分液板式冷凝器的热力性能评价

分液板式冷凝器的热力性能评价
朱康达;陈颖;陈健勇;罗向龙;姚远;梁志颖
【摘 要】将分液冷凝强化传热思想应用于板式冷凝器中,建立了相应的物理和数学模型.计算了相同换热面积的7种结构分液板式冷凝器的平均传热系数和总压降,同时采用惩罚因子(Penalty Factor,PF)和?损这两个指标对其性能进行评价.计算结果表明:分液效率越高,分液板式冷凝器的综合性能越好.在分液效率为100%,质量流量为0.08~0.12 kg/s范围内,与相同面积的非分液板式冷凝器相比,分液板式冷凝器的PF值降低14.6%,?损减少2.6%~6.1%;当质量流量为0.1 kg/s,平均干度为0.3~0.75,分液板式冷凝器的PF值均小于非分液板式冷凝器,而平均干度大于0.45时,分液板式冷凝器?损小于非分液板式冷凝器.
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【期刊名称】《广东工业大学学报》
【年(卷),期】水性阻燃剂2019(036)005
【总页数】9页(P48-55,70)
【关键词】分液板式冷凝器;传热系数;压降;惩罚因子;㶲损
【作 者】朱康达;陈颖;陈健勇;罗向龙;姚远;梁志颖
【作者单位】广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006;中国科学院 广州能源研究所,广东 广州 510640;广东工业大学 材料与能源学院,广东 广州 510006
【正文语种】中 文
【中图分类】TB657.5
板式换热器是由压制波纹的薄金属换热板片叠装组成的一种换热设备,波纹在狭小的板片流道间形成复杂通道,较低的雷诺数可容易引起强湍流[1],故其传热系数高,且兼具结构紧凑、易安装等优点,在化工、食品、制冷等行业得到广泛的应用.
目前,板式换热器在单相换热(液体/液体)中已有较成熟的应用,并逐步扩展至相变换热(冷凝器和蒸发器). 然而,目前在板式相变换热器的研究和实际应用中大部分仍采用液体无相变的板式换热器,由于相变换热和单相传热的物理过程差别巨大,这种简单替代存在一些
十字滑块联轴器问题. 以冷凝过程为例[2-3]:(1)对于单相液/液板式换热器来说,角孔直径是根据液体流量来设计的. 但用于气体冷凝时,体积流量大、流速高,冷凝器的压力损失较大;(2) 由于板间的通道比较小,其板片的波型通过促进流体湍流实现无相变的强化传热;作为冷凝器时,冷凝液不能及时排走,在通道下半部分大量聚集,形成很厚的液膜,热阻剧增,导致传热变差,且流动阻力进一步变大. 为了改善板式冷凝器的热力性能:一方面可扩大角孔,增加角孔流通面积,改善流动性能,减小压降;另一方面可合理设计换热板片波型,疏导冷凝液,改善传热性能[2]. 但是这些改进措施并不能从根本上解决冷凝液在板式冷凝器下半部分积聚、厚液膜导致传热恶化和压力增加的问题. 因此,进一步提升板式冷凝器的综合热力性能对其发展有重要意义.
近年来国内外对板式冷凝器的冷凝相变传热过程做了大量的理论探索和实验研究,Tao等[4]对板式冷凝器的流型和机理做了详细的综述,总结了因素影响(包括质量流速、干度、压力、入口的过热度、工质物性和板片的几何参数等),指出质量流速和干度的影响最大. Han等[5]研究了不同波纹角度的板式换热器的传热和压降性能,发现传热系数和摩擦压降都随着工质的质量流速和平均干度增加而增加.Longo等[6]总结前人研究多种工质的文献基础上,得到相对雷诺数为1 600时是流型从重力控制到对流控制的转折点. Sarraf等[7]使用
红外技术研究板片温度分布,计算得到出口的局部传热系数比进口大幅降低. Soontarapiromsook等[8]研究表明表面粗糙的换热板片的热力性能优于表面光滑的换热板片. 在这些研究中,并没有对冷凝液在板式冷凝器下半部分积聚这一问题提出解决办法.
羽毛球拍穿线机彭晓峰[9]等提出“分液冷凝”强化传热思想,在冷凝过程将冷凝液及时排走,使气体充分与壁面接触,维持不稳定珠状和薄液膜凝结形态,且提高了干度,获得较高的传热系数;且实际运行中冷凝管内避免了复杂的两相流动,有效降低气液两相的流动阻力;通过合理的流量分配,使全程能够基本维持蒸汽流速不变,避免因流速下降而造成的换热性能下降.“分液冷凝”强化传热已在管翅式冷凝器中实现,Hua等[10]采用逐程计算方法,得到热力性能较优的分液管翅冷凝器. 钟天明等[11]在制冷剂质量流速为448.5~644.7 kg/(m2·s)时,实验对比分液冷凝器和蛇形管冷凝器,分液冷凝器的传热系数在较大质量流速和较高热流密度下超越蛇形管冷凝器. 也有学者将“分液冷凝”应用于管壳式冷凝器中,在相同换热量下,分液管壳式冷凝器的换热面积比普通管壳式冷凝器减少20.5%~41.6%[12].
本课题组首次提出将“分液冷凝”应用于板式冷凝器[13],分析了分液板式冷凝器在有机朗肯循环中的优势. 本文着重对两流程分液板式冷凝器的热力性能进行研究,首先建立了分液板
式冷凝器物理和数学模型,逐程计算平均传热系数和压降,然后提出几种结构方案,采用Cavallini等[14]提出的惩罚因子和㶲损对比各种设计方案;最后分析了分液效率、质量流量和平均干度的影响,对比了分液板式冷凝器和非分液板式冷凝器的性能.
1 分液板式冷凝器的结构
图 1 分液板式冷凝器Fig.1 Schematic diagram of liquid-separation plate condenser: (a) configuration, and (b) internal flow
分液板式冷凝器结构示意图如图1(a)所示,由若干板片A和板片B依次交错堆叠而成,板片分成两个流程. 制冷剂蒸汽从制冷剂入口进入第一流程,进行部分冷凝,由于制冷剂气液两相之间存在重力差(密度差),制冷剂冷凝液集聚在第一流程底部的排液孔,并维持一定液面高度,可防止制冷剂蒸汽从排液角孔流入下一层,因此,第一流程的冷凝液通过排液孔由制冷剂出口1排出,未冷凝的制冷剂蒸汽通过板片B的排气孔进入另一侧的第二流程蒸汽通道,通过合理设计排液孔、排气孔和密封垫片等结构,实现气液分离. 制冷剂蒸汽在第二流程继续被冷却水冷凝,最终从制冷剂出口2全部排出. 而冷却水从冷却水入口进入第二流程先对此流程的制冷剂蒸汽进行冷凝,然后流入另一侧继续对第一流程蒸汽进行冷凝,最
防近视笔终从冷却水出口排出. 如图1(b)所示,由于气液分离作用,第一流程下半部分液膜的厚度大大减小,而且第二流程制冷剂的干度大大提升. 由于第一流程和第二流程之间有部分冷凝液排出,第二流程的制冷剂流量减少,为了维持此流道的质量流速,第二流程板片宽度小于第一流程板片宽度,如图2所示.
图 2 分液板式冷凝器的板片示意图Fig.2 Schematic diagram of the plates in the liquid-separation plate condenser
2 数学建模
板式冷凝器中制冷剂冷凝过程比较复杂,本文只研究两相冷凝的情况. 为了简化模型,在数学模型构建时做以下假设:
(1) 板式冷凝器的流体为一维均相流;
(2) 只考虑沿径向导热,忽略平板其他方向的导热,且板壁热阻忽略不计;
(3) 考虑制冷剂侧沿程压降,且每流程制冷剂侧物性取决于该流程的平均压力,流体由第一流程至第二流程的压降忽略.
2.1 数学模型
根据能量守恒,每一流程的制冷剂侧和水侧热量平衡可表示为
其中,Q为热负荷(W),为质量流量(kg/s),h为比焓(kJ/kg),α为传热系数(W/(m2·K)),A为换热面积(m2),T为温度(℃),cp为比定压热容(J/(kg·K)). 下标r代表制冷剂侧,w代表水侧,k代表第k流程,in代表入口,out代表出口. wall代表板片.
制冷剂侧传热系数的关联式[15]:
式中,Reeq为当量雷诺数,Pr为制冷剂普朗特数,G为质量流速(kg/(m2·s)),xave为平均干度,ρ为密度(kg/m3),μ为动力黏度(N·s/m),k为导热系数(W/(m·K)),Dh为水力直径(m). 下标l和g分别表示液体和气体.
制冷剂侧的压降关联式[16]:
其中,fr为摩擦因子,Bo为沸腾数,q为热流密度(W/m2), γ为潜热(J/kg),ΔPr,f为摩擦压降(Pa),ΔPtot为总压降(Pa),ΔPman为进出角孔压降(Pa),ΔPde为减速压降(Pa),ΔP
ele为重力压降(Pa),L为板片长度(m),g为重力加速度(m/s2),v为比体积(m3/kg),u为速度(m/s).
水侧传热系数的关联式[15]:
分液板式冷凝器为两个流程,其平均传热系数(αr,ave)和压降(ΔPtot)分别表示为
本文采用惩罚因子(Penalty Factor, PF)对制冷剂侧的热力性能进行评价,包括:(1) 由摩擦压降造成的饱和温度下降,与制冷剂的流动相关;(2) 因饱和温度下降引起的制冷剂温度与壁温的传热温差变化,与制冷剂的传热相关. 对于特定的制冷剂,选用不同的换热器结构,PF值越小,表明该换热器性能越好. PF的表达式为[14]:
其中,DTsr为制冷剂饱和温度与壁面的传热温度(K),DTdr为饱和温度下降值(K),dpf /dz为冷凝过程的压力梯度(Pa/m).
板式冷凝器除了制冷剂侧的传热外,还有水侧的传热. 为了评价板式冷凝器的整体性能,本文选用㶲损作为评价指标,其计算方法为[17]:
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式中,为㶲流(kJ),e为比㶲(kJ/kg),s为比熵(kJ/(kg·K)), 和分别为㶲损、付出㶲和获得㶲(W),下标j代表状态点,下标0表示参考状态(P0=0.1 Mpa,T0=5 ℃).
第一流程的冷凝液在排液孔的分液效率定义为
2.2 计算流程
分液板式冷凝器由于有气液分离,流程之间制冷剂的截面质量流量和干度发生突变,为非连续变化,因此需分段计算每一流程的传热系数和压降,其计算流程如图3所示. 已知条件为:换热器的结构参数,制冷剂的质量流量、进口温度(Tr,in)与干度(xr,in),水的进口温度. 假定水的质量流量,先计算第一流程(k=1)的热力性能,设定第一流程的干度(x1,out)和压降(ΔP1’)的初始值,以调取制冷剂的物性,通过制冷剂侧的压降关联式(式(8~16))得出计算值(ΔP1),与压降初始值进行比较并迭代,迭代完成后,通过能量平衡方程(式(1~7))计算平均壁温(T1,wall)和通过水侧传热关联式(式(17))计算水侧换热量(Q1,w),制冷剂侧换热量(Q1,r)与水侧换热量(Q1,w)进行比较并迭代. 当每一流程都迭代完后,比较制冷剂侧总换热量(Q1,r)与水侧总换热量(Q1,w),如果差别较大,重新假定水的质量流量再运行程序一次,直到两侧总换热量达到相等,输出传热系数(α)、压降(ΔP)、PF值和
㶲损. 程序计算采用MATLAB软件,使用的为R134a制冷剂,其物性参数采用REFPROP[18].
图 3 计算流程图Fig.3 Computational procedure
在程序中,分液板式冷凝器与非分液板式冷凝器(非分液)的区别主要在于非分液板式冷凝器全程制冷剂质量流量都相等,分液板式冷凝器的第二流程制冷剂质量流量等于第一流程的质量流量减去制冷剂出口1排出量,因此,程序既可以计算分液板式冷凝器,也可以计算非分液板式冷凝器.
2.3 程序验证
目前尚未有分液板式冷凝器的实验数据发表,且此程序也可计算非分液板式冷凝器的热力性能,因此,为验证数学模型可靠性,采用Djordjevic等[19]非分液板式冷凝器的实验数据对程序进行验证. 在相同的几何结构、运行工况和制冷剂(R134a)下,其计算结果和实验结果对比如图4所示,传热系数计算值与实验值的误差在±15%以内.

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