管壳式蒸发器内分流板均分性能的研究

蒸发器换热管间制冷剂的分配不均会导致其制冷能力的下降。建立了管壳式蒸发器和分流板三维模型,模拟研究了分流板的位置、开孔大小、开孔数量和开孔结构对R410A均分性能的影响。模拟结果表明,分流板各参数对制冷剂均流效果有显著影响。在不同入口流速工况下,不均匀度随分流板向蒸发器入口端的移动而下降且降幅逐渐变缓;不均匀度随开孔直径的增大而上升,随开孔数量的增大而下降并达到稳定;经优化分流板开孔结构,上下小孔结构的均分性能相比等圆孔结构可提高21.4%。搭建了蒸发器流量分配实验台,通过实验验证了模拟得出的流量分配规律以及分流板对流体均分性能的提升,说明根据流量分布特点优化分流板开孔结构能有效提升制冷剂的均流效果。     

陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟

使用Fluent软件，模拟陶瓷膜管管束末端板上是否开孔以及开孔数量对膜过滤器内流场的影响。结果表明：膜管管束末端板上开孔可以增加流体流动空间，使末端板上、下表面处的流动死区减小，流体流速更加均匀；随着开孔数量的增加，流体位于末端板周围的最大流动速度得到有效降低，膜过滤器进、出口压降降低，膜过滤器内部流场的流动阻力减小，当开孔数量为12个时，膜过滤器内的流动效果最佳。     

微通道蒸发器优化两相制冷剂分配及沸腾传热研究进展

微通道蒸发器由于低充灌量、高换热性能、低成本等优点在制冷系统得以广泛应用。微通道蒸发器性能的进一步提升有助于降低制冷剂充灌量、增加微通道换热器的紧凑性。微通道蒸发器主要由集管和微通道扁管组成,优化集管内两相制冷剂分配和强化微通道扁管内流动沸腾,可有效实现微通道蒸发器整体性能提升。本文首先阐明了影响集管内两相分配的因素和微通道扁管内流动沸腾特性,然后概括了提升两相制冷剂的分配方案和强化流动沸腾的措施,最后对提升微通道蒸发器性能的方法做出进一步展望。     

蒸发器管束动载荷下异型管板的有限元分析

采用ANSYS软件,对两相流体绕流与气泡脱离作用下,制冷装置蒸发器异型管板进行强度分析和评定。结果表明:应力强度最大点位于管板与换热管连接处,考虑动载的蒸发器管板最大Tresca当量应力值大于相应静载下的值,管板上端开孔处位移变化幅度大于下端开孔,脉动载荷对上端换热管与管板的胀焊连接的破坏影响强于下端换热管与管板连接。     

管壳式换热器流体分配结构设计及均匀性优化

管壳式换热器作为化工机械行业中的重要设备，其管程和壳程的流动均匀性直接影响换热器的换热性能。针对某一型号管壳式换热器管程进口管箱和壳程入口设计了不同的流体分配结构，采用数值模拟方法对其流动均匀性进行分析，以面积加权均匀度指数来定量评估管程和壳程的内部流场均匀程度。研究表明，管程进口管箱和壳程入口的流体分配结构对流体均匀性分布有较大的影响，管程进口管箱增加分配结构之后均匀性明显得到改善，可保证进入换热管的流量分配更均匀。壳程入口增加分配结构能够有效减少流体对换热管的冲刷，增加流体紊乱度，有效提高换热强度。这对实际工程应用具有非常重要的理论和应用价值。     

板翅式换热器封头对其流体分配及换热的影响

实验研究了板翅式换热器封头结构对其内部流体分配及换热特性的影响,实验结果表明,目前工业应用的板翅式换热器内部存在流体分配极为不均匀的严重问题,造成了其换热效能的严重下降。研制了各种新型孔板封头结构,并且实验研究了新型封头的各种参数,如孔板长度、开孔的分布规律和小孔直径对板翅式换热器流体分配及换热的影响。研究结果表明,孔板封头从根本上改善了换热器内部流体的分配问题,流体不均匀度从0.208减小到0.035,最大与最小流速比由改进前的2—3倍降低到1.1—1.2倍,温度分布不均匀度从0.826减小到0.601。孔板型封头结构增加了换热器的流动阻力,错排孔板型封头在改善换热器流体分配的同时,也较好地抑制了阻力损失的增加,得到了不同封头结构的流动阻力与雷诺数之间的关系。     

双室蒸发分离室内流动及蒸发过程的数值模拟

掌握双室双管程蒸发器分离室内汽液二相流动及蒸发过程特性是其进一步结构优化的基础,应用STARCCM+软件对分离室内隔离板上平衡孔的形状和位置对汽液二相流动及蒸发过程的影响进行了数值模拟。模拟结果表明:分离室内隔离板上平衡孔较佳的形状为圆形孔,其适宜的设置位置为距分离室底部与距汽液入口处距离之比在2∶3—2∶1之间。设置在该区域时,分离室内流场均匀,流动阻力损失较小,推动力较大;在平衡孔形状及位置较佳的情况下,分离室一内液位高于分离室二,隔离板两侧温度分布相对比较均匀,并能够建立起稳定的温度差和浓度差,在分离室上方汽液能够实现较好的分离;模拟结果进一步证实了双室双管程蒸发器实际操作的可行性。     

平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟

运用计算流体力学软件FLUENT6.1对平行流列管式固定床反应器环形流道及管间流体的流动进行数值模拟。模拟结果表明,流体进入环形流道后流速急剧变化,要达到环形流道内侧壁沿圆周流量均匀分配,就必须在不同的位置开不同尺寸的孔,反应器进口挡板和分布板的设置使管间流体在进入反应器后径向分布基本均匀。建立冷模实验装置,测定流体在反应器管间不同高度同一截面上的压力分布,实验结果表明,反应器管间流体达到均匀分布。管闯流体压力的模拟值与实验值相比较,两者吻合良好。     

多孔介质结构对储层内流动和换热特性的影响

针对含水层储能对选址的要求高且存在地下水污染的问题，提出了构建人工填充储层进行储能，并对储层内的局部流动和换热特性进行了研究。采用共轭传热模型分别对填充非均匀颗粒、十二面体梯度开孔和二十面体梯度开孔结构3种多孔介质孔隙内的流动和换热进行了直接数值模拟，对比分析了多孔介质结构对流动和换热特性的影响。研究发现，通过选择合适的填充介质，储层内的综合换热性能能够得到改善，3种多孔介质中十二面体梯度开孔多孔介质的总换热效率(η)最高；非均匀颗粒多孔介质的平均努塞尔数(Nu_sf)最大，但同时单位压降(?p/?x)与摩擦系数(f)也最大；十二面体梯度开孔多孔介质和二十面体梯度开孔多孔介质的Nu_sf随雷诺数(Re)的变化存在交叉，在Re较小时二十面体梯度开孔结构的Nu_sf较大，Re较大时十二面体梯度开孔结构的Nu_sf较大。     

圆盘板开孔对缩放管盘环式换热器壳程性能影响的数值研究

利用CFD技术对圆盘板上开不同直径孔的缩放管盘环式换热器壳程进行了数值模拟。结果表明,圆盘板开孔能在一定程度上改善圆盘板后侧流体的流动状况,且开孔后圆盘与圆环折流板之间的流体压力分布较均匀;开孔直径越大,换热器的壳程传热系数和压降均越小,综合性能越好;开孔直径不宜过小,适当地开孔才能有效地提高换热器的综合性能。     

柜式空调微通道蒸发器换热性能测试

设计并搭建了柜式空调用微通道蒸发器的性能实验测试平台,测试了微通道蒸发器扁管进出口端温度分布及蒸发器进出口温差、压差、输入功率、制冷量和系统能效比随环境舱温度(18~23℃)升高的变化,并与常规管翅式蒸发器进行了对比。结果表明,微通道蒸发器具有较好的制冷剂流量分配特性,提高了空调出风口温度分布均匀性;由于微通道蒸发器制冷剂充注量低于管翅式蒸发器,且流程也相对缩短,相同工况下,微通道蒸发器进出口压差比管翅式蒸发器降低了33.9%,输入功率降低了4.12%,制冷量提升了2.95%,系统能效比最高提高了6.69%。     

制冷剂充注量对微通道蒸发器换热性能影响的实验研究

以微通道换热器作为柜式空调蒸发器,设计并加工了微通道蒸发器(MCE,扁管和翅片均为铝材),搭建实验测试系统。研究了三种入口形式(Z-Inlet, Y-Inlet, U-Inlet)、五种制冷剂充注量(800~1600 g)下微通道蒸发器的表面温度分布、制冷量(Q)、输入功率(Pin)和能效比(EER),并与管翅式换热器(FTE,铜管-铝翅片)进行对比分析。结果表明,Z-Inlet形式MCE内部制冷剂行程基本相同,流量分配较均匀,其表面温度分布比较均匀,换热效果最佳;Z-Inlet形式MCE的制冷量和EER最高,与另外两种形式相比,制冷量和EER最高分别提高了8.8%和5.7%;MCE的制冷量和EER比FTE大,制冷量平均超出了11%,最高达13.3% (约600 W),EER平均提升了9.36%,最大约为12.4%;此外MCE的EER达到峰值对应的制冷剂充注量与FTE相比减少了200 g。     

水-水降膜蒸发器的模拟仿真和优化

由于具有换热性能突出、制冷剂充注量小等优点,降膜蒸发器已被广泛应用于海水淡化等行业。然而,由于存在液位控制和干斑效应等实际操作问题,在压缩式制冷系统中,降膜蒸发器的设计还需要进一步优化。为解决这个问题,构建了水-水降膜蒸发器的仿真模型。采用有限元方法,获得了沿管程的温度、热流变化情况。对于现有的四管程降膜蒸发器,在80℃蒸发沸腾和0.4 kg·s⁻¹的喷淋量下,为获得最大的换热量,进行了详细的模拟计算,基于模型的计算结果,建议采用两管程降膜、两管程满液的液位控制方式。本模型同时给出了沿管程换热时的传热系数分布情况,提出了满液降膜分界线,为后续的降膜蒸发器结构设计优化提供了新思路。     

蒸发器沸腾两相段熵产分析

以管内侧制冷剂,管外侧水的蒸发换热器为研究对象,基于热力学第一、第二定律建立了蒸发器沸腾两相流段的熵产计算模型,用量纲1熵产数N_s表示管内外流体因温差传热和压降损失引起的不可逆损失。分析水侧、制冷剂侧质量流量,水侧入口温度和管长尺寸对系统熵产数的影响。结果表明：系统熵产主要由制冷剂侧两相压降引起;系统熵产数随水侧质量流率的增大迅速降低并趋于稳定,随制冷剂侧质量流率的增大呈指数增长,随水侧进口温度和管长尺寸的增大而增加。     

微翅管内R410A的流动沸腾传热特性

进行了单管实验,对影响R410A 在水平微翅管内传热系数的因素进行分析,获得了传热系数随质量流量、热通量及干度的变化关系,并对各种工况下的换热机理进行了分析和讨论。对不同几何参数的微翅管进行了实验比较,分析了微翅管几何结构参数对换热性能的影响。通过实验得到R410A在微翅管内流动沸腾传热系数,可为制冷换热器的设计提供可靠的依据。     

一种新型环路重力热管的数值模拟和性能优化

研究了一种新型的环路重力热管(LGHP),并提出一种基于VOF方法的简化两相流数值模型,能够有效地模拟热管蒸发器内部气泡的产生和干涸区的位置,从而研究蒸发器内部工质的流动特性。在数值模拟的基础上改进了蒸发器的流道结构,以延缓水平放置时蒸发器干涸区的出现。通过实验验证发现改进后蒸发器的传热性能得到了很大的提高,蒸发器中制冷剂的液相积存量得以提升,使其极限热通量(CHF)提高到140 kW/m²(加热功率2000.7 W),为改进前CHF的两倍。证明该简化模型在模拟干涸区位置方面具有准确性,可以为进一步的设计和改进平板蒸发器流道结构提供参考。     

Heat transfer property of refrigerant-oil mixture in a flooded evaporator: The role of bubble formation and oil retention

We examined the effect of oil retention on the heat transfer performance of a shell-and-tube-type evaporator which had 26 inner tubes and was filled with the refrigerant R-134a. The refrigerant was boiled on the surface of the inner tubes in the evaporator, while chilled water circulated through these tubes. An experimental apparatus was designed to measure both the pressure and temperature profiles at the inlet and outlet of the flooded evaporator. Four windows were installed for observing the operation of the flooded evaporator. A series of experiments were carried out under the following conditions: the refrigerant saturation temperature, 5 °C; refrigerant inlet quality, 0.1; heat fluxes from water to the refrigerant, 5–7 kW/m². The concentration of the oil retained in the refrigerant was then varied up to approximately 10% to observe the effect on the heat transfer performance of the flooded evaporator. Increasing the oil content (i.e., increasing the concentration up to a maximum of approximately 10%) in the refrigerant R134a did not lead to any appreciable reduction in the overall heat transfer coefficient of a flooded evaporator with multiple-innertubes. When the oil concentration in the refrigerant was approximately 10%, the heat transfer degradation in the case of the flooded evaporator with multiple-inner-tubes was approximately 11%, which was found to be much smaller than the heat transfer degradation in the case of a flooded evaporator with a single-tube (26–49%). This observation suggested that the oil retained in the refrigerant did not significantly deteriorate the heat transfer performance of the flooded evaporator, presumably because the presence of tube bundles promoted forced convection by agitating bubbles.     

制冷用水平管降膜蒸发器的研究进展及新技术

针对制冷系统中使用的水平管降膜蒸发器,进行了包括管间流型、管外绕流成膜特征、气流、表面传热系数等流动和换热机理的综述性报道,回顾了水平管降膜蒸发器的技术进展。在批判继承前人研究成果的基础上,提出了可以解决水平管降膜蒸发器内部流动稳定性、均匀性,有效避免局部干涸等难题的新型技术——带有导流和二次布液装置的水平管降膜蒸发器技术。     

满液式蒸发器中螺旋扁管的池沸腾传热

对螺旋扁管在满液式蒸发器中的池沸腾传热进行了实验研究。螺旋扁管由外径为15.88 mm的圆形满蒸管加工而得,其外径、壁厚以及长度分别为19.50 mm×11.28 mm、1.09 mm和3310 mm。通过实验研究了管程Reynolds数Re_i、制冷剂饱和温度T_sat、管壁过热度T_sup以及热通量q_b对于池沸腾传热性能的影响。结果表明,随着Re_i、T_sat和q_b的增加,螺旋扁管满液式蒸发器以及原有满液式蒸发器的沸腾传热性能都随之增强,而随着T_sup的增加,两者的沸腾传热性能却呈下降趋势。同时,对装有两种满液式蒸发器的螺杆式冷水机组分别进行了测试,结果表明在换热量相同的条件下,螺旋扁管满液式蒸发器比原有蒸发器的总传热系数提高了15%左右,证明螺旋扁管满液式蒸发器在螺杆式冷水机组中的应用是可行的。     

Upflow vertical tube evaporation with interface enhancement; pressure drop reduction and heat transfer enhancement by the addition of a surfactant

The heat transfer performance of a series of full-sized, commercial distillation tubes of the double-fluted type was evaluated in an upflow vertical tube evaporator, under process conditions that are realistic for large-plant multiple effect operation. This tube series comprised two of each aluminum-brass tubes, 1O-ft. long and 3-, 2-, 1.5- and 1-in. diameter, tested in parallel pairs. Fresh water and sea water were used as feeds recirculated to the evaporator, with and without the addition of a surfactant for interface enhancement: heat transfer performance was approximately doubled with the larger diameter tubes but the smaller tubes did not respond well. It was concluded that differences in tube diameter can account for the apparent contradictions in the literature, on the basis of our tube pressure drop data. Some conclusions pertinent to the design of multiple-effect vertical tube evaporators are also drawn.