兩相流板翅式換熱器入口分配特性的實(shí)驗(yàn)研究

1、第38卷第3期2004年3月西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)J OU RNAL OF XIAN J IAO TON G UN IV ERSIT YVol.383Mar.2004兩相流板翅式換熱器入口分配特性的實(shí)驗(yàn)研究許箐,厲彥忠,張哲(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安摘要:實(shí)驗(yàn)研究了板翅式換熱器入口兩相流分配不均勻性問(wèn)題.結(jié)果表明:兩相流在換熱器入口截面上的分配不均勻主要體現(xiàn)在液相上,其中又以橫向不均勻?yàn)橹?氣體雷諾數(shù)及干度對(duì)兩相流的分配特性有很大的影響;對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布情況,氣相與液相的分配不均勻度均隨著氣體雷諾數(shù)的增大而增大,液相的不均勻度隨著干度的增大而增大,氣相的不均勻度隨

2、著干度的增大而減小;氣體雷諾數(shù)的變化主要影響液相在橫向上的分配特性,干度的變化主要影響液相在縱向上的分配特性.關(guān)鍵詞:板翅式換熱器;兩相流;流體分配中圖分類號(hào):TH17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-987X(200403-0243-04Experimental Study on Two2Phase Flow Maldistribution at the Entrance ofPlate2Fin H eat ExchangersX u Qi ng,L i Y anz hong,Zhang Zhe(School of Energy and Power Engineering,Xian Jiao

3、tong University,Xian710049,ChinaAbstract:Two2phase flow distribution in the entrance of plate2fin heat exchangers was experimentally studied. It is found that gas Re and dryness are the main factors affecting two2phase flow distribution.A parameter of di2 mensionless velocity deviation is defined to

4、 describe maldistribution in two orthogonal directions.The results in2 dicate that the liquid flow nonuniformity is more apparent than that of gas and the flow maldistribution in cross2 wise direction is more violent than that in the ordinate direction.The flow maldistribution of both gas and liquid

5、 components increase with the increase of gas flow Re.The gas flow maldistribution decreases with the inlet dry2 ness increasing,but the liquid flow maldistribution increases simultaneously.It is also found that the liquid flow profile in the crosswise direction is strongly affected by the variation

6、 of gas flow Re and that in ordinate direction is mainly affected by the two2phase flow dryness.K eyw ords:plate2f i n heat exchanger;t w o2phase f low;f low dist ribution板翅式換熱器的傳熱效率高,輕巧緊湊,在航空、化工、空氣分離、暖通空調(diào)等領(lǐng)域均已得到廣泛的應(yīng)用.由于換熱器的安裝制造、導(dǎo)流片及封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流動(dòng)工況的變化等均可引起其內(nèi)部物流分配不均勻,從而造成換熱器效能下降1.Mueller等人2通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算發(fā)現(xiàn):

7、入口物流/溫度分布不均勻是引起緊湊式換熱器效能下降的重要因素.Ranganayakulu等人3通過(guò)改進(jìn)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)換熱器兩側(cè)物流分配不均勻的情況進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明:換熱器的效能隨著入口速度分配均勻性的改善而增大;對(duì)于分配很不均勻的流型,可使換熱器效能下降達(dá)到30%.對(duì)兩相流換熱器而言,流體不均勻分配對(duì)換熱效能的影響更大,特別是對(duì)要求小溫差工作的高效低溫?fù)Q熱器,較小的流體不均勻分配,將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效能的嚴(yán)重惡化,甚至影響換熱器的機(jī)械性能4.對(duì)于兩相流不均勻分配, Mueller等人2指出:當(dāng)兩相流干度變化時(shí),可能導(dǎo)致兩相流壓降變化,造成兩相流在流道中分配不均收稿日期:2003-09-0

8、1.作者簡(jiǎn)介:許箐(1978,男,碩士生;厲彥忠(聯(lián)系人,男,教授,博士生導(dǎo)師.基金項(xiàng)目:西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文基金資助項(xiàng)目(DFX J TU2002-12;全國(guó)首屆優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(199933.勻;流體不穩(wěn)定密度波也能造成液體在換熱器內(nèi)部的喘振.文獻(xiàn)5對(duì)板翅式換熱器兩相流不均勻特性進(jìn)行了理論分析及數(shù)值計(jì)算.這些研究工作都可歸于理論方面,而對(duì)兩相流分配特性的實(shí)驗(yàn)研究,就不如單相流動(dòng)研究進(jìn)行得全面.本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪菫榱颂剿鲀上嗔鞯姆峙涮匦砸约皻怏w雷諾數(shù)(Re 、干度對(duì)其的影響.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及內(nèi)容實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行氣相、液相、氣液兩相的不均勻分配特性研究.

9、本文研究了空氣、空氣/水混合物的不均勻分配特性.各通路循環(huán)由如下環(huán)節(jié)組成:空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后通過(guò)穩(wěn)壓器、過(guò)濾器、渦輪流量計(jì)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng);水經(jīng)過(guò)水泵后通過(guò)穩(wěn)壓器、過(guò)濾器、渦輪流量計(jì)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng);空氣和水混合后進(jìn)入試件,流經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)箱后分單股進(jìn)入氣液分離器,進(jìn)行分相測(cè)量.數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分:硬件部分由計(jì)算機(jī)、壓力傳感器、壓差傳感器、渦輪流量計(jì)以及數(shù)據(jù)采集板組成;軟件系統(tǒng)由采集程序及數(shù)據(jù)處理程序組成.由于板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),要對(duì)每一個(gè)微型流道(passage 內(nèi)的流量進(jìn)行測(cè)量是不可能的.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小流量的精確測(cè)量和進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,將試件的流體流通截面劃分為30個(gè)子區(qū)域,如圖

10、2所示.將每個(gè)子區(qū)域作為一個(gè)流體均勻分配的通道(channel ,對(duì)每個(gè)通道的流量引出測(cè)量,從而獲得流體經(jīng)過(guò)封頭及導(dǎo)流片之后在換熱器截面上的速度分布分配特性.文獻(xiàn)6,7的研究表明:單相流體在換熱器入口截面的縱、橫方向上均存在著速度分配不均勻;封頭結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能對(duì)于單相流體不均勻分配的影響體現(xiàn)在換熱器截面的不同方向上.為了比較分析方便,將流體在流通截面上的二維分布分解為縱向(總管的流動(dòng)方向和橫向(垂直于總管的流動(dòng)方向的2個(gè)一維流動(dòng)來(lái)研究.在兩相流動(dòng)中,板翅式換熱器每層流道中的單個(gè)通道可以看作是直徑很小的圓管,類似于垂直上升管內(nèi)的兩相流動(dòng).在較小的液體質(zhì)量流量時(shí),板翅式換熱器的內(nèi)部流動(dòng)存在

11、3種形態(tài):環(huán)狀流、攪拌流和塞狀流.不論是在圓管內(nèi)還是在板翅式換熱器中,流型的轉(zhuǎn)換都只依賴于液體的質(zhì)量流量8.為了研究?jī)上嗔髟诎宄崾綋Q熱器入口段的分配特性,進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn):在保持流體質(zhì)量干度不變的條件下,研究了不同氣體Re 對(duì)流體分配的影響;在保持氣體流量不變的條件下,研究了不同干度對(duì)流體分配的影響.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論為了分析流體在流通截面上的橫向與縱向分配不均勻性,將30路通道流量的測(cè)量值根據(jù)下式進(jìn)行處理,得到流體在橫向及縱向上的平均速度:橫向v i =(Q 5i -4+Q 5i -3+Q 5i -2+Q 5i -1+Q 5i /5A (i =1,2,3,4,5,6(1縱向v i =(Q

12、i +Q i +5+Q i +10+Q i +15+Q i +20+Q i +25/6A(i =1,2,3,4,5(2式中:Q i 為各通道的體積流量;A 為圖2所示的通道面積.為了對(duì)比分析方便,用速度偏差u 來(lái)表征橫、縱方向上的速度分布.在橫向上,u i =(v i -v ave /v ave ,在縱向上,u i =(v i -v ave /v ave ,其中v ave=130A30i =1Qi,為截面的平均速度.u 、u 的離散情況可以反映流體在整個(gè)入口流通截面上的分配均勻程度,數(shù)值越大表明分配就越不均勻.2.1流量變化對(duì)兩相流不均勻性的影響通過(guò)同時(shí)改變氣體及液體流量保持兩相流質(zhì)量干度為1

13、8%,得到不同的氣體Re 下兩相流在換熱器橫截面上的分布,如圖3、圖4所示.從圖中可以看出以下特點(diǎn).對(duì)于氣相分配,在橫向上,隨著氣體Re 的增大, 由于速度峰值出現(xiàn)的位置不同造成圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖442西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷 圖2 通道排列(a 液相(b 氣相圖3不同氣體Re 下u 沿橫向分布流動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化,從而使不均勻度增大;在縱向上,隨著氣體Re 的增大,速度峰值減小使得不均勻度減小;由于橫向不均勻度大于縱向,對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布而言,不均勻度隨著氣體Re 的增大而增大.對(duì)于液相分配,在橫向上,隨著氣體Re 的增大,不均勻度增大,最大速度偏差出現(xiàn)的位置逐漸向后移動(dòng);在縱向上,隨著氣體

14、Re 的增大,不均勻度增大,最大速度偏差出現(xiàn)的位置逐漸向前移動(dòng);對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布而言,不均勻度隨著氣體Re 的增大而增大.2.2干度變化對(duì)兩相流不均勻性的影響在氣體流量保持不變、Re =2600的情況下,通 過(guò)改變液體流量得到不同干度下兩相流體在換熱器(a 液相(b 氣相圖4不同氣體Re 下u 沿縱向分布橫截面上的分布情況,如圖5、圖6所示.從圖中可以看出以下特點(diǎn).對(duì)于氣相分配,在橫向上,隨著干度的增大,速度峰值逐漸減小,流動(dòng)趨于平緩,不均勻度減小;在縱向上,由于干度變化的影響,造成了流動(dòng)形態(tài)的變化,但不均勻度變化不大;從總體上看,橫向不均勻度大于縱向,因而對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布

15、而言,不均勻度隨著干度增大而減小.對(duì)于液相分配,在橫向上,當(dāng)干度增大時(shí),速度分配特性基本不變,表現(xiàn)出了較好的對(duì)稱性,不均勻度變化較小;在縱向上,隨著干度增大,不均勻度增大,最大速度偏差出現(xiàn)的位置逐漸向后移動(dòng),速度分配也有較大的變化,且有出現(xiàn)2個(gè)峰值的趨勢(shì);對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布而言,雖然橫向分配不均勻?yàn)橹饕绊?但由于縱向不均勻度變化更加顯著,不均勻度隨著干度的增大而增大.對(duì)比圖3圖6可以看出,兩相流動(dòng)中的液相和氣相,在橫向位置上的速度偏差均大于縱向.在不同的方向上,兩相流體的分配又有以下特點(diǎn):在橫向上,液相的速度偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣相,其最大速度偏差為氣相的7倍;在縱向上,液相的最大速度偏差僅

16、為氣相的115410倍,差異明顯減小.由此可知,兩相542第3期許箐,等:兩相流板翅式換熱器入口分配特性的實(shí)驗(yàn)研究 (a 液相(b 氣相圖5不同干度下u 沿橫向分布(a 液相(b 氣相圖6不同干度下u 沿縱向分布流在換熱器入口截面上的分配不均勻主要體現(xiàn)在液相上,其中又以橫向不均勻?yàn)橹?對(duì)比圖3a 、圖4a 、圖5a 、圖6a 還可以發(fā)現(xiàn),氣體Re 的變化主要影響液相在橫向上的分配特性;干度的變化主要影響液相在縱向上的分配特性.由于封頭結(jié)構(gòu)主要影響橫向分配而導(dǎo)流片型式主要影響縱向分配,研究結(jié)果對(duì)兩相流板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義.3結(jié)論(1由于板翅式換熱器入口段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),兩相流在其內(nèi)部的流

17、動(dòng)中存在著速度的不均勻分配.實(shí)驗(yàn)研究表明,液相不均勻度大于氣相,橫向不均勻度大于縱向.兩相流在換熱器入口截面上的分配不均勻主要體現(xiàn)在液相上,其中又以橫向不均勻?yàn)橹?(2氣體Re 及干度對(duì)于兩相流的分配特性具有很大的影響.對(duì)于整個(gè)橫截面上的二維分布而言,氣相與液相的分配不均勻度均隨著氣體Re 的增大而增大,液相的不均勻度隨著干度的增大而增大,氣相的不均勻度隨著干度的增大而減小.(3氣體Re 的變化主要影響液相在橫向上的分配特性;干度的變化主要影響液相在縱向上的分配特性.由于封頭結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片型式分別影響橫向及縱向分配,可以根據(jù)實(shí)際情況的需要有針對(duì)性的改進(jìn)板翅式換熱器的入口段結(jié)構(gòu)參數(shù).參考文獻(xiàn):1K

18、 ays W M ,London A L.Com pact heat exchangersM .3rd ed.New Y ork :Mc Graw Hill ,1984.2Mueller A C ,Chiou J P.Review of various types of flowmaldistribution in heat exchangers J .Heat Transfer Engineering ,1988,9(2:3650.3Ranganayakulu C ,Seetharmu K N.The combined ef 2fects of longitudinal heat conduction flow nonuniformity and temp