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        哈雷釬焊板式換熱器
        專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
        新聞動態

        二相流體在板翅式換熱器中的分配是如何實現的

        點擊:1967 日期:[ 2014-04-20 00:59:05 ]

          板翅式換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、適應性強等特點,被廣泛應用于化工、制冷和航空航天等領域。但由于換熱器內部的溫度場、流場分布不均勻以及縱向傳熱,引起了該類換熱器整體效能的卜降。其中物流分配的不均勻會加劇換熱器內部溫度場分布的不均勻和縱向傳熱,從而導致換熱器整體效能的下降。Lalot等針對換熱器物流分配不均勻性對換熱器效能的影響進行了研究,發現換熱器內部的物流分配與入口結構有較大的關系,而且物流分配不均勻對錯流式換熱器效能的影響最嚴重,其下降量高達25%以上。物流分配不均勻會導致二相流換熱器換熱效能的嚴重惡化,甚至影響換熱器的機械性能,帶來無法彌補的后果,因此對換熱器內部二相流體分配均勻性的研究.是當前換熱器研究的一個重要方面。由于板翅式換熱器結構復雜、翅片形式多種多樣,國內外針對板翅式換熱器的二相流動及換熱的研究較少,公開報導的文獻更少。Muellier等發現,由于二相流在流道中分配的不均勻,會造成不穩定密度波,從而造成液體在換熱器內部的喘振,導致熱效率急劇下降。許箐實驗研究了無混合器情況下二相流板翅式換熱器人口分配特性。但由于其實驗工況范圍較窄,實驗數據有限,其規律尚需更多數據支持修正。本文主要通過二相流動實驗,研究了人口參數對二相流在換熱器內部分配特性的影響,并對比分析了封頭結構參數對二相流的分配特性影響。通過換熱器結構參數改進,改善了板翅式換熱器內部的二相流動分配,達到了優化結構設計的目的。

         

         

        1實驗系統

        1.1實驗系統流程

            實驗系統如圖1所示,本實驗臺可以進行氣相、液相、氣液二相的不均勻分配特性以及換熱器換熱的實驗研究。主要由氣路系統、水路系統以及實驗測試系統等部分組成。在進行二相實驗時,氣液二路同時打開,經過流最調節后,空氣和水經過氣液混合器混合后進人換熱器試件。換熱器試件垂直安裝,氣液二相混合物從封頭引人垂直向上流動,經過轉換開關箱,單流道引出的二相混合物進人氣液分離器進行二相分離,分離出的氣體經渦輪流量計測定流量后放空,液相從分離器下部排人容器用稱量法測量,其余通路氣液二相混合物直接排空。

            氣相主要測量總管以及引出管流體的流量,由氣體渦輪流量計完成。在實驗的氣體流量范圍內,氣體渦輪流量計的測量誤差最大值,引出管為1.4%,總管為0.7%。液相流量總管采用玻璃轉子流量計,根據選擇的型號及測最范圍,可知流量計在試驗測M流量范圍內屬于1.5級精度。在實驗的測量范圍內,溫度和水的重度改變所帶來的誤差均小于0.1%。通道出日液相流量的測量,主要是利用標準容器外加電子秒表計時計算出口流速。選用容積為1 000 n止的量筒作為標準容器,其刻度尺最小刻度為l mL,最大相對誤差為0.1%,通過電子秒表計時,最大誤差為0.2,實驗中,在最大雷諾數下,最大流量通道注滿量筒所用時間為15 s,因此最大計時相對誤差為1.3%,則通道流速的測量誤差小于1.4%.

         

        1.2改進型封頭結構

            由于普通封頭與人口管之間存在比較大的當量直徑變化,造成了封頭內部物流分布的不均勻。在普通封頭出口面上,大部分流體都是從封頭人口管對應的圓形區域內噴射而出,而流體在中心與兩側區域流速分布極不均勻,流速由中間向兩端遞減,并以人口管軸線成對稱分布。因此,本課題組提出了一種改進型的封頭結構,即在普通封頭內部高度一半的地方加人一不均勻打孔擋板。板上打孔率沿著擋板的中軸線向兩側逐漸增加且成對稱分布,孔板上沿中軸線由里向外分別均勻地打小、中、大3種不同直徑的孔。粒子成像測速儀(PLV )實驗結果顯示,該改進型封頭能明顯提高單相流體分布的均勻性。正對人口管的截面,流體皆直接來自上游孔板的滲流。偏離人口管的截面出口的流體,除了由_L游的封頭二次流分流過來,還有通過擋板小孔分流而來的。而幾,隨著截面與人口管距離的增加,孔板分流的效果愈明顯,使得遠離封頭軸線的周邊截面流最增多。本次二相流實驗所用的封頭為普通封頭和改進型封頭2種。

        1.3不均勻性的描述

            實驗研究的對象是經過?;陌宄崾綋Q熱器,其加工工藝和目前空分工業使用的換熱器一致,整體尺寸為:200 min x 250 mm x 950 mm。為實現對小流量的精確測量和相關的實驗研究,將板束斷面出口進行5 x6井字形劃分,每一個小區域的面積為40 mm x 41.7 mm。劃分區域各通道的編號如圖2所示。在實驗時,對每一個區域進行測量,從而得到換熱器出口截面的流量分布特性。

            為了分析研究板束單元體截面物流分配的不均勻性,最直觀的方式是將各個微型通道內的流量值都測出來并畫出截面物流分配圖,但板束單元體截面上眾多的微型通道決定了此方法不可行。標準方差可以很好地綜合反映不同工況、不同板束截面、不同封頭結構參數對板束單元體內部的物流分配不均勻性的影響,因此定義s為換熱器內部物流分配不均勻性參數。

         

        式中:Si為實驗結果的分散程度;N為通道的數目;9i為通道i流速的實驗測量值;9ave為所有通道流速的平均值;qmax為最大流速;qmin。為最小流速;0為最大流速與最小流速之比。

         

        2實驗結果及分析
        2.1普通封頭的分布特征
            圖3為單相流體在傳統換熱器的出口分布特征,氣體和液體的人口平均雷諾數Reg, Ret,分別為2 400和3300。從圖中可以看出,2種氣體的分布呈現相似的規律。流體的大流量區主要分布在中央位置,四周流量較小但沒有出現某個通道流量非常小的現象。在橫向上,流體的大流量集中在正對封頭人口的中間通道,兩側的流量則逐漸對稱遞減。在縱向上,大流量的通道均偏離中心區域,且由于導流片的影響,均向遠離人口封頭的那一側偏離。氣體的最大流速和最小流速之比0g為4.2,氣相不均勻分配參數Sg為0.328。對于液體,其整體分配的均
        勻性好于氣體,液體最大流速和最小流速之比0,和液體不均勻分配參數Sl分別為3.0和0.1970

         

           圖4所示為二相流體在傳統換熱器出口截面的分布。從圖中可以看出,二相流體分布的不均勻性
        大于單相流體,且氣相和液相的分布特征差別很大。氣相流速最大的區域,對應著液相流速最小的區域,反之亦然。如圖4(a)所示,氣相流速比較大的區域位于出口截面的中央,最大流速位于通道18處,而流速較小的區域則位于出口截面的四周(通道1,2,3,28和29),0g為129.2,5。為0.490。對于液相來說,最大的流速位于通道3,而且在橫向上具有幾個極值點,0l和sl分別為9.33和0.294.

        2.2改進型封頭的分布特征
            改進型封頭在入口Reg =2 400, Rel=3 251時的截面物流分配如圖5所示。氣相方面,與普通封頭結構相比,中央通道上的流量降低,更多的氣相流量被分配到了邊角處,0g和Sg分別下降為4.44和0.294,氣相分布的不均勻性有所改善,說明孔板封頭起到了改善邊角處流量的作用。液相方面,通過孔板結構的再分配,普通封頭中出現的液相左偏現象被抑制,整體不均勻性減小.最大流量有所減小,出現位置在通道16,最小流量出現在通道3,0,和S。分別降低至3.397和0.273。進一步的實驗結果表明,當入口Re。固定為2 400時,隨著人口Rel的增大,氣液二相在出口截面處分布形式的變化不大。這說明Rep的變化對改進型封頭出口截面的二相流分布影響較小。結果表明,除了氣相和液相之間的相互作用,改進型的封頭結構對該換熱器內的二相流體分布也具有明顯的影響。液相的連續性使得通過小孔的液體容易對氣體產生阻塞作用,迫使更多的氣體從兩側大孔流人,因而產生了中間通道液相大,氣相小的分配形式。改進型的孔板封頭結構可以非常有效地改善換熱器外圍通道的流量,從而從整體上改善了板束單元體截面物流分配,而且其分配穩定性較好,不易受Re變化的影響。

        2.3不同封頭二相流體分布特征的比較
            氣相人口Reg對二相流體分布的影響如表1所示(Rel=3300)。

            從表1可以看出,氣相和液相分布均勻性均隨著Re。的增加而提高??梢?,在人口ReL不變的情
        況下,提高人口Reg,可提高換熱器內部二相流體分布的均勻性。而且,在實驗范圍內,氣相的不均勻系數與普通型封頭相比,降低了3.1%-35.0%,液相也降低了11.5%-34.1%.
            液相人口Rel對二相流體分布的影響如表2所示(Reg = 2 400)。從結果可以看出,隨著ReL的增加,普通型封頭氣相的分布不均勻性略有增加,而改進型封頭則變化不大,但與普通型封頭相比,其值降低15.4%-35.0%。對于液相來說,普通型封頭分布的均勻性隨著液相Rel的增加而略有改善,而改進型封頭則變化不大。但改進型封頭液相分布的不均勻系數與普通型封頭相比,降低了6. 1%一44.0%。改進型封頭結構可有效改進二相流體在換熱器內部分布的均勻性。

        3結論
            (1)由于現有板翅式換熱器結構設計的不合理,以及二相流體之間復雜的相互作用,使得二相流體在換熱器內的分布極不均勻。二相流體分布的不均勻性系數S均隨著人口Reg的增加而降低,而隨著人口Rel的增加,液相分布的均勻性提高,而氣相則相反。
            (2)改進型的孔板封頭結構可有效提高換熱器外圍通道的流體分配,從整體上改善板束單元體截面二相流體的分布,其二相分布的不均勻系數S均有效降低。而且,其分配穩定性好,不易受Re變化的影響。

         

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