平行流蒸发器内气液两相流分配均匀性实验研究

收稿日期:2008-12-21;　修订日期:2009-03-11

作者简介：李夔宁(1970-)，男，重庆人，重庆大学副教授.文章编号:1001-2060(2009)06-0759-07

李夔宁，吴小波，尹亚领

(重庆大学动力工程学院，重庆400030)

摘　要：平行流蒸发器内气液两相(特别是液相)在各扁管间的分配对其传热性能影响较大，如果各扁管间的气液分配不均匀其传热性能将显著地下降。在不同气-液流量下实验研究了6种不同形式的平行流蒸发器的分支管液体流量分配情况，实验中观察到流型以环状流为主。研究发现，对于竖直向下流动和竖直向上流动，用通过增加管径的方法不能改善液体流量在各分支管的分配，而主管中气液入口的位置对于流量分配均匀性影响较大。

关键词：平行流蒸发器；气-液两相流量；流型；均匀性;

环状流

中图分类号:TK124:O359.1 　文献标识码:A

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引　言

多孔扁管换热器空气侧采用换热性能较高的百叶窗翅片，制冷剂侧采用小水力直径的多通道扁管，使空气侧和制冷剂侧的换热都被强化，被认为是一种高效、紧凑的换热器。平行流换热器已广泛应用于汽车空调系统中的冷凝器，近年来又被推广应用到家用空调、冰箱的蒸发器，以取代传统的翅片圆管换热器[1～2]。平行流蒸发器内气液两相(特别是液相)在各扁管间的分配对其传热性能影响较大，如果各扁管间的气液分配不均其传热性能将显著的下降[3]。Tushar K ulkarni人等的研究发现[4]，下降可高达20%。在平行流冷凝器中传热恶化现象没有蒸发器严重，因为进入冷凝器的是单相气态工质相比进入蒸发器的气液两相工质，流动均匀分配较容易达到。另一方面由于平行流蒸发器为了方便冷凝水的导出，采用了水平集管的设计(冷凝器是垂直集管，下面讨论的竖直向下流动和向上流动指的是流体在分支管的流向，集管仍是水平的，并不矛盾)，水平集管内两相流体容易受重力的影响形成分层流动。

Nae2Hyun K im、Jun K y oung Lee、A.Marchitto和Hai2tao Hu等人实验研究了影响平行流蒸发器内气液两相流动分配的各种因素[5～8]。由于平行流换热器各分支管内液体流量分配是影响换热的主要因素，所以本实验通过改变平行流蒸发器布置形式、进出口管径等，得到不同气液流量下每根分支管的液体流量占总液体流量的比例，观察相应的流型，并且比较布置形式、进出口管径等在不同气液流量下对平行流蒸发器内液体流量分配的影响。

1　实验装置

实验装置示意图如图1所示，实验由气路、水路、气-水混合后的主管路以及称重测量系统组成。水路由水箱、液泵、液体流量计和流量调节阀组成，其中液体流量计为液体涡轮流量计，精度等级:±1%。气路由压力调节阀和气体流量计组成，其中气体流量计为气体涡轮流量计，精度等级:±1%。气-水混合后的主管路由混合段、压力表、集管和分支管组成，其中为保证进入集管的两相流体充展，从混合段到集管进口的管路长1.2m。称重系统由气液分离器和电子秤组成，其中电子秤的精度:±0102%。实验用室温的空气-水作为气-液工质

。

图1　实验装置示意图

第24卷第6期2009年11月

热能动力工程

JOURNA L OF E NGI NEERI NG FOR THERM A L E NERGY AND POWER坑槽修补

V ol.24,N o.6

N ov.,2009

图2为6种不同的进出口通道布置形式，均用透明的PVC 制作，可以可视化观察主管内的两相流动状态。主管均为长135mm ，内径20mm 的圆管。8根分支管均用圆管代替实际的扁平管，间距16mm ，长700mm 。图2(a )～(c )所示两相流体从右段进入，图2(d )～(e )所示两相流体从与分支管所对的主管直管段中间内径10mm 的管进入，图2(f )所

示两相流体从与分支管夹角135°的内径10mm 的管

进入。图2(a )、

次同步谐振(d )、(f )所示分支管内径均为3mm ，图(b )所示左边4根管内径为3.5mm ，其余为3mm ，图(c )所示左边4根管内径为3mm ，其余为3.5mm ，图(e )所示中间4根管内径为3mm ，其余为3.5mm 。本实验气水混合物进口质量流量和干度范围分别是:80.5～120.5kg/(m 2・s ),0.05～0.15

。

图2　进出口通道布置形式(mm )

2　实验结果及讨论

2.1　竖直向下流动

2.1.1　液体质量流量和干度对图2(a )所示布局的

分支管液体流量分配的影响

图3　液体质量流量(G f ,in )和干度(x in )对图2(a )所示布局液体流量分配的影响

图3中横坐标表示分支管号(图4～图12图示

上海知音心理咨询坐标意义和此相同)，与图2(a )的所标示分支管号

相对应；纵坐标表示液体流量比(图4～图12图示坐标意义相同)，即第i 根管的液体质量W f ,i 与总液

・067・　热能动力工程2009年

体质量W f ,in 的比值；图中虚线表示液体流量在每根

分支管中均匀分配时，达到的流量比；图3中气体流量固定为G g ,in =10.0kg/(m 2s )，进口总质量流量固定为G in =100.0kg/(m 2s )。图3(a )为液体质量流量的变化对图2(a )所示布局的分支管液体流量分配的影响，当液体流量增加时，前4根管的流量比减小，后4根增加。图3(b )为干度变化对图2(a )所示布局的分支管液体流量分配的影响，当干度增加时出现了与液体流量增加时相类似的结果。通过可视化观察发现，此时管内流动属环状流动。当液体或气体流量增加时，主管上部液膜变厚、气-液动量增加，此时将有更多的液体被带往与进口相对的后方，从后4根管流出。

2.1.2　液体质量流量和干度对图2(b )所示布局的

分支管液体流量分配的影响

图2(b )所示布局与图2(a )的区别为与进口相对的后4根管内径为3.5mm ，液体质量流量和干度对图2(b )所示布局液体流量分配的影响如图4所示。由于后4根管管径变大，阻力变小，所以在相同情况下，图2(b )所示布局前几根管流量减少，后几根增加。对比图3和图4发现当液体流量或干度较小时，图2(b )所示布局与图2(a )所示布局差别较小；当液体流量或干度较大时，差别较大。从图4(b )可以看出：当干度x =0.15时，第2～第6根分支管彼此相差不大。但是从总体看这种改变后4根管径的做法，效果不明显，从图4

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看出各分支管液体流

图4　液体质量流量和干度对图2(b )

所示布局液体流量分配的影响

图5　液体质量流量和干度对图2(d )所示布局液体流量分配的影响

量差别仍然很大。

2.1.3　液体质量流量和干度对图2(d )所示布局的

・

167・第6期李夔宁，等：平行流蒸发器内气液两相流分配均匀性实验研究

zhiwang

分支管液体流量分配的影响

图2(d )所示布局向下流动时液体流量比变化从图5中可以看出：气-液流量增加，位于中间管子的液体流量比减小，位于两边管子的液体流量比增加。如图5(a )中流体流量为110.5kg/(m 2s )和图5(b )干度为0.15时，各分支管的液体流量分配差别很小。通过可视化观察发现，此时主管内从中间向两旁形成波状、起伏流动、上部液膜较薄，大概在第2、5、7管位置形成波峰，这就造成了如图5所示液体流量比成波状变化，第2、5、7管的液体流量比较大。且当气-液流量增加时波状流动向两旁以更快的速度传递，所以位于中间管子的液体流量比减小，位于两边管子的液体流量比增加。2.1.4　液体质量流量和干度对图2(e )所示布局的

分支管液体流量分配的影响

图2(e )所示布局与图2(d )的区别为距离进口管两旁最远的4根管内径为3.5mm 。由于距离进口管两旁最远的4根管内径变大，阻力变小，所以在相同情况下，图2(e )所示布局中间几根管流量减少，其它

几根增加。对比图5和图6发现在相同的气液流量下图2(e )所示布局的两旁分支管流体流量比小幅度增加，中间减少。图2(e )所示布局，由于主管内从中间向两旁形成波状、起伏流动，大概在第2和第7管位置形成波峰，第3和第6管位置形成波谷，而第2和第7管内径3.5mm ，而第3和第6管内径3mm 。这就造成了如图6所示第2和第3、第6和第7根管的液体流量比相差较大

。

图6　液体质量流量和干度对图2(e )

所示布局液体流量分配的影响

图7　液体质量流量和干度对图2(f )所示布局液体流量分配的影响

2.1.5　液体质量流量和干度对图2(f )所示布局的

分支管液体流量分配的影响

・267・　热能动力工程2009年

图2(f )所示布局竖直向下流动时液体质量流量

对液体流量比的影响从图7(a )中可以看出：当液体质量流量增加时，两端管子的液体流量比增加，中间两根管虽然流量有所增加，但是液体流量比几乎没变化。由图7(b )所示，当干度增加时中间两根管子的液体流量比减少，靠近端面的管子液体流量比增加。原因为：图2(f )所示进口管与分支管夹角135°，有一部分两相流体直接落到管底，剩余的撞击在管壁上，沿着管壁下落。当气体或液体流量增加时，撞击管壁后的气或液体轴向动量增加，靠近端面管的流量就增加。

2.2　竖直向上流动

2.2.1　液体质量流量和干度对图2(a )所示布局的

分支管液体流量分配的影响

对于图2(a )所示的布置形式向上流动时液体质量流量和干度对液体流量分配的影响如图8所示。由于形成环状流动，且受重力的影响，主管上部的液膜厚度随着流体运动的方向减小，下部液膜厚度随着流体运动的方向增加。所以流量分配趋势是前几根管减小，后几根渐大。当气或液的流量增加时，主管上部液膜增厚，所以前几根管液体流量比增加，后几根减少

。

图8　液体质量流量和干度对图2(a )

所示布局液体流量分配的影响

图9　液体质量流量和干度对图2(c )所示布局液体流量分配的影响

2.2.2　液体质量流量和干度对图2(c )所示布局的

分支管液体流量分配影响

图2(c )所示布局与图2(a )的区别为靠近进口管的4根管内径为3.5mm 。由于靠近进口根的4

根管内径变大，阻力变小，所以在相同情况下，图2(c )所示布局前几根管流量增加，后几根减少。对比图8和图9发现当液体流量或干度较小时，图2(c )所示布局与图2(a )所示布局差别较小；当液体流量

・

367・第6期李夔宁，等：平行流蒸发器内气液两相流分配均匀性实验研究

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