首页 > 行业应用 > 内容详情

二氧化碳流体在气冷器内部分配的CFD模拟

0 介绍

随着近年来国际上环保意识的不断增强,长久以来在制冷行业中广泛被使用的氟利昂类制冷剂由于其在环保方面的致命缺陷因而早已被替代;而作为其替代产品的R134a又因为其自身的高全球温室效应潜能指数(GWP)而最终也会被淘汰。在此情况下,作为天然工质的二氧化碳,正凭借其自身优良的制冷特性以及在环保方面的优异表现受到越来越多的关注。
然而,二氧化碳制冷系统与传统制冷系统相比其工作压力比较高,这注定了其系统部件要有较大的改进。特别是在换热器方面,出于耐压以及增强换热方面的考虑,目前二氧化碳系统中气冷器广泛采用微通道平行流换热器。此种换热器的特点是结构紧凑、耐压能力强,属于严格意义上的紧凑型换热器。
但是,要充分发挥微通道平行流换热器的性能,就必须保证二氧化然制冷剂在其内部分配的均匀度,而现有文献很少有专门针对微通道气冷器内部流量分配问题而进行的研究。本文采用CFD的方法对本实验室的一种微通道平行流气冷器进行了研究,通过仿真气冷器扁管与集管不同组合尺寸情况下的内部流量分布情况,得出该气冷器在加工制造过程中集管与扁管的最优组合尺寸。
1 模型与计算区域
1.1 模型
图1-1是本文所研究气冷器,其形式与目前广泛使用的微通道平行流换热器大致相同,基本参数见表1-1。它由三流程构成,每个流程分别由14、8、7根扁管组成。图1-2为气冷器集管与扁管截面尺寸图。

图1-1 微通道平行流气冷器
表1-1 气冷器结构参数
迎风面积(cm2
2168
扁管高度(mm)
1.8
集管高度(mm)
309.75
扁管长度(mm)
700
扁管微通道数
8
微通道通径(mm)
0.79
扁管壁厚(mm)
0.48
翅片高度(mm)
8
翅片厚度(mm)
0.135
百叶窗角度(。)
29
百叶窗节距(mm)
1.1
百叶窗数
2×5

(a)         (b)
图1-2 (a)扁管截面 (b)集管截面
1.2 问题描述
本文研究当集管与扁管采用不同组合尺寸对气冷器内部二氧化碳制冷剂流量分配的影响,见图1-3。

图1-3 集管与扁管组合示意
在考虑制作工艺以及实际尺寸等问题的基础上,选取三种不同插入深度T进行分析,分别为:1.39、2.1和2.61mm。
1.3 计算区域
通常来说,微通道平行流二氧化碳气冷器中第一流程内的制冷剂与冷却空气温差最大,加之此时二氧化然比热容Cp较小,制冷剂温度急速下降。而随着制冷剂进入第二、三流程,一方面由于其与冷却空气温差减小,另一方面又由于二氧化碳物性参数Cp会出现明显阶跃现象,因而二、三流程过程中二氧化碳制冷剂温降放缓,如图1-4。所以,对于微通道平行流二氧化碳气冷器,第一流程换热的好坏是整个气冷器性能的关键。因此,本研究将气冷器第一流程作为CFD计算区域,见图1-5。

图1-4 气冷器中二氧化碳温度变化趋势
另外,计算区域内的翅片模型已被简化,计算时通过设定多孔介质域实现。

图1-5 CFD计算区域
2 仿真
本研究采用CFD商用软件FLUENT来进行气冷器内部流量分配的仿真。由于缺乏相关实验数据,故选用RNG k-ε湍流模型来模拟计算区域的内部紊流以及传热。
2.1 物性参数
考虑二氧化碳制冷剂在计算区域中的物性变化特点,将参数粘度与热导率作为常物性,而将参数密度与比热容取为变物性,相关物性方程通过拟合得到。
2.2 边界条件
计算区域制冷剂侧入口边界为流量入口,流量取常规二氧化碳系统质流量0.028kg/s,入口温度取120℃。制冷剂侧出口边界取为压力出口。
计算区域空气侧入口边界为速度入口,入口速度取标准工况时的4.5m/s,入口温度35℃。空气侧出口边界取为压力出口。
3 结果
为了分析扁管间流量分配的均衡度,引入参数流量均偏差E,代表流量分配均匀度,定义为:
(1)
其中参数分别代表每根扁管制冷剂流量和理论理想情况下每根扁管制冷剂流量。
图3-1为三种组合情况下仿真得到的气冷器第一流程内制冷剂流量分配情况。从中可以看出,插入深度T为2.61mm时扁管间流量分配较其它两种组合情况要均匀。

(a)       (b)

(c)
图3-1 不同组合情况下扁管间流量分配
(a)T=1.39mm (b)T=2.1mm (c)T=2.61mm
图3-2是三种不同组合情况下流量平均偏差值E,从中可以看出,插入深度T为2.61mm情况下的E值最小,表明此组合工况下扁管间流量离散程度最小,即流量分配较均匀。

图3-2 不同组合深度情况下E值
4 结论
本文通过采用CFD的方法对二氧化碳气冷器内部流量分布进行了仿真计算,分析了在集管与扁管三种不同组合尺寸下流量分布的变化情况,并最终得出了该种气冷器集管与扁管之间较合理的组合尺寸T为2.61mm。
参考文献
1 J.M Yin, J.W Bullard,P.S.Hrnjak. Design strategies for R744 gas coolers. IIR conference Gustav Lorentzen, preceedings,pp.315-322, 2000.
2 Jian Min Yin, Clark W. Bullard ,Oredrag S. Hrnjak. R744 gas cooler model development and validation. Int. J. of Refrigeration 24(2001) 692-701.
3 Zhe Zhang, YanZhong Li. CFD simulation on inlet configuration of plate-fin heat exchangers. Cryogenics 43(2003) 673-678.
4 S.Lalot, P.Florent, S.K. Lang, A.E.Berglers. Flow maldistribution in heat exchangers. Applied Thermal Engineering 19(1999) 847-863.
5 Kilyoan Chung, Kwan-Soo Lee, Woo-Seung Kim. Optimization of the design factors for thermal performance of a parallel-flow heat exchanger. Int. J of Heat and Mass Transfer 45(2002) 4773-4780.
6 FLUENT 6.1 documentation,2003



您的姓名: 

验证码: 
看不清,点击图片换一张!
评论内容: