基于fluent的R1234yf套管式蒸发器模拟

华北理工大学学报(自然科学版)

)JournalofNorthChinaUniversitfScienceandTechnoloNaturalScienceEditionyogy(

Vol.40 No.2Ar.2018p

()文章编号:2095-2716201802-0018-12

基于fluent的R1234f套管式蒸发器模拟y

刘馨,王洪利,张率华,李华松

()华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063210

关键词:三相流模拟;套管式蒸发器R1234f;FLUENT;y

摘 要:基于FLUENT工程软件对新型制冷工质R1234f在套管式蒸发器中的相变换热过y程进行了模拟,得到了制冷剂沿管长流动方向气相体积率的分布,同时获得管内制冷剂与管外冷冻水换热温度云图和液相制冷剂分布云图,用F得到含气率的变化LUENT软件采集数据,趋势图。通过改变相关参数,得到平均换热系数随蒸发压力的变化趋势以及改变管径对含气率的影响。得到最佳为管径可从12mm的结论。中图分类号:TB66 文献标识码:A

制冷技术对环境的影响日渐受到人们的关注,制冷剂是制冷技术得以发展的基础,其发展是以环境保护为前提,为保证制冷技术的长足发展和实际应用,绿色环保制冷剂的开发迫在眉睫。蒸发器是制冷设备中的重要结构,75%的

[]统中的耗电量占总耗电量的5充分研究蒸发器内制冷剂的沸腾换热特性,可进一步提高该制0%1。因此,

损在这个环节,直接影响着系统的经济性以及能源利用率。据统计,制冷系统在空调系

冷剂在系统中的利用率以及适用性,为工程应用以及制冷设备的设计提供指导。新型环保制冷剂R1234fy

[]的低GWP与低O其在大气中的停留时间仅为1DP2使之成为目前替代常规制冷剂R134a的最佳选择,1[]天,而R有必要针对这种工质在蒸发134a的停留时间长达14年3。但是国内对于其研究尚处于起步阶段,4]

。采用套管式蒸发器模型,实际实验,可以加快开发进程,降低开发成本,大幅度节省时间与人力[基于

器中的换热状态进行研究与讨论。而F数值)实验,在此基础上再结合一定的LUENT可以进行大量虚拟(气相制冷剂以及水的三相换热过程进FLUENT工程软件对新型制冷剂R1234f在蒸发器内的液相制冷剂、y

行模拟。研究不同的工况对R1234f制冷剂在管内换热情况的影响。y

1蒸发器模型及模拟设置

1.1 物理模型

套管式蒸发器中每根换热管内的相变换热过程是类似的,即内管中的制冷剂与套管内的水通过对流的方式进行热交换,液相制冷剂达到蒸发温度后逐渐蒸发为气相制冷剂,由于重力作用气相逐渐从液相中分离,由泡状流过渡到环状流。为减少计算机负荷,故在本模拟中简化为单根套管的模型,对换热管内的沸腾换热以及传质过程进行模拟。使用F为提高LUENT前处理软件ICEM对换热管进行建模以及划分网格,内管直径为1套管直径为4管壁厚度为1mm。图1和图2所示为套管式蒸发器换热管的0.7,6mm,2mm,网格划分示意图。

收稿日期:2017-11-20 修回日期:2018-03-30

);)。基金项目:河北省自然科学基金(河北省教育厅基金项目(E2015209239QN2017126

网格的质量以及收敛情况,采用结构化网格对套管模型进行划分,网格数量约为2网格质量大于00万个,

等:基于f 第2期 刘馨,luent的R1234f套管式蒸发器模拟y19

图1 换热管横截面网格示意图

图2 换热管侧面网格示意图

1.2 求解条件设置

()基本方程1

)通用方程式(式是对制冷剂在换热管内沸腾换热过程的描述:1 式中:

//;为密度,km3;U为速度,msg上式中,当

为连续性方程;当

()混合模型方程2

为扩散系数;

/为流体的内热源,Wm3。

为能量方程。

()1

为动量方程;当

其中包括混合物的动量方程以及每相的能量方程。

混合模型的连续方程:

[]

由于制冷剂的相变过程中存在相间的贯穿,并且气相的体积分数最终超过1故选用混合模型。0%5,

是质量平均速度,其表达式为:

()2

20自然科学版) 华北理工大学学报( 第40卷

上式中

是混合密度,

剂液相与水的三相换热,源项较为复杂,故引入编写的UDF来定义此项的值。

混合模型的动量方程:

()3

是第k相的体积分数,是质量传递源项。由于本模拟是制冷剂气相,制冷

()4

上式中,n是相数,是体积力,

是混合粘性:

是第2相k的漂移速度:

混合模型的能量方程:

()5

()6

右边的第1项代表了由于传导引起的能量传递,SE包含了所有的体积热源。

()7()8

是有效热传导率,hk是第k相的显焓。

混合物能量方程的源项以及制冷剂液相向气相的传质均由UD再导入到FF宏命令编写,LUENT中运行。

1.3 边界条件设置

。饱和压力经过换算得到压力出口数值,其中Oeratinressure为101325PapgP

换热器套管制冷剂侧边界条件参数设置见表1,根据Fluent中压力设置规定将制冷剂蒸发温度对应的

等:基于f 第2期 刘馨,luent的R1234f套管式蒸发器模拟y

工况1234内管径/mm

68

外管径/mm

4242

21

压力出口/Pa120455120455

表1 制冷剂侧边界条件参数

263.15263.15

蒸发温度/K

(/)入口速度/ms

0.20.2

1216

1.4 初始条件设置

/,入口温度为2由于在实验室进行实验,故水侧出口压力采取生活用自 水侧入口速度为1ms98.15K,

。来水压,压力出口为38675Pa

设置液相制冷剂为主相、气相制冷剂为次相,水同为次相,在边界条件设置中对各个相所占百分比进行

划分即可。初始化后使用p套管区域内水的体积分数为1,温度的atch命令设置气相制冷剂体积分数为0,

[]-9

,初始化随工况改变进行设置。R见表2。工质1234f不同工况下的物性参数通过软件NIST计算得到6y密度与导热率随温度的变化趋势的计算结果见图3与图4。

263.15268.15273.15278.15283.15温度/K

压力/MPa0.221780.265630.315820.372920.43753

1207

12.55914.93117.720.74424.267

3)气体密度(/(/(//(/液体导热率/气体导热率/液体密度/WmK)WmK)kmkm3)gg

表2 工质R1234f热物性参数y

1191.81176.31160.41144

0.074930.07325

0.0108270.0112420.0116650.0120990.0124

(/)潜热/Jkg1694611637163294160019156601

0.0715920.0699530.068334

图3 密度随温度变化关系图4 导热率随温度变化关系

2结果与讨论

已有文献中均表明,沸腾换热是一种存在相变的传热过程,是对流换热与核态沸腾共存的传热方式,只

是两者由于流型的变化在换热过程中所占的比重不一样。通过Fluent模拟可得到套管式蒸发器中制冷剂与水对流换热的温度场、各相的分布情况以及换热量等数值,迭代10考虑到逆流00次计算结果趋于稳定,的换热效果优于顺流,故选取制冷剂与冷冻水逆流的工况。图5表示蒸发温度为263.15K模拟工况下的温升趋势,进出口温差先升高后降低,从入口到出口的沸腾换热过程中,由于内管外侧有流动的冷冻水加热,管壁温度高于制冷剂的温度,即管壁相较于制冷剂有一定的过热度,此时制冷剂为过冷沸腾状态,贴近管壁的制冷剂被加热,近壁处的温度要高于中心部分的温度,逐渐达到制冷剂的蒸发温度,并逐渐向中心扩散,越靠近管壁,温度梯度越大,故靠近制冷剂侧的水温降低更为明显。图6所示为蒸发温度为263.15K时套管蒸度云图,可知制冷剂的出口温度有轻微的升高,大约为3K,随着蒸发温度的升高制冷剂的出口温度呈现上

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发器局部温度云图,由图6可看到管壁处的温度分布。

图5 蒸发温度为263.15K时y=-0.004平面套管蒸发器温度云图

制冷剂温度稍低,靠近管壁的制冷剂温度稍高。温度变化呈环状分布,可能是由于在出口处制冷剂的流型为环状流。从F由于重力作用,使气液两相有分开流动的倾向,LUENT中得到的气相制冷剂云图可以看出,气泡从壁面的空穴中成核长大成气泡,最终脱离壁面进入主流,出口段出现环状流的明显界面,内壁气泡数量最多,引起了边界层的速度梯度扰度,加快了水与内壁间的沸腾换热,所以边界处的换热较强。

图7所示为蒸发温度为2由于重力作用,靠近管子底部的63.15K工况的出口温度云图。由图7可知,

图6 蒸发温度为263.15K时套管蒸发器局部温度云图(0.5~0.7m)

图7 蒸发温度为263.15K时蒸发器出口处温度分布

等:基于f 第2期 刘馨,luent的R1234f套管式蒸发器模拟y和液相制冷剂体积分数。

23

图8~图17所示分别内部换热管管径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm时与冷却水的换热情况

图8 内径为16mm蒸发器x=0.5m处温度分布

图9 内径为12mm时蒸发器x=0.5m处温度分布

图10 内径为10mm时蒸发器x=0.5m处温度分布

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图11 内径为8mm时蒸发器x=0.5m处温度分布

图12 内径为6mm时蒸发器x=0.5m处温度分布

图13 内径为16mm蒸发器x=0.5m处液相制冷剂分布

等:基于f 第2期 刘馨,luent的R1234f套管式蒸发器模拟y25

图14 内径为12mm蒸发器x=0.5m处液相制冷剂分布

图15 内径为10mm蒸发器x=0.5m处液相制冷剂分布

图16 内径为8mm蒸发器x=0.5m处液相制冷剂分布

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图17 内径为6mm蒸发器x=0.5m处液相制冷剂分布

图18所示为温度263.15K时顶部换热管液相制冷剂分布横截面图。图19所示为不同管内管径的顶部换热管的换热系数。

图18 263.15K时顶部换热管液相制冷剂分布截面图

图19 不同内管径的顶部换热管的换热系数

等:基于f 第2期 刘馨,luent的R1234f套管式蒸发器模拟y27

减小,换热管周围的温度逐渐减小,套管轴心处的温度同样逐渐减小;还可看出,小管径并不会得到理想的换热过程,大管径的换热明显优于小管径,但也并不是管径越大,换热面积越大,对蒸发器的工作越有益。通过液相制冷剂体积分数随管径的变化可以看出,虽然管径在增大的过程中,同一位置处的液相制冷剂体积分数是增大的,但是从内径8mm开始明显顶部的换热管的换热受到了底部2根换热管的抑制,换热管中的液相制冷剂体积分数低于底部2根管子。由图1当内管径为8mm时,顶部换热管的平均换热系数9可以看出,升高速率较大;当内管径增大到1换热系数最大,主要原因是管子的排布问题,正三角形的管束排2mm时,布方式流动阻力大,但是传热性能优于转三角形排布,重点就是管径的选取,管径的规定有国标,但是具体的选取还是要根据自己的设备进行计算或者模拟才能确定最佳方案。

图20所示为管内平均含气率随管长变化趋势。

由图8~图1由于内管管径的变化,在换热管同一位置处的温度分布是不同的,随着管径的7可以看出,

为在两相流中,所有的传递都被加速了,高于各自单相系统中的速率,气泡的逐渐增多增加了边界层的扰动,使边界层的速度梯度增加,加快了管壁处与水侧的换热,对流换热系数增大,从而加快了制冷剂的蒸发。另一方面,液相的粘性系数大于气相的粘性系数,在液相逐渐汽化为气相的过程中,流动的粘性阻力大大减小,由于重力作用气相主要分布在贴近壁面处,所以壁面处的速度梯度增大。随着含汽率的进一步增大,对流沸腾换热逐渐失去主导,气泡状沸腾换热成为主导,气泡的扰动作用降低,活性气穴基本不再增加,汽化速率增长变缓。

图21所示为蒸发压力与平均换热系数关系曲线。

,图2对应蒸发温度21模拟工况是蒸发压力为0.22~0.45MPa63.15~283.15K。通过对图21进行分

由图2达到蒸发温度后制冷剂开始逐渐蒸发成气态,并且汽化速率先呈增长趋势后减小,这是因0可知,

图20 管内平均含汽率随管长变化趋势

析可看出,平均换热系数随着蒸发压力的增加而增加,蒸发压力从0.37MPa开始蒸发压力对于换热系数的影响逐渐减弱,控制好蒸发压力更加有利用于管内的沸腾换热进行。定热流密度改变蒸发压力,蒸发温度会相应的发生改变,蒸发温度的改变则会使工质的热物性发生改变。蒸发温度升高时,工质的表面张力减小,

]10-11

。蒸发温度的升高即蒸发压力的升高对蒸发器的换热并不是蒸发时气泡的直径变小从而提高换热系数[

一直起到促进的作用,需要通过调节膨胀阀或者冷冻水的温度改变换热工况以达到最优。

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图21 蒸发压力与平均换热系数关系曲线

3结论

()制冷剂R换热系11234f在套管式蒸发器中逐渐由单相流换热过渡到通过液膜的两相强制对流传热,y数、含汽率、气泡数量沿流动方向逐渐增大。

()蒸发压力的升高使蒸发温度升高,平均换热系数也呈现升高的趋势,而蒸发温度对换热的影响主要2

是引起了工质热力学性质的改变,即随着蒸发温度的升高R1234f的导热率变大。优化蒸发器可以使液相y在管中的停留时间加长,起到加强换热的效果,通过模拟数据可以得知,在蒸发温度为2冷冻水温73.15K,()在换热过程中,顶部的换热管受到底部两根换热管的抑制,管径为1为了保证32mm时换热最理想,

内管径则需要通过计算模拟选取。3根换热管能同时达到最优工况,参考文献:

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度为298.15K时为三套管式换热器的最优工况。

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SimulationofDouble-tubeEvaoratorwithR1234fBasedonFLUENTpy

(,N,)ColleeofMetallurndEnerorthChinaUniversitfScienceandTechnoloTanshanHebei063210,Chinaggyagyyogyg

,WANGH,,LIUXinon-liZHANGShuai-huaLIHua-songg

:;;KeordsR1234fthreephaseflowsimulationFLUENT;double-tubeevaoratorypyw

:,AbstractBasedontheFLUENTsoftwarethenumericalsimulationofphase-chanineattransferinggh

double-tubeevaoratorwascarriedoutforR1234fwhichwasanewteofrefrierant.Thesimulatedpyypg

,showthevolumerateofgasrefrierantwhichflowalonhelenthdirectionatthesametimeobtainedggtg

thecolornehoramofheattransferdistributionongas-liuidtwo-haseflowintubes.ThrouhuseFLU-pgqpg

,ENTsoftwaretocollectdatagottherateofchaneofgascontent.Bhaninherelativeparametersgycggt

;simulatedtheinfluencelawsoftheevaoratinressureontheaveraeheattransfercoefficientthepgpg

influenceofpiediameterontherateofvaorcontent.Thesimulatedresultsshowthatthebestcaliberppcouldchoose12mm.