船用管殼式冷凝器入口流場(chǎng)均勻化性能研究

王建明，楊 寧

(1.泰興航空光電技術(shù)有限公司，江蘇 泰州 225400; 2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

船用制冷裝置作為船上必備設(shè)備，已成為現(xiàn)代船舶的研究重點(diǎn)[1]。冷凝器作為制冷系統(tǒng)中的主要部件[2]，由于傳熱強(qiáng)度和單位金屬耗量方面不足，因此船舶工業(yè)的發(fā)展要求提高管殼式冷凝器換熱效率。

在實(shí)際情況中，換熱器的入口處和換熱器的管芯處流動(dòng)分布不均，嚴(yán)重影響換熱器性能。Shah R.K[3]和陳杰[4]指出引起換熱器內(nèi)流動(dòng)分布不均的主要因素。Bobbili和Sunden[5]對(duì)于板式降膜冷凝器復(fù)雜兩相分布，提出了一套隱式數(shù)值求解方法。劉相斌[6]以單管程換熱器管箱通過(guò)Ansys CFX分析，得到圓形帶孔防沖板效果最佳。Tord Karleeon等[7]通過(guò)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)加防沖板管壁面平均熱流最高可提升24%。以上可得，防沖板不僅具有防沖作用，還起到了均分流場(chǎng)的效果。

目前，大多學(xué)者采用Fluent內(nèi)部多相流模型和Fluent以外的模擬方法[8]進(jìn)行換熱模擬。如程國(guó)鵬[9]等通過(guò)Fluent中多相流模型模擬了管殼式換熱器殼側(cè)沸騰。也有學(xué)者采用基于Fluent下的VOF方法模擬冷凝[10-14]。而相似的模擬軟件CFX也常用于冷凝模擬研究。運(yùn)用CFX壁面冷凝模型，模擬了含不凝性氣體的冷凝過(guò)程[15-18]。

在以前的研究中，研究重點(diǎn)多集中在防沖效果以及震動(dòng)結(jié)垢等問(wèn)題，忽略了防沖板作為輔助器件對(duì)于整體換熱效果的影響。本文以某型臥式冷凝器為研究對(duì)象，從三維的角度，通過(guò)采用Ansys CFX對(duì)殼側(cè)冷凝進(jìn)行模擬研究。借鑒文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了防沖板初始開孔方案。探究了防沖板對(duì)于殼程流動(dòng)和換熱的影響。并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了防沖板的強(qiáng)化效果。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

圖1為本文研究的某型臥式船用冷凝器的幾何模型示例，該冷凝器屬于管殼式換熱器范疇，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 臥式冷凝器三維結(jié)構(gòu)圖

表1冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸表

項(xiàng)目數(shù)值筒體內(nèi)徑/mm283換熱管有效長(zhǎng)度/mm1 434換熱管內(nèi)徑/mm13換熱管外徑/mm16殼側(cè)進(jìn)口內(nèi)徑/mm32換熱管類型低肋管肋化系數(shù)3管束排布方式正三角形換熱管數(shù)102

如圖2為防沖板的示意圖，本文借鑒文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了初始開孔方案，開孔孔徑為5 cm，孔沿Y軸方向陣列排布，孔間距為21 cm，開孔位置與叉排布置的第二排管束上下對(duì)應(yīng)，其中寬度W為100 cm，初始長(zhǎng)度L與高度H分別取200 cm和20 cm，

圖2 防沖板示意圖

1.2 數(shù)值求解

根據(jù)熱阻分析的結(jié)果，本文將研究重點(diǎn)放在臥式冷凝器殼程冷凝換熱與流動(dòng)過(guò)程，為了準(zhǔn)確的模擬殼側(cè)流動(dòng)以及冷凝換熱量，采用了全尺寸三維模擬，考慮到整體的計(jì)算量以及方案的可行性，選取適用于工程應(yīng)用的壁面冷凝模型。并作了如下假設(shè)：(1)可凝氣體的冷凝速率由邊界層濃度梯度控制;(2)壁面處可凝氣的分壓力等于壁面溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力;(3)忽略冷凝液膜熱阻，所有進(jìn)入冷凝液膜的質(zhì)量都將從計(jì)算的流體域中直接移除;(4)在冷凝壁面處，冷凝釋放的潛熱全部以源項(xiàng)的方式添加在固體壁面上。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果與網(wǎng)格密度變化的無(wú)關(guān)性。本文選取改進(jìn)前臥式冷凝器模型作為示例，共劃分了四套網(wǎng)格(430萬(wàn)、553萬(wàn)、624萬(wàn)、775萬(wàn))。在殼程進(jìn)口流速V=10.6 m/s工況下，以壁面冷凝換熱系數(shù)h0和殼程壓降Δp作為考察目標(biāo)，對(duì)4套網(wǎng)格分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。綜合考慮最終選取網(wǎng)格數(shù)目為624萬(wàn)。添加防沖板后的臥式冷凝器模型，經(jīng)過(guò)相同驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格量取652萬(wàn)。

圖3 網(wǎng)格密度變化的無(wú)關(guān)性

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)分布的對(duì)比

由于冷凝器殼程添加防沖板后，殼程內(nèi)部流動(dòng)將發(fā)生改變，隨之影響殼程的換熱效果以及壓力損失，因此有必要對(duì)冷凝器殼程內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4為殼程雷諾數(shù)Re=10 942時(shí)，冷凝器改進(jìn)前后的殼程流線圖。由圖可知，原冷凝器大部分流體集中在冷凝器中部，兩端流體分布較少，導(dǎo)致管束兩端換熱效率低下。同時(shí)，大量流體直接沖刷進(jìn)口下方管束，不僅會(huì)引起管束震動(dòng)失效，還將導(dǎo)致?lián)Q熱管熱應(yīng)力分布不均，影響換熱管壽命。當(dāng)添加防沖板后，流動(dòng)發(fā)生了巨大變化。制冷劑氣體從殼程進(jìn)口進(jìn)入，受防沖板的阻擋作用，大部分氣體發(fā)生了折流，從防沖板與筒體內(nèi)壁之間縱向流出，此時(shí)的氣體具有較高的流速，直接運(yùn)動(dòng)至冷凝器兩端，強(qiáng)化了管束兩端換熱。同時(shí)，在管束上方區(qū)域，由于氣體流速較高，靜壓較低，對(duì)分布在管束中間的氣流起到卷吸效果，使聚集在冷凝器兩端的氣體穿過(guò)管束引流至低壓區(qū)，增強(qiáng)了管束外擾動(dòng)，提高了有效換熱面積。

3.2 溫度場(chǎng)分布的對(duì)比

殼程制冷劑氣體與管束外壁面的熱量交換主要以冷凝換熱為主，流體的流速以及流動(dòng)方向的變化都會(huì)影響管壁面冷凝換熱系數(shù)的大小。

圖5所示為冷凝器殼程垂直于換熱管方向的(xz平面)不同截面上的溫度分布情況。從殼程進(jìn)口到底部管板方向選取了4個(gè)截面Section1～4(y=-0.6 m、y=-0.45 m、y=-0.3 m和y=-0.15 m)。圖5(a)顯示了改進(jìn)前冷凝器殼程流動(dòng)分布不均導(dǎo)致的換熱不均現(xiàn)象，換熱管兩端(Section3和Section 4)的換熱效率明顯低于中間部分(Section1和Section 2)。圖5(b)反映了防沖板均分流場(chǎng)后冷凝器兩端換熱效果明顯改善，Section3和Section4管束區(qū)域溫度下降明顯，但防沖板的引入也導(dǎo)致了其下方區(qū)域(Section1)換熱效率變差，在底部出現(xiàn)了流動(dòng)死區(qū)。

圖4 改進(jìn)前后流場(chǎng)分布

圖5 改進(jìn)前后溫度分布

3.3 壓力分布的對(duì)比

改進(jìn)前冷凝器殼程由于不含折流板，殼程內(nèi)部壓力基本保持恒定。大量流體從殼程進(jìn)口進(jìn)入管束區(qū)域，由于流通面積的變化，管束中間區(qū)域流速變化較大，存在流動(dòng)損失，壓力變化明顯。當(dāng)冷凝器添加防沖板后，壓力驟變區(qū)域主要集中在防沖板處，大部分流體受防沖板以及筋板的阻擋發(fā)生多次折流，流速與流向發(fā)生改變，甚至部分區(qū)域形成渦流，造成較大的局部損失，如圖6所示，可見(jiàn)冷凝器添加防沖板后，壓降明顯提升。

圖6 局部壓力分布放大圖

圖7展示了冷凝器添加不同防沖板后，在Re=10 942時(shí)，管束不同區(qū)域之間的壁面熱流分布。相比于無(wú)防沖板的原冷凝器，防沖板作用明顯，不僅提高了整體換熱性能，還使換熱管壁面熱流分布基本趨于均勻。

圖7 防沖板對(duì)換熱管各區(qū)壁面熱流的影響(Re=10 942)

3.4 綜合性能分析

為了全面的評(píng)價(jià)多工況下冷凝器改進(jìn)前后的優(yōu)劣，本文對(duì)比分析了冷凝器殼程壓降Δp與殼程壁面冷凝換熱系數(shù)ho，隨各殼程雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。

圖8和圖9分別為冷凝器殼程壓降Δp與殼程壁面冷凝換熱系數(shù)ho隨殼程雷諾數(shù)的變化規(guī)律。由圖8可知，在本文研究的殼程雷諾數(shù)范圍內(nèi)，冷凝器的殼程壓降都隨雷諾數(shù)的增大而增大，而且增加的速率越來(lái)越快。在所有殼程雷諾數(shù)范圍內(nèi)改進(jìn)后的冷凝器殼程壓降始終高于改進(jìn)前的原結(jié)構(gòu)，并且兩者間的差異隨著殼程雷諾數(shù)增大而增大；在研究的殼程雷諾數(shù)范圍內(nèi)，改進(jìn)后的冷凝器壓降平均提高了114%，但從絕對(duì)數(shù)值上看，壓降的變化影響不大。由圖9可知，殼程壁面冷凝換熱系數(shù)ho隨雷諾數(shù)的增大而增大，在研究工況內(nèi)，改進(jìn)后冷凝器的換熱性能始終優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，且殼程雷諾數(shù)越大，優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)Re=5471時(shí)，改進(jìn)后ho提升了3.8%，當(dāng)殼程雷諾數(shù)Re=17 900時(shí)，相比于原結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的冷凝器ho提升了31.4%。說(shuō)明隨著殼程雷諾數(shù)的提高，防沖板均分流場(chǎng)的效果逐漸顯現(xiàn)，同時(shí)減緩了短路現(xiàn)象，提高了換熱管換熱效率。

圖8 殼程壓降隨殼程雷諾數(shù)變化曲線

圖9 壁面平均冷凝換熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)變化曲線

如圖10所示，當(dāng)殼程Re<14 700時(shí)，改進(jìn)后的冷凝器綜合性能小于原結(jié)構(gòu)，而且殼程Re越小，差距越大，主要原因在于，低Re下，換熱性能提升的增益遠(yuǎn)不及壓降的增長(zhǎng)帶來(lái)的影響。當(dāng)Re>14 700時(shí)，防沖板的作用逐漸顯現(xiàn)，改進(jìn)后的冷凝器綜合性能優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，且隨著殼程Re的增加，優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大；在Re=17 900時(shí)，改進(jìn)后冷凝器的綜合性能相比于原結(jié)構(gòu)提高了6.8%?？梢?jiàn)初始設(shè)計(jì)的防沖板適用于高殼程雷諾數(shù)情況，對(duì)于中低雷諾數(shù)的工況，防沖板強(qiáng)化效果不佳。

圖10 冷凝器綜合性能變化曲線

4 試驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為兩款同型號(hào)某型臥式冷凝器，其中一款為不含防沖板的原型冷凝器；另一款為添加防沖板后的冷凝器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三個(gè)子系統(tǒng)：熱源子系統(tǒng)、制冷循環(huán)子系統(tǒng)和冷源子系統(tǒng)。如圖11所示。實(shí)驗(yàn)工況：壓縮機(jī)滿載，環(huán)境溫度27℃，冷卻水進(jìn)口溫度32℃，冷卻水進(jìn)口流量為15～25 m3/h。

圖11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖1-冷凝器；2-電磁閥；3-蒸發(fā)器；4-活塞壓縮機(jī)；5-水箱；6-過(guò)濾器；7-風(fēng)機(jī)

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

冷凝器殼側(cè)換熱系數(shù)通過(guò)熱阻分離的方法計(jì)算。冷凝器的熱負(fù)荷取冷卻水的熱量Q

Q=V·ρl·Cp·(Tout-Tin)

(3)

管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)采用Dittus-Boelter公式[18]

Nu=0.023·Re0.8·Pr0.4

(4)

平均對(duì)流溫差[17]

ΔT=ψΔTm

(5)

修正系數(shù)ψ根據(jù)文獻(xiàn)[19]查表得出。

殼側(cè)冷凝換熱系數(shù)ho(以管外表面積為基準(zhǔn))

(6)

4.3 實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比

為了滿足多工況運(yùn)行條件以及全面探究新型冷凝器的冷凝特性，本文對(duì)比研究了非標(biāo)況下，兩種冷凝器的冷凝換熱性能，表2為試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比，可知h0的模擬值始終略大于試驗(yàn)值，平均偏差為8.9%。偏差在合理范圍內(nèi)，證明本文采用的數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。偏差存在的主要原因是模擬中忽略了液膜熱阻，模擬值偏大。從試驗(yàn)值中可知，在殼側(cè)進(jìn)口流速為10.6 m/s時(shí)，相比于無(wú)防沖板的冷凝器，添加優(yōu)化后的開槽防沖板殼側(cè)壁面冷凝換熱系數(shù)可平均提高12.1%。

表2模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

項(xiàng)目 模擬值/kW·m-2·K-1實(shí)驗(yàn)值/ kW·m-2·K-1誤差/[%]含防沖板1.9111.7668.21無(wú)防沖板1.7251.5759.52

5 結(jié)論

本文在模擬雷諾數(shù)范圍內(nèi)，得出添加防沖板有助于提高冷凝器換熱系數(shù)，但是在一定程度上壓降也提高。得到雷諾數(shù)越大，防沖板效果越好。但在中低雷諾數(shù)下，還需進(jìn)一步優(yōu)化。其主要結(jié)論如下所示：

(1)添加防沖板，冷凝器壁面冷凝換熱系數(shù)平均提高了19.6%；

(2)殼程雷諾數(shù)Re=17 900時(shí)，改進(jìn)后的冷凝器換熱系數(shù)提升了31.4%，綜合性能相比于原結(jié)構(gòu)提高了6.8%。

(3)添加防沖板的新型冷凝器與原冷凝器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，新型機(jī)具有更高的換熱效率。且在殼側(cè)進(jìn)口流速為10.6 m/s時(shí)，添加優(yōu)化后的開槽防沖板殼側(cè)壁面冷凝換熱系數(shù)可平均提高12.1%。

符號(hào)表：

h0冷凝換熱系數(shù)，W·m-2·K-1

ΔP冷凝器殼程壓降，Pa

Re冷凝器殼程雷諾數(shù)

Q冷凝器熱負(fù)荷，W

V冷卻水體積流量，kg·s-1

T冷卻水溫度，K

Pr普朗特?cái)?shù)

ΔT平均對(duì)流溫差，K

ΔTm對(duì)數(shù)平均溫差，K

Ψ修正系數(shù)

K傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

hi管側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

R熱阻，W-1·m-2·K

下角標(biāo)

out換熱管出口

in換熱管進(jìn)口

f污垢