水平管降膜蒸發(fā)器的管束列數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

1、第44卷第1期2010年1月上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YJ an.2010收稿日期:2009204224作者簡(jiǎn)介:楊麗(19782,女,山東梁山人,博士生,主要從事降膜蒸發(fā)器性能優(yōu)化等研究.水平管降膜蒸發(fā)器的管束列數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬楊麗1,王文1,白云飛2(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240;2.煙臺(tái)荏原空調(diào)設(shè)備有限公司,山東煙臺(tái)265500摘要:基于分布參數(shù)方法,對(duì)大型制冷系統(tǒng)中水平管降膜蒸發(fā)器的換熱特性進(jìn)行管束列數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬,計(jì)算了飽和液態(tài)制冷劑HFC 2134a 在水平銅管束外的流動(dòng)蒸發(fā)換

2、熱特性,并考慮不同降膜管束列數(shù)和蒸發(fā)器中的滿液管排數(shù)對(duì)蒸發(fā)器換熱特性的影響,提出采用質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子來評(píng)價(jià)降膜蒸發(fā)器的換熱性能.結(jié)果表明:在滿液管排數(shù)一定的情況下,降膜蒸發(fā)器的管束布置列數(shù)越少,則降膜傳熱管外干斑面積越小;質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子越大,蒸發(fā)器換熱特性越好.關(guān)鍵詞:降膜;蒸發(fā);管束;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TB 657.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AColumn Arrangement Optimization onH orizontal Tube Bundle s of Falling Film EvaporatorsYA N G L i 1,W A N G W en 1,B A I Yun 2f ei

3、2(1.School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China ;2.Yantai Ebara Air Co nditioning Equip ment Company ,Yantai 265500,Shangdong ,China Abstract :An analysis abo ut optimizing t he column arrangement of horizontal t ube bundles in falling film evaporators was c

4、arried o ut wit h numerical simulation by dist ributed parameters in large compression re 2f rigeration systems.In t his simulation ,t he model co nsidered t he evaporation heat t ransfer performance on horizontal copper t ube bundles wit h liquid refrigerant HFC 2134a.The impact s of some factors ,

5、such as t he column number of falling film t ube bundle and t he number of flooded t ube row on t he evaporator perform 2ance were analyzed.In addition ,a parameter of uniformity factor of mass flow field was set up to evaluate t he heat transfer performance of evaporators.The result s indicate t ha

6、t t he less t he column number of t he falling film t ube bundle is arranged ,t he less t he dry patches on falling film t ube surfaces ,t he greater t he uniformity factor of mass flow field and t he better t he heat transfer performance of evaporators under t he same flooded t ube rows.Key words :

7、falling film ;evaporation ;t ube bundle ;numerical simulation在空調(diào)和制冷工業(yè)領(lǐng)域中,與滿液式蒸發(fā)器相比,降膜式蒸發(fā)器具有制冷劑充注量少和換熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn),但其并沒有廣泛應(yīng)用于大型制冷和空調(diào)系統(tǒng)中,部分原因是由于液態(tài)制冷劑分配的不均勻性以及管排布置較困難,尤其在較高的管束中.另外,到目前為止,降膜式蒸發(fā)器換熱管的表面結(jié)構(gòu)、管束布局、分配器的選擇和放置、機(jī)組的運(yùn)行策略等尚不明確.有關(guān)水平管外降膜蒸發(fā)傳熱的試驗(yàn)研究123和理論分析426已有報(bào)道,但針對(duì)降膜式蒸發(fā)器的管束列數(shù)優(yōu)化研究并不深入,尤其是在大型壓縮式制冷系統(tǒng)中,局部換熱管可能出現(xiàn)

8、換熱干斑.因此,換熱管束的整體性能優(yōu)化比單一換熱管更為迫切和實(shí)際.本文通過數(shù)值模擬,分析了降膜管束列數(shù)和滿液管排數(shù)對(duì)蒸發(fā)器換熱特性的影響,并根據(jù)降膜蒸發(fā)器的降膜管外質(zhì)量流量與熱流密度間的協(xié)同作用,提出了反映降膜蒸發(fā)器換熱特性的參數(shù)質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子,以期為降膜蒸發(fā)器的管束優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.1數(shù)學(xué)模型在降膜蒸發(fā)器建模時(shí)假設(shè):忽略制冷劑與環(huán)境的換熱;制冷劑的物性視為常數(shù);在蒸發(fā)器入口,液態(tài)制冷劑處于飽和狀態(tài);制冷劑液膜在蒸發(fā)器傳熱管中流動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)液膜破裂的現(xiàn)象,即“干斑”現(xiàn)象;在不出現(xiàn)干斑的工況下,忽略制冷劑液膜流動(dòng)速率對(duì)換熱系數(shù)的影響.降膜式蒸發(fā)器中,制冷劑在管外蒸發(fā),水在管內(nèi)流動(dòng).由于冷水溫度

9、沿管子軸向變化,制冷劑質(zhì)量流量沿管束高度方向變化,因此,蒸發(fā)器性能在管子軸向、管束高度方向和每排管的各管子方向?qū)⒂兴煌?本文針對(duì)蒸發(fā)器軸向i、管束高度方向j和一個(gè)管排中每個(gè)管子方向k建立三維模型,從而提出分布參數(shù)的熱力計(jì)算方法.圖1分別示出了降膜式蒸發(fā)器的網(wǎng)格剖分側(cè)視圖和正視圖,其中,N i、N j和N k分別表示管子軸向單元數(shù)、管排數(shù)和管束的列數(shù).基于以上假設(shè)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu),以單元i為控制體,建立如下能量平衡方程.管外制冷劑側(cè)d o lrefi(t wo-t refi=(q m,refi-q m,refoh fg(1管內(nèi)冷水側(cè)q m,cw c p,cwd t cwid x=d incwi(t

10、wi-t cwi(2傳熱管壁q m,cw c p,cw(t cwi-t cwo=2w l(t wi-t woln(d o/d in(3式中:d in、d o和l分別為管子內(nèi)、外徑和單元體管長(zhǎng);x為單元體沿軸向的長(zhǎng)度;cwi、refi分別為管內(nèi)、外換熱系數(shù);t wi、t wo分別為管子內(nèi)、外壁溫度;t refi、t cwi 和t cwo分別為制冷劑、冷水入口和出口的平均溫度; q m,refi、q m,refo和q m,cw分別為制冷劑進(jìn)、出口和管內(nèi)冷水的質(zhì)量流量;h fg為制冷劑的蒸發(fā)潛熱;c p,cw、w分別為水的比定壓熱容和管壁的導(dǎo)熱系數(shù);下標(biāo)in、o、cwi、cwo、refi、refo、

11、wi、wo、f g、cw、w分別表示管內(nèi)、管外、冷水入口、冷水出口、制冷劑入口、制冷劑出口、內(nèi)管壁、外管壁、飽和液體與飽和氣體之間、冷水、管壁.在分析降膜蒸發(fā)器ref的過程中,通常引入一個(gè)降膜因子3,即K ff=ref/pb(4式中,pb為在相同的降膜換熱熱通量下管外成核的池沸騰換熱系數(shù),對(duì)于強(qiáng)化管,pb可以通過Webb 等關(guān)聯(lián)式7求解.通過降膜因子,能夠直觀比較池沸騰換熱特性和降膜換熱特性.降膜換熱工況下的管外換熱系數(shù)ref=K ffpb(5管內(nèi)水側(cè)換熱系數(shù)cw=Zcwd inRe0.8cw Pr1/3cwcww0.14(6式中:Z 是與傳熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù);cw, w,cw,Re c

12、w,Pr cw分別為水的動(dòng)力黏度,以管子內(nèi)壁溫度為定性溫度的動(dòng)力黏度,水的導(dǎo)熱系數(shù),水的Reynolds數(shù)和水的Prantl數(shù).(a網(wǎng)格剖分側(cè)視圖(b網(wǎng)格剖分正視圖圖1降膜蒸發(fā)器網(wǎng)格剖分圖Fig.1The grid structure employed in the finite different analysis201上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第44卷2計(jì)算結(jié)果與分析2.1降膜蒸發(fā)器的管排結(jié)構(gòu)圖2所示為2個(gè)管程降膜蒸發(fā)器上、下管排布置結(jié)構(gòu)圖.其中,冷凍水為下進(jìn)上出布置,換熱管采用Turbo 2EHP 強(qiáng)化管,其外徑、管外翅根徑、壁厚、內(nèi)徑、管內(nèi)翅高分別為19.05,17.80,0.635,16.54

13、,0.406mm ,實(shí)際內(nèi)表面積為0.080m 2/m ,總管數(shù)為237根,管長(zhǎng)3.97m ,制冷劑為HFC 2134a.計(jì)算工況為:水的進(jìn)口溫度12.0,出口溫度7,流量52.49kg/s ,制冷劑蒸發(fā)溫度6.i 向網(wǎng)格數(shù)為6,j 向網(wǎng)格數(shù)等于管排數(shù),k 向網(wǎng)格數(shù)等于其管排中管子數(shù)與管子間的間隙個(gè)數(shù)之和.圖3示出了在總傳熱管個(gè)數(shù)一定的情況下,不同降膜管束布置列數(shù)時(shí)的降膜管排數(shù).圖中,管束形式為三角形管距排列.可以看出,在降膜蒸發(fā)器管束布置中,降膜管束布置列數(shù)越多,則降膜管束排數(shù)越少 .圖2上下管排布置結(jié)構(gòu)圖Fig.2A schematic of bottom 2to 2top tube ro

14、ws layout圖3不同降膜管束列數(shù)布置下的降膜管排數(shù)Fig.3The relation between falling film tube rows andtube columns2.2管束列數(shù)對(duì)換熱特性的影響條件下,平均換熱系數(shù)隨降膜管束布置列數(shù)變化的關(guān)系.從圖4(a 可以看出,管外平均換熱系數(shù)隨著降膜管束布置列數(shù)的增加而減小.這是由于隨著降膜管束布置列數(shù)的增加,降膜傳熱管外干斑面積增大而使管外有效傳熱面積減小的緣故.而管內(nèi)換熱系數(shù)沒有直接受到傳熱管外干斑的影響,即隨著降膜管束布置列數(shù)的增加而增幅不大(圖4(b .這是由于隨著管束布置列數(shù)的增加,管外平均換熱系數(shù)減小而使熱擴(kuò)散速率降低、管

15、內(nèi)冷水溫度增加的緣故.根據(jù)以上模擬結(jié)果,降膜管束布置列數(shù)對(duì)管外平均換熱系數(shù)的影響較大,而管內(nèi)平均換熱系數(shù)在17.717.9kW/(m 2K 范圍內(nèi)小幅變化.因此,隨著降膜管束布置列數(shù)增加,總的平均換熱系數(shù)與管外換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)相類似(圖4(c .(a 管外(b 管內(nèi)(c 總平均圖4平均換熱系數(shù)隨降膜管束布置列數(shù)變化的關(guān)系Fig.4The variation of average heat transfer coefficient with falling film tube columns排數(shù)條件下,蒸發(fā)器2個(gè)管程的管內(nèi)冷水出口溫度隨降膜管束布置列數(shù)變化的情況.可見:在管內(nèi)冷水入口溫度一定的

16、情況下,2個(gè)管程的管內(nèi)冷水出口301第1期楊麗,等:水平管降膜蒸發(fā)器的管束列數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬 (a 第1 流程(b 第2流程圖5冷水出口溫度隨著降膜管束布置列數(shù)的變化情況Fig.5The variation of chilled water outlet temperature with falling film tube columns溫度均隨降膜管束布置列數(shù)的增加而增大;隨著滿 .圖6總換熱量隨降膜管束布置列數(shù)變化的情況Fig.6The total heat transfer rate variation with fallingfilm tube columns圖7所示為不同降膜管束布置列

17、數(shù)下的降膜傳熱管外干斑面積占降膜換熱面積的百分?jǐn)?shù)(A .可見:在滿液管排數(shù)一定的情況下,隨著降膜管束布置列數(shù)的增加,傳熱管外干斑面積增大;在降膜管束列數(shù)一定時(shí),滿液管排數(shù)越小,傳熱管外干斑面積越大;當(dāng)滿液傳熱管排數(shù)達(dá)到8時(shí),蒸發(fā)器管束布置中降膜管的數(shù)量非常少,使得干斑面積為零,蒸發(fā)器總的換熱量不會(huì)受到降膜管束布置列數(shù)的影響.因此,在降膜蒸發(fā)器管束優(yōu)化設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量減少降膜管束列數(shù)的布置,以減少管外干斑的發(fā)生,提高蒸發(fā)器的換熱特性 .圖7A 隨降膜管束布置列數(shù)變化的情況Fig.7The percentage of dry surface variation with fallingfilm tu

18、be columns2.3滿液傳熱管排數(shù)對(duì)換熱特性的影響分?jǐn)?shù)(隨著滿液管排數(shù)變化的情況.可見,在相同的滿液管排數(shù)下,其滿液管數(shù)百分?jǐn)?shù)與圖8中的蒸發(fā)器總換熱量相對(duì)應(yīng).說明在與本文類似的降膜蒸發(fā)器管束優(yōu)化設(shè)計(jì)中,當(dāng)滿液管數(shù)約占總管數(shù)的25%時(shí),其換熱特性最佳.401上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第44卷 圖8總換熱量隨滿液管排數(shù)變化的情況Fig.8The total heat transfer rate distribution alongflooded tube rows圖9Fig.9The distribution of the percentage of flooded tubesalong floode

19、d tube rows2.4質(zhì)流場(chǎng)均勻性對(duì)降膜蒸發(fā)器場(chǎng)間的協(xié)同作用為了分析降膜蒸發(fā)器中降膜管束布置列數(shù)的優(yōu)化情況,本文提出采用質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子來評(píng)價(jià)和分析降膜蒸發(fā)器的換熱性能.將冷熱流體劃分為N k ×N j ×N i 個(gè)子換熱單元,質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子可表示為<=6N k k =16N j j =16N ii =1N k N j N i6N kk =16N jj =16N ii =1(2(7=(i ,j ,k -cri (i ,j ,k 式中:(i ,j ,k 為換熱單元i ,j ,k 的管外實(shí)際液體負(fù)荷;cri (i ,j ,k 為換熱單元i ,j ,k 在管外換熱發(fā)

20、生干斑時(shí)所對(duì)應(yīng)的管外臨界液體負(fù)荷.為了求解<,需先求解式(7中的cri .在降膜流動(dòng)過程中,如果液膜的流速下降,即Re ref =4ref 減小,則可能出現(xiàn)液膜破裂的現(xiàn)象,從而在管外壁形成干斑.臨界雷諾數(shù)與熱流密度有關(guān)3,即Re ref ,cri =2(c q o +d (8式中:c 和d 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);q o 為管外的熱流密度,q o =q m ,cw c p ,cw (t cwi -t cwo d o x(9由式(8和(9可得4criref=2cq m ,cw c p ,cw (t cwi -t cwo d o x +d (10由式(10則可得到cri .圖10示出了<隨降膜管束

21、布置列數(shù)變化的情況,可以看出:在滿液管排數(shù)一定的情況下,<隨著降膜管束布置列數(shù)的增加而減小;隨著滿液管排數(shù)增加,<的降幅變緩 ,當(dāng)滿液管排數(shù)增加到8時(shí),<隨降膜管束列數(shù)的變化不大.圖10所示<的變化趨勢(shì)與圖7的干斑面積變化趨勢(shì)相反,這說明<能夠反應(yīng)降膜蒸發(fā)器的換熱特性.在滿液管排數(shù)一定的工況下,隨著降膜管束布置列數(shù)增加,降膜管外的干斑面積越大,即<越小,降膜蒸發(fā)器的換熱特性越差.為了提高降膜蒸發(fā)器的換熱特性,應(yīng)盡量提高降膜管外液體的質(zhì)量流量與熱流密度的協(xié)同程度,即應(yīng)盡量增大<.圖10<隨降膜管束布置列數(shù)變化的情況Fig.10The uniform

22、ity factor of mass flow fielddistribution along falling film tube columns3結(jié)論(1降膜蒸發(fā)器的管束布置列數(shù)對(duì)蒸發(fā)器換熱特性影響較大,在總管數(shù)和滿液管數(shù)一定的情況下,減小降膜管束布置列數(shù),將有利于蒸發(fā)器換熱特性的提高.(2滿液管數(shù)對(duì)蒸發(fā)器具有一定的影響,當(dāng)滿液管數(shù)約占總管數(shù)的25%時(shí),蒸發(fā)器表現(xiàn)出最佳的換熱特性.(3所提出的質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子可以表征蒸發(fā)器的換熱特性,在滿液管排數(shù)一定的工況下,質(zhì)流場(chǎng)均勻性因子越大,則降膜管外干斑面積越小,蒸發(fā)器的換熱特性越好.(下轉(zhuǎn)第110頁501第1期楊麗,等:水平管降膜蒸發(fā)器的管束列數(shù)優(yōu)

23、化數(shù)值模擬110 上 海 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 44 卷 初始點(diǎn)所得定中結(jié)果和相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值 . 可以看 出 ,在第 1 個(gè)亮斑范圍內(nèi) ,隨著初始點(diǎn)不斷靠近中心 點(diǎn) ,目標(biāo)函數(shù)值逐漸減小 ,并最終通過搜索算法確定 了一個(gè)局部最小值點(diǎn) ,即無衍射光斑的中心點(diǎn) . 由此 可見 ,該算法具有較好的穩(wěn)定性 , 且定位精度達(dá)到 0. 1 個(gè)像素 . 3 ,王 ,譚玉山 . 基于圓擬合的激光光斑中心 孔 兵 昭 6 結(jié) 語 本文利用無衍射光斑徑向光強(qiáng)度分布符合第 1 類零階貝賽爾函數(shù)的平方特性 ,提出一種定中算法 . 以總的光強(qiáng)度差絕對(duì)值之和為目標(biāo)函數(shù) , 通過單純 形搜索算法 ,利用搜索目標(biāo)函數(shù)

24、的最小值點(diǎn)確定光 斑中心點(diǎn) . 同時(shí) ,進(jìn)一步優(yōu)化算法 , 只選取幾個(gè)圓環(huán) 代替全平面的圓環(huán)濾波來求取目標(biāo)函數(shù) , 實(shí)驗(yàn)分析 了該算法在不同噪聲水平下的定位精度和搜索時(shí) 間 . 結(jié)果表明 ,其定中平均時(shí)間小于 0. 21 s , 定位精 度達(dá)到 0. 1 個(gè)像素 . 該算法可用于類似無衍射光的 多個(gè)同心圓環(huán)狀光斑的中心定位 . 參考文獻(xiàn) : 1 Durnin J . Exact solutions fo r no ndiff racting beams : I. The scalar t heory J . Journal of the Optical Society of 2 周莉萍 ,趙

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