分液聯(lián)箱內(nèi)有機(jī)工質(zhì)氣液分離過程數(shù)值模擬及對比研究

李逸帆，黃錕騰，羅向龍，楊 智，陳健勇，梁穎宗，陳 穎

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

氣液分離技術(shù)是一種分離氣液兩相混合物的手段，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與家用設(shè)備中。近年來，許多學(xué)者對不同形式氣液分離的應(yīng)用作了大量研究，發(fā)現(xiàn)氣液分離技術(shù)有利于系統(tǒng)和設(shè)備性能的提升。Zhang等[1]提出了在冷凝器中加入U型氣液分離器，實驗表明冷凝器整體換熱系數(shù)能提高10%～20%。Li等[2]在制冷系統(tǒng)中對比了氣液分離冷凝器和原型冷凝器，發(fā)現(xiàn)在相同過熱度、過冷度和充注量的情況下，采用了氣液分離的系統(tǒng)制冷系數(shù)(Coefficient of Performance, COP)比原系統(tǒng)高6.6%。

“聯(lián)箱-隔板”結(jié)構(gòu)是一種新型的在冷凝器中實現(xiàn)氣液分離的形式，彭曉峰等[3-4]基于“分液冷凝”強(qiáng)化換熱的思路提出該結(jié)構(gòu)，特點在于把平行流冷凝器聯(lián)箱中的封閉隔板，更換為多孔結(jié)構(gòu)的隔板，將聯(lián)箱中的液相工質(zhì)排走，提高工質(zhì)進(jìn)入下一管程的干度，減少工質(zhì)與支管壁面的換熱熱阻，提高換熱系數(shù)。同時通過對各管程支管數(shù)的優(yōu)化，沿程逐漸減少管程的支管數(shù)，保持工質(zhì)流速基本穩(wěn)定，以實現(xiàn)換熱均勻及減小壓降。Chen等[5]結(jié)合家用空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計了空冷式分液冷凝器，換熱面積是原冷凝器的73.1%，在獲得相同制冷量和能效比的條件下，采用分液冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)比原系統(tǒng)充注量減少了20%。研究表明在有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle, ORC)[6]和制冷系統(tǒng)[7]中該結(jié)構(gòu)能提升系統(tǒng)性能。

對于工質(zhì)的氣液分離過程，已有學(xué)者通過不同方式進(jìn)行了研究。Su等[11]探究了T型管的分離特性，在實驗中發(fā)現(xiàn)難以直接測量干度，只能通過能量平衡關(guān)系來確定干度。而很多研究通過數(shù)值模擬方法揭示了氣液分離過程的機(jī)理問題。Cao等[12]提出了將網(wǎng)孔圓柱懸浮于管中的流場調(diào)度概念，通過數(shù)值模擬揭示了其換熱強(qiáng)化的主要原因，并找到換熱惡化的特征長度。Lu等[13]模擬了T型管的分離過程，發(fā)現(xiàn)在連接處出現(xiàn)了與實驗現(xiàn)象相符的旋渦，并揭示了該現(xiàn)象發(fā)生是由壓力差引起的。Zheng等[14]基于數(shù)值模擬研究了板式分離器在不同工況下的壓降和分離性能，結(jié)果表明分離主要發(fā)生在第一流程，提高到一定的蒸汽流速后由于夾帶效應(yīng)會使分液效率降低。因此通過數(shù)值模擬方法能夠有效研究工質(zhì)的氣液分離過程。

綜上所述，本文所研究的“聯(lián)箱-隔板”氣液分離結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)具有提升性能的作用，但由于對不同工質(zhì)氣液分離過程的認(rèn)識不足，無法得知工質(zhì)物性是如何影響氣液分離過程。本文將基于VOF多相流模型，對不同工質(zhì)在分液聯(lián)箱內(nèi)的氣液分離過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以獲得不同工質(zhì)的氣液分離流動形態(tài)，進(jìn)一步分析不同物性對氣液分離的影響。

1 研究方法

1.1 物理模型與邊界條件

平行流分液冷凝器中每個管程有多根支管，支管數(shù)隨著管程的增加而逐漸減少，工質(zhì)最后全部進(jìn)入蛇形管的過冷區(qū)。本文研究的是工質(zhì)物性對氣液分離過程的影響，只需要控制工質(zhì)進(jìn)入聯(lián)箱的工況，因此本文采用單進(jìn)出口支管的分液聯(lián)箱。物理模型及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。Chen等[15]對分液冷凝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過熱力學(xué)計算得到性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行了實驗驗證，圖1中參數(shù)參考實驗中的分液冷凝器結(jié)構(gòu)而確定。另外圖1中，分液孔下方連接的結(jié)構(gòu)是下一段聯(lián)箱的一部分，加入這一部分以延長計算域，使工質(zhì)經(jīng)過分液孔流出的時候在分液孔下截面處受力平衡，流動狀態(tài)更合理，可以避免由于工質(zhì)在出口的流動不合理而影響到上方計算域的結(jié)果。

圖1 分液聯(lián)箱物理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid-separation header

本文研究有機(jī)工質(zhì)氣液分離過程的影響，對常用工質(zhì)R134a、R123、R245fa、R365mfc，以及新型且被廣泛研究的環(huán)保工質(zhì)R1234yf和R1234ze(E)[16-17]進(jìn)行模擬研究。對比的基準(zhǔn)工況：進(jìn)口流量3 g/s，干度0.55，冷凝溫度45℃。工質(zhì)物性如表1所示。冷凝過程中從過熱區(qū)到過冷區(qū)會發(fā)生多種不同的流型轉(zhuǎn)變，其中環(huán)狀流的區(qū)域能夠高效換熱，因此本文研究環(huán)狀流為進(jìn)口流型的情況?；贓l Hajal等[18]修正的模型，給定進(jìn)口質(zhì)量流量，可以得到氣液兩相的入口流速，通過用戶自定義函數(shù)將入口工況編譯進(jìn)求解器中，能夠?qū)崿F(xiàn)將入口條件定義為環(huán)形流。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文研究環(huán)狀流作為入口流型的情況，環(huán)狀流的特點是氣液兩相分離，具有明顯的相界面，因此適合采用VOF多相流模型。各相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程：

表1 工質(zhì)物性Table 1 Physical properties of working fluid

式(1)中α是體積分?jǐn)?shù)，ρ為密度， u為流速，q表示指定的某一相。在計算的單元格內(nèi)各相的體積分?jǐn)?shù)之和為1，

式(2)中下標(biāo)l和v分別表示液相和氣相。由于VOF模型中忽略各相之間的速度差，因此計算單元格只求解一組動量方程。動量方程：

深化縱向聯(lián)動。建立市、縣兩級環(huán)保部門派駐機(jī)構(gòu)交流協(xié)作、業(yè)務(wù)指導(dǎo)機(jī)制，共同提高監(jiān)督能力和水平。市、縣級巡察機(jī)構(gòu)把推進(jìn)污染防治攻堅戰(zhàn)作為巡察重點內(nèi)容，把肩負(fù)環(huán)保重點任務(wù)的部門和地區(qū)作為優(yōu)先巡察對象，著力糾正偏差。同時，依托村居紀(jì)檢委員，在部分地區(qū)探索打造流動“環(huán)保監(jiān)測站”，時刻探查污染防治死角盲區(qū)及污染防治工作中不作為、亂作為的現(xiàn)象，全面打通污染防治監(jiān)督“最后一百米”。

式中p，g， Fσ， μeあ分別表示壓力、重力加速度、表面張力源項和黏度系數(shù)。表面張力是影響氣液分離過程中工質(zhì)在分液孔內(nèi)流動的重要受力，VOF模型中表面張力的計算采用了連續(xù)表面張力模型，動量方程中表面張力源項 Fσ的表達(dá)式為

其中σ為表面張力系數(shù)。曲率k表達(dá)式為

1.3 模型驗證與網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為保證上述建立的模型對本文研究問題在求解上的準(zhǔn)確度，參考Chen等[19]的可視化實驗，構(gòu)建了與文獻(xiàn)中相同的物理模型，模擬水-空氣在不同進(jìn)口干度下的氣液分離過程，結(jié)果如圖2所示。漏液量(即分液孔的質(zhì)量流量)模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)之間平均誤差為9.13%，表明上述所建立的模型能夠準(zhǔn)確求解氣液分離過程。

本文對物理模型劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為避免求解結(jié)果受到網(wǎng)格數(shù)量的干擾，分別劃分了5個網(wǎng)格數(shù)不同的模型，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。如圖3所示，將網(wǎng)格數(shù)為1.01×106時漏液量與網(wǎng)格數(shù)為1.25×106和1.44×106時對比，平均誤差為1.63%，綜合考慮求解準(zhǔn)確性和計算成本，本文所求解的案例劃分網(wǎng)格數(shù)均為1.01×106。

圖2 不同進(jìn)口干度下分液孔的漏液量Fig.2 The mass flow rate of liquid leakage from liquid-separation hole at different inlet vapor quality

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下的分液孔漏液量Fig.3 The mass flow rate of liquid from liquid-separation hole under different mesh number

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用分液效率η來評價氣液分離過程效果，分液效率表達(dá)式為

其中qi,l和ql分別表示分液孔漏液量和入口的液相質(zhì)量流量，分液效率越高，進(jìn)入出口支管的液相就越少，即提高下一管程工質(zhì)的干度，下一管程換熱效率越高。

溢出率是出口支管和進(jìn)口支管的液相質(zhì)量流量之比，溢出率與分液效率之和應(yīng)為1。漏氣率是分液孔和進(jìn)口支管的氣相質(zhì)量流量之比，用以評價分液孔中是否出現(xiàn)氣相擊穿的情況。

分液孔壓差是指分液孔上下截面的壓力差，作為工質(zhì)經(jīng)過分液孔的主要動力。液封壓力指分液孔上方穩(wěn)定形成液封時液封上下截面的壓力差，受液封高度和工質(zhì)慣性力的影響，無液封時則不存在液封壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣液分離狀態(tài)的區(qū)分

在分液聯(lián)箱中氣液分離可以分為3種不同狀態(tài)：(1) 有效分液。液相工質(zhì)在聯(lián)箱底部堆積，形成穩(wěn)定的液封，阻擋氣相從分液孔流出，使氣相流向出口支管。同時液封高度必須低于出口支管下壁面以防止液相從出口支管流出導(dǎo)致分液效率下降。(2) 液相溢出。當(dāng)分液孔漏液量一直低于進(jìn)入聯(lián)箱底部的液相工質(zhì)流量，液封會在聯(lián)箱底部逐漸堆積，直至液封到達(dá)出口支管下壁面，大量液相從出口支管流出，造成下一管程的干度降低，傳熱惡化的情況不能得到明顯改善。(3) 氣相擊穿。當(dāng)分液孔漏液量大于進(jìn)入聯(lián)箱的液相工質(zhì)流量，在分液孔上方無法形成穩(wěn)定的液封，雖然分液效率很高，但是有氣相工質(zhì)從分液孔流出，對于冷凝器來說這種情況會降低換熱效率。

2.2 不同工質(zhì)的氣液分離狀態(tài)

本文研究的基準(zhǔn)對比工況為質(zhì)量流量3 g/s，進(jìn)口干度0.55，飽和溫度45 ℃，由于工質(zhì)物性不同，會導(dǎo)致氣液兩相的流速以及環(huán)狀流液膜厚度產(chǎn)生很大差別，因而不同工質(zhì)的流動形態(tài)完全不同。液氣密度比較大的3種工質(zhì)分別為R365mfc、R123和R245fa，如圖4所示，該3種工質(zhì)分液效率隨液氣密度比減小而增大，且分液效率均低于30%，甚至R365mfc低至7.6%。從圖5(a)中R245fa的流場相圖可以看出，在分液孔上方基本沒有液相的堆積，無穩(wěn)定存在的液封，因此其氣液分離狀態(tài)是處于氣相擊穿的狀態(tài)。由于R245fa液氣密度比達(dá)到78，在相同的質(zhì)量流量和干度下，與其他工質(zhì)相比氣相的流速遠(yuǎn)高于液相流速(6.27 m/s與0.85 m/s)。在進(jìn)口支管中可以看出靠近進(jìn)口段的環(huán)狀液膜隨著在管中的流動，受高流速的氣相的擾動影響形成了液滴。而高流速的氣相同時對液滴具有很強(qiáng)的夾帶效應(yīng)，夾帶大量液滴由出口支管流出，造成了該工質(zhì)在所研究工況下分液效率低而溢出效率高的現(xiàn)象。對于另外兩種工質(zhì)R365mfc和R123液氣密度比更大，分別為171和125，其分液效率低的原因也與R245fa的相同。若要提高處于氣相擊穿狀態(tài)3種工質(zhì)的分液效率，在工況的調(diào)節(jié)上，需降低進(jìn)口流量和干度以弱化夾帶效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上可以減小分液孔直徑和增大聯(lián)箱底部到出口支管下壁面的高度。

圖4 不同工質(zhì)的氣液分離特性Fig.4 Liquid-vapor separation characteristics of different working fluid

圖5 不同工質(zhì)流場中氣液兩相的分布Fig.5 Liquid-vapor distribution in the flow field

如圖4所示，當(dāng)液氣密度比降低為20左右，分液效率達(dá)到峰值，R134a和R1234ze(E)的分液效率很接近，分別為74.8%和71.3%。R134a和R1234ze(E)的流場相圖圖5(b)～(c)所示，液相工質(zhì)在聯(lián)箱底部堆積，形成了穩(wěn)定的液封，阻擋氣相從分液孔流出。同時液封高度低于出口支管下壁面，避免了大量液相從出口支管流出導(dǎo)致分液效率下降，所以工質(zhì)R134a和R1234ze(E)的氣液分離狀態(tài)是有效分液，漏氣率接近于0%。由于這兩種工質(zhì)液氣密度比較小，氣液兩相流速差小于工質(zhì)R365mfc、R123和R245fa，氣相對液相無明顯的夾帶效應(yīng)，液相受慣性力作用基本都落在聯(lián)箱底部，因此分液效率較高?；谀壳皩べ|(zhì)的環(huán)境性能要求，工質(zhì)R1234ze(E)的環(huán)境性能指標(biāo)臭氧減耗潛能值和全球變暖潛能值都在10以下，且與R134a的氣液分離性能相近，故R1234ze(E)在該結(jié)構(gòu)和工況下對R134a具有很好的替代性。

如圖4所示，液氣密度比最小的工質(zhì)反而分液效率出現(xiàn)了下降，該工質(zhì)是密度比為15的R1234yf。分析R1234yf流場相圖(圖5(d))發(fā)現(xiàn)液封堆積至出口支管下壁面，大量液相從出口支管溢出，造成分液效率的下降，該工質(zhì)的氣液分離狀態(tài)處于液相溢出狀態(tài)，漏氣率接近于0%。液封受聯(lián)箱底部至出口支管下壁面的高度(即儲液能力)影響，若該高度增大，液封可以繼續(xù)堆積至達(dá)到穩(wěn)定，避免液相由出口支管流出，從而提高分液效率。

由于本文研究6種工質(zhì)的氣液分離分別處于3種狀態(tài)之中，如圖6所示，液封壓力只出現(xiàn)在3種工質(zhì)中，分別是處于有效分液的工質(zhì)R134a和R1234ze(E)以及液相溢出的工質(zhì)R1234yf，壓力值在64.4 ～ 82.5 Pa之間之間，另外3種工質(zhì)由于無穩(wěn)定的液封因而不存在液封壓力。分液孔壓差隨著液氣密度比的增加而增加，即氣相流速較大在分液孔處發(fā)生的壓力變化就越大，最大值是工質(zhì)R365mfc的520.2 Pa。而存在穩(wěn)定液封的3個工質(zhì)中，分液孔壓差基本不變，在230 Pa附近。因為各工質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量流量相等，由式(6)可知，漏液量變化規(guī)律與分液效率變化規(guī)律完全一致。

圖6 不同工質(zhì)的壓力、漏液量對比Fig.6 Comparison of the pressure and the mass flow rate of liquid leakage from liquid-separation hole between different working fluid

2.3 不同工質(zhì)的沿程流動特性

如圖7所示，以圖1所作O點為坐標(biāo)軸零點，聯(lián)箱底部指向聯(lián)箱頂部的方向為Y軸正方向，其中vy為工質(zhì)流速的Y方向分量。Y方向39.5 mm以上為進(jìn)口支管上壁面至聯(lián)箱頂部的區(qū)域，該區(qū)域各工質(zhì)Y方向流速基本相等。Y方向11.5～39.5 mm區(qū)間內(nèi)是進(jìn)口支管上壁面與出口支管下壁面之間的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)各工質(zhì)存在很大的Y方向流速差異，R365mfc的Y方向流速最大值達(dá)到2.22 m/s，最小的是R1234yf的-0.25 m/s。上文2.2中分析發(fā)現(xiàn)液氣密度比大的工質(zhì)，氣相流速較大，因此在此區(qū)域內(nèi)各工質(zhì)的Y方向流速差異是由進(jìn)口流速引起的。同時在此區(qū)域內(nèi)，Y方向流速呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，是由于進(jìn)出口支管與聯(lián)箱垂直，從進(jìn)口支管進(jìn)入聯(lián)箱和從聯(lián)箱進(jìn)入出口支管的過程中速度更多分給X與Z方向。Y方向11.5 mm以下是出口支管下壁面至聯(lián)箱底部的區(qū)域，處于氣相擊穿狀態(tài)的工質(zhì)由于沒有液封的阻擋，在此區(qū)域內(nèi)Y方向流速再次升高。最左邊的點在Y方向為-2 mm處，是分液孔的下截面，分液孔直徑遠(yuǎn)小于聯(lián)箱直徑，工質(zhì)流經(jīng)突縮管，質(zhì)量流量降低但流速明顯增大，氣相擊穿狀態(tài)下的3種工質(zhì)(R365mfc、R123、R245fa)在此處Y方向流速由大到小分別為-7.66，-3.93和-2.17 m/s。而另外3種工質(zhì)此處Y方向流速穩(wěn)定在0.55 m/s左右。

圖7 不同工質(zhì)隨聯(lián)箱內(nèi)Y方向變化的截面平均流速vyFig.7 The average cross section velocity vy of different working fluid varies with the Y direction of the header

如圖8所示，該圖沿程所取的截面位置與圖7一致。處于氣相擊穿狀態(tài)的3種工質(zhì)在聯(lián)箱中沿程壓力存在波動變化且壓力值較高。而能形成穩(wěn)定液封的3種工質(zhì)聯(lián)箱中沿程壓力相對穩(wěn)定，根據(jù)液膜高度的不同，由不同位置開始出現(xiàn)壓力的上升。最左邊點Y方向為-2 mm處所有工質(zhì)壓力都出現(xiàn)突降，所降低的壓力就等于分液孔壓差。

3 結(jié)論

圖8 不同工質(zhì)隨聯(lián)箱內(nèi)Y方向變化的截面平均壓力Fig.8 The average cross section pressure of different working fluid varies with the Y direction of the header

基于VOF多相流模型的數(shù)值模擬方法，研究了在進(jìn)口流量3 g/s，干度0.55，冷凝溫度45 ℃的工況下，分液聯(lián)箱內(nèi)6種工質(zhì)(R123、R245fa、R365mfc、R134a和R1234ze(E)、R1234yf)對氣液分離過程的影響，得出以下結(jié)論。

(1) 在分液聯(lián)箱中，不同工質(zhì)的氣液分液過程出現(xiàn)不同的氣液分離狀態(tài)。R123、R245fa和R365mfc處于氣相擊穿狀態(tài)，R134a和R1234ze(E)為有效分液的狀態(tài)，而R1234yf為液相溢出狀態(tài)。

(2) R134a的分液效率最高，達(dá)到74.8%。R1234ze(E)分液效率與R134a最接近，為71.3%。這兩種工質(zhì)在氣液分離狀態(tài)和沿程流動特性上都非常相近，基于目前對工質(zhì)環(huán)保性能的要求，在所研究工況和結(jié)構(gòu)下，R1234ze(E)對R134a具有良好的可替代性。

(3) 對于處在氣相擊穿狀態(tài)下的3種工質(zhì)(R123、R245fa、R365mfc)，若要提高分液效率，在工況上，需降低進(jìn)口流量和干度以弱化夾帶效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上需減小分液孔直徑和增大聯(lián)箱底部到出口支管下壁面的高度。

(4) 對于處在液相溢出狀態(tài)下的工質(zhì)R1234yf，若要提高分液效率，需要增大聯(lián)箱底部到出口支管下壁面的高度。