分 布时水的出口温度偏高 04812 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 0 980 0 985 0 990 0 995 1 000 1 005 1 010 1 015 1 020 vw vm Nc 均匀流 050100 150 200 250 300 350 400 450 500 1 480 1 485 1 490 1 495 1 500 1 505 1 510 1 515 1 520 1 525 均匀流 pw C bar z mm NC 1 11 21 31 41 55 vw 图5 板间流道内水侧压力沿板长的变化 图4 水在各板间流道的无量纲流速分布 0510152025303540455055 0 95 1 00 1 05 1 10 1 15 1 20 1 25 mr mr m kg s Nc 均匀流 050100 150 200 250 300 350 400 450 500 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 10 5 11 0 11 5 12 0 tw c z mm Nc 1 Nc 3 Nc 29 Nc 53 Nc 55 均匀流 vw 图6 板间流道水侧温度沿板长的变化图7 制冷剂在各板间流道的无量纲质量流速分布 050100 150 200 250 300 350 400 450 500 536 538 540 542 544 546 548 550 Nc 2 Nc 12 Nc 28 Nc 44 Nc 54 均匀流 pr c kPa z mm 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 2 3 4 5 6 7 8 9 tr c z mm Nc 2 Nc 12 Nc 28 Nc 44 Nc 54 均匀流 图9 制冷剂板间流道温度随板长的变化 图8 制冷剂板间流道压力随板长的变化 3 2 制冷剂侧压力 温度分布制冷剂侧压力 温度分布 图7是制冷剂在各板间流道的无量纲质量流速 质量流速 均匀流质量流速 分布 从 图上可以看出 随着板间流道与首流道距离的增大 板间流道的质量流速逐渐减少 首流 道的最大流速比尾流道的最小流速高26 4 各制冷剂板间流道的质量流速与均匀流速相 4 差在 4 2 21 1 之内 图8为制冷剂压力在板间流道的分布 由于均匀流量下不考虑进入板间流道的分流阻 力损失 所以制冷剂在板间流道的进出口压力比非均匀流量时高 图还可以看出 与水侧 一样 非均匀流量下制冷剂在板间流道的压降比均匀流时大0 6 9 3 由图5和8可见 流量的不均匀分布增大了水侧和制冷剂侧的压降 也说明均匀流模型计算压降会偏低 图9是制冷剂温度在板间流道的分布 由图可知 均匀流动下制冷剂在板间流道的进 口温度比非均匀时高0 12 0 15 出口温度相差0 54 0 74 相对偏差分别为 4 2 5 4 和6 6 9 3 这说明均匀流计算制冷剂出口温度偏高 3 3 换热量换热量 061218243036424854 1 20 1 25 1 30 1 35 1 40 1 45 1 50 qr kW Nc 均匀流 图10是制冷剂侧换热量在各板间流道的 分布 由图可知 非均匀流量下 板式蒸发器 中不同流道的换热量不同 首尾流道中分别出 现换热量的最大值和最小值 与均匀流相比分 别差10 8 和 10 9 总换热量比均匀流流 速时小7 65 可见流量的不均匀分布会降低 板式蒸发器的换热性能 同时也说明在均匀流 单流道模型中 计算换热量偏高 图10 各板间流道的制冷剂换热量分布 4 结论结论 1 板换的换热和压降性能与换热介质在板间流道的流速密切相关 由本文算例可以 看出 与均匀流模型相比 非均匀流模型计算结果有如下特点 板间流道压降偏大 其中 水侧压降偏大约25 8 34 1 制冷剂侧0 6 9 3 出口水温偏高约3 7 22 8 而制冷剂出口温度偏低6 6 9 3 总制冷量偏低7 65 2 流量分布对板式蒸发器仿真模型的精度影响很大 考虑流量非均匀分布的影响 可 以提高仿真精度 为试验研究和部件设计提供更好的预测工具 3 在U型板换中 制冷剂和水在各板间流道的流量与该流道离换热器进口的距离成 反比 离蒸发器进口越远的流道内的制冷剂或水的流量越小 在制冷剂或水流量过小或板 数过多的情况下 流体在末端及附近流道内的流量可能为零 即出现流量 短路 导致换 热面积没有充分利用 换热条件恶化 因此对阻力相对较大的板式蒸发器 在设计时结构 上要充分考虑非均匀流的影响 以充分利用换热器面积 提高换热效率 参考文献参考文献 1 M K Bassiouny H Martin Flow Distribution and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers 1 U type Arrangement J Chemical Engineering Science 1984 39 4 693 700 2 B Prabhakara Rao Bengt Sunden Sarit K Das An experimental and theoretical 5 investigation of the effect of flow mal distribution on the thermal performance of plate heat exchangers J Transactions of the ASME 2005 127 3 332 343 3 赵镇南 流量非均匀分布对板式换热器传热性能影响 J 石油化工设备 2003 32 3 18 22 4 景步云 谷波 黎远光 板式蒸发器仿真计算模型 J 系统仿真学报 2003 15 10 1481 1483 4 Jing Buyun Gu Bo Li Yuanguang Simulation on the Performance of Plate Evaporator J Journal of System Simulation 2003 15 10 1481 1483 5 董玉军 包涛 胡跃明等 板式蒸发器性能的数值模拟I 数学模型 J 制冷空调与电力 机械 2004 25 4 4 9 6 A Muley R M Manglik Experimental study of turbulent flow heat transfer and pressure drop in a plate heat exchanger with chevron plates J Transactions of the ASME 1999 121 2 110 117 7 Y Y Yan T F Lin Evaporation heat transfer and pressure drop of refrigerant R134a in a plate heat exchanger J International Journal of Heat Transfer 1999 121 118 127 8 徐济鋆 沸腾传热和气液两相流 M 北京 原子能出版社 2000 第二版 9 王宇清 流体力学 泵与风机 M 北京 中国建筑工业出版社 2001 第一版 附 符号附 符号 A 截面积 m2 Cp 定压比热 J kg K dp 压降 Pa Dh 当量直径 m h 焓值 J kg f 摩擦阻力损失 Pa G 质量流速 kg m2 s p 压力 Pa Pr 普朗特数 q 换热量 W Re 雷诺数 t 温度 x 进 出 口流道内坐标 m U 板间流道内的流速 m s W 流速 m s X 干度 z 板间流道长度 m 换热系数 W m2 K 为波纹夹角 密度 kg m3 l 微元段长度 m z 板间流道的微元段长度 m x 进 出 口流道的微元段长度 m 下标下标 c 板间流道 w 水 r 制冷剂 p 板壁 tp 两相区 l 饱和液 v 饱和气 t 三通 m 平均值 Simulation and Analysis of Plate Heat Exchangers 6 Under Mal distribution Flow Yang Zhao Zhao Haibo Thermal Energy Research Institute of Tianjin University Tianjin 300072 hb zhao Abstract In the plate heat exchangers PHE the fluid flow is mal distributed during different flow path which is not considered in the uniform flow model of PHE So a mal distribution flow model for the PHEs has been set up The pressure balance between d