R22、R410A和R290在水平圓管內(nèi)冷凝數(shù)值模擬

尚少文,榮來譽(yù),朱 晨,錢 浩

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司杭州分公司,浙江 杭州 310000)

制冷劑R22對環(huán)境的危害非常大,各國專家都試圖尋找可以用來替代R22的制冷劑。在歐美等國家,以R410A、R290等制冷劑為實(shí)驗(yàn)對象,分析得出制冷劑R410A具有較好的傳熱性以及較小的壓力損失,制冷劑R290 具有良好的環(huán)境性能和熱物性[1-2]。此外,實(shí)驗(yàn)對比水平螺紋管和水平強(qiáng)化漣漪管與光滑管的冷凝換熱特性和壓降情況[3-4]。梁賓等[5]從多個方面對制冷劑R410A、R290和R32進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果表明這些制冷劑適合做R22的替代制冷劑。肖航[6]實(shí)驗(yàn)研究了R290、R1234ze和R22壓降和換熱性能,結(jié)果表明壓降及換熱性能均與質(zhì)量流率及干度成正比,與飽和溫度成反比。張會勇等[7]實(shí)驗(yàn)研究制冷劑R410A和R22質(zhì)量流速和干度的影響,結(jié)果表明在較高干度和較高質(zhì)量流速時R22的壓降大于R410A。劉建等[8]以制冷劑R410A和R22為研究對象,對比實(shí)驗(yàn)測試和仿真模擬,結(jié)果表明通過7.0 mm強(qiáng)化管R410A比通過9.52 mm強(qiáng)化管R22所提高的蒸發(fā)冷凝換熱量高。鄒思凱[9]實(shí)驗(yàn)研究了制冷劑R290在水平管內(nèi)的不同影響因素下冷凝換熱特性,實(shí)驗(yàn)表明制冷劑R290冷凝換熱系數(shù)會受到質(zhì)量流量、干度、熱流密度、管徑的影響。J.R.Thome等[10]通過對兩相流沸騰和冷凝的仿真模擬,得到了適用于環(huán)狀流的統(tǒng)一模型。B.C.Nguyen等[11]研究了R32、CO2和R290在微通道中的傳熱系數(shù),對比分析了傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量和熱流量的變化情況。此外,許多學(xué)者對其他制冷劑在各種換熱器中的冷凝換熱情況進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[13-22]。制冷劑冷凝換熱的效果受很多種影響因素的影響,筆者分析了各影響因素對水平管內(nèi)的凝結(jié)換熱和壓降情況的影響。

1 建立模型

近壁區(qū)的流體流動情況和中心氣核部分的流動情況都對換熱效果有影響,所以筆者建立的湍流模型仿真模擬選用SSTk-ω模型,多相流模型選擇VOF模型,VOF模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于兩相流流動過程的模擬,在該模型中計(jì)算單元中,各相的體積分?jǐn)?shù)總和為1,即氣相和液相的體積分?jǐn)?shù)總和為1。筆者針對水平圓管冷凝換熱中氣液界面的傳熱傳質(zhì)問題采用了Lee模型。Lee模型假設(shè)了氣液界面的溫度為飽和溫度,設(shè)置相變因子為1000,水平圓管冷凝換熱中氣液界面的傳熱傳質(zhì)表達(dá)式為

(1)

式中:Sm為質(zhì)量守恒方程中的相變質(zhì)量源項(xiàng);r為相變因子;αl、αg分別是液相和氣相的體積分?jǐn)?shù);T為氣、液相溫度,K;Tsat為飽和溫度,K;ρ1為液相密度,kg/m3;ρv為汽相密度,kg/m3。

2 結(jié)果分析

模擬采用AnsysWorkbench軟件,建立了長為1 m,內(nèi)徑為10 mm的水平圓管幾何模型,制冷劑工質(zhì)的物性由REFPROP軟件確定。數(shù)值仿真模擬采用的是Fluent軟件,經(jīng)過后期處理,運(yùn)用Origin軟件繪制得到散點(diǎn)圖。

2.1 質(zhì)量流量影響

由于制冷劑質(zhì)量流量發(fā)生變化對水平圓管冷凝換熱中氣液界面的換熱和壓降有影響,所以對質(zhì)量流量進(jìn)行研究。在其他條 件不變的情況下,在0.041 8 kg/s,0.084 kg/s,0.126 kg/s不同的質(zhì)量流量情況下進(jìn)行數(shù)值模擬,得到3種制冷劑在不同質(zhì)量流量下的壓降和傳熱系數(shù)情況。圖1為3種制冷劑在不同質(zhì)量流量下壓降的變化情況。

圖1 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的壓降

在控制其他變量相同的條件下,當(dāng)質(zhì)量流量增大時,制冷劑的管內(nèi)壓降會隨之增大,這是由于流體的流速隨著質(zhì)量流量的增大而增大。同時可以看出3種制冷劑隨著質(zhì)量流量增大,壓差也隨之增大,這是由于3種制冷劑的物性有所不同,R22、R410A和R290的氣相和液相密度有所差異,導(dǎo)致在相同質(zhì)量流量條件下流動速率有所不同,R290大約是R22的兩倍,而壓降受流動速率影響很大,所以在壓降方面R290要遠(yuǎn)大于其他兩種制冷劑。

圖2為3種制冷劑在3種質(zhì)量流量下傳熱系數(shù)的變化情況。

圖2 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的傳熱系數(shù)

當(dāng)其他變量相同時,傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增大而增大。這是由于當(dāng)質(zhì)量流量增大時,積聚在水平圓管底部的液膜厚度變小,這就使傳熱過程的換熱熱阻減小從而導(dǎo)致傳熱系數(shù)的增大。同時也可以看出R290的換熱效果最好,R410A和R22的曲線較近說明在換熱效果方面差距比較小,并且R410A略好一些。

圖3為不同質(zhì)量流量的制冷劑R22在水平管中距離進(jìn)口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。

圖3 制冷劑在3種質(zhì)量流量下的氣液體積分布云圖

對比發(fā)現(xiàn)在控制其他變量相同的條件下,沿蒸汽在水平圓管內(nèi)的流動方向,高溫蒸汽不斷地與低溫管壁換熱進(jìn)行熱量交換,被冷卻降溫,最終相變成液體。由連續(xù)性方程可知,高溫蒸汽的流速會不斷下降,同時由于冷凝的液體不斷增多,在重力的作用下會在水平圓管的底部沉積,液膜厚度增加。在其他條件不變時,隨制冷劑質(zhì)量流量的增大,水平圓管底部的液膜厚度由于剪切力的作用會不斷縮小,由液膜產(chǎn)生的熱阻會隨之減小,換熱效果提升。同時水平圓管內(nèi)的壓降會隨之增大,這是由于制冷劑質(zhì)量流量的增大會導(dǎo)致流速增大,壓降增大。

2.2 干度影響

筆者在干度為0.6和0.9的情況下進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行對比分析。圖4為3種制冷劑在不同干度下壓降的變化情況。

圖4 制冷劑在兩種干度下的壓降Fig.4 Effect of dryness on pressure drop

在控制其他變量相同的條件下,管內(nèi)壓降隨著干度的增大而增大,這是由于隨著工質(zhì)密度的減小,由流量連續(xù)性方程可知會導(dǎo)致工質(zhì)的流速變大,湍流作用也會變得更大,氣液之間的相互作用隨之增強(qiáng),最終導(dǎo)致壓降增大。并且可以看出3種制冷劑的壓降由高到低為R29、R22、R410A。

圖5為3種制冷劑在2種干度下傳熱系數(shù)的變化情況。在控制其他變量相同的條件下,傳熱過程的傳熱系數(shù)隨干度的增大而增大,這是由于干度增大后,表面張力對工質(zhì)的作用增大,從而導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小。同時可以看出R290的傳熱系數(shù)最大,R22在換熱方面與R410A比較相近,R22傳熱系數(shù)略低。

圖5 制冷劑在兩種干度下的傳熱系數(shù)Fig.5 Effect of dryness on heat transfer coefficient

圖6為不同干度的制冷劑R22在水平管中距離進(jìn)口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。從圖中可以看出,干度為0.9時的液膜厚度要遠(yuǎn)小于干度為0.6時的液膜厚度,原因是因?yàn)橹评鋭┍砻鎻埩S干度的增大而增強(qiáng),表面張力越強(qiáng)液體的體積越小,液膜越薄,而換熱熱阻會隨之減小,換熱效果提升。同時管內(nèi)的壓降也會隨著干度的增加而增大,由于制冷劑的密度會隨干度的增加而減小,根據(jù)連續(xù)性方程可知,制冷劑的流速會隨密度的減小而增大,流速增大擾動能力增強(qiáng),壓降增大。

圖6 制冷劑在兩種干度下的氣液體積分布云圖

2.3 管徑影響

對管徑的仿真模擬選擇了6 mm、8 mm和10 mm的管徑進(jìn)行對比。圖7為3種制冷劑在不同管徑下壓降的變化情況。

圖7 制冷劑在3種管徑下的壓降

在控制其他變量相同的條件下,壓降隨管徑的增大而減小,這是由當(dāng)管徑變大時,流體流速減小,重力的作用相對增強(qiáng),表面張力和剪切力的作用相對減小,從而導(dǎo)致壓降的減小。同時可以看出制冷劑R290的壓降是最大的,制冷劑R410A與R22的在壓降方面相差較小,R410A壓降稍低。

圖8為3種制冷劑在3種管徑下傳熱系數(shù)的變化情況。在控制其他變量相同的條件下,傳熱系數(shù)隨管徑的減小而增大,這是由于在相同的質(zhì)量流量條件下,隨著管徑的不斷縮小,水平圓管內(nèi)的制冷劑流速會不斷增大,增大的流速會增強(qiáng)剪切力、表面張力和擾動能力的作用,圓管底部的液膜厚度會隨之減小,由其產(chǎn)生的熱阻會減小,換熱效果提升。

圖8 制冷劑在3種管徑下的傳熱系數(shù)

圖9為制冷劑R22在不同管徑的水平管中距離進(jìn)口0.65 m橫截面處的氣液體積分布情況。制冷劑氣液界面處的剪切力、表面張力、重力等作用力會隨水平圓管管徑的變化而改變,從而影響換熱效果和壓降大小。水平圓管內(nèi)壓降在管徑為6 mm最大,其次為8 mm,最小為10 mm,這是由于在相同的質(zhì)量流量條件下,制冷劑的流速會隨水平圓管管徑的減小而增大,增大的流速會增強(qiáng)剪切力、表面張力和擾動能力的作用,剪切力、表面張力作用增大會使環(huán)狀流狀態(tài)的區(qū)域增加,從而水平圓管底部的液膜厚度消減,熱阻減小,同時擾動能了會增強(qiáng)換熱,最終增強(qiáng)了換熱效果。

圖9 制冷劑在3種管徑下的氣液體積分布云圖

3 結(jié) 論

(1)在控制其他變量相同的條件下,質(zhì)量流量的增大會導(dǎo)致水平圓管內(nèi)制冷劑流速增大、液膜變薄,換熱效果增強(qiáng),但壓降會隨之增大。

(2)在控制其他變量相同的條件下,隨著干度的增大,水平圓管內(nèi)的壓降和換熱過程的換熱系數(shù)也會增大,但管內(nèi)的壓降和換熱效果隨干度變化相對較小。

(3)在控制其他變量相同的條件下,水平圓管管徑的減小會增強(qiáng)制冷劑汽液界面剪切力、表面張力和擾動能力的作用,從而提升換熱效果,但管內(nèi)壓降會隨之增大。

(4)3種制冷劑中R290的換熱效果最好,同時壓降也最大,R22與R410A的換熱效果和壓降的差距較小,其中R22的傳熱系數(shù)和壓降都比R410A要稍小一些。