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平行流换热器内气液两相流动特性和结霜过程研究

作　者: 吴小波
导　师: 李夔宁
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 平行流换热器气液分配阻力损失结霜冷凝水排出
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

平行流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蒸发器、家用空调、冰箱等很多领域,以取代传统的翅片圆管换热器。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;平行流蒸发器在低温环境下容易结霜,而结霜对于蒸发器的正常运行有着很大的影响。随着霜层厚度的增加,逐渐堵塞了蒸发器,使通过蒸发器的空气流量越来越小,最终完全堵塞蒸发器。同时霜层的导热热阻逐渐增大,严重影响了换热;平行流蒸发器冷凝水是否有效导出对其的性能影响也较大,如果冷凝水得不到有效的排出,性能将恶化。论文在不同气-液流量下实验研究了六种不同结构形式的平行流蒸发器分支管的液体流量分配情况,发现集管中的流型以环状流型为主,在集管底部夹杂有波状流;结果表明,平行流蒸发器不论是在竖直向下流动时还是在竖直向上流动时,通过增加分支管的内径来调节液体流量在各分支管的分配,其均匀性改善不大,有时反而恶化;两相流体入口应尽可能布置在集管的中间而不是侧端,这样更有利于液体流量在各分支管内的均匀分配。通过实验结果与模型计算值的对比,发现:模型是建立在均相和大直径分支管的基础上,而实验中观察的结果是环状流,即液相主要集中在管壁,气相主要集中的管中心,以及小直径管和大直径管的阻力损失区别,造成了实际沿程阻力损失、局部阻力损失和模型中的计算值差别较大。模型对增加管内径的方法,非常敏感,但是实际并没有出现这么多大的变化。研究中发现各种空气参数对普通翅片圆管式蒸发器结霜速率的影响很大,空气相对湿度、风速越大、蒸发器结霜越严重,蒸发器结霜的温度范围是以0℃为顶点的曲线。同时还发现蒸发器换热量在结霜初期略有增大,在结霜后期蒸发器结霜使得蒸发器换热量急剧下降。不同的地区应根据不同的空气参数制定不同的除霜周期。当平行流蒸发器霜层累计增加时,大翅片长度和高度的总传热系数和空气侧热传热系数下降的更明显,而从传热和传质的类比可以知道总传热系数和空气侧热传热系数如果下降的较慢则传质较慢即结霜较慢,所以更低的霜冻增长速率,压降增加的速率也将降低。换热器的翅片长度和间距的大小要适中,以保证结霜后的压降、总传热系数、效率不会变化太快。蒸发器可以采用倾斜放置的方式、翅片可以采用亲水(湿润)表面处理,加速冷凝水排出;也可以在翅片上开设导流槽道。平行流蒸发器冷凝水排除技术在结构上可以在扁管上开设导流槽道。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
1 绪论  12-24
  1.1 课题的提出及研究意义  12-14
  1.2 平行流换热器国内外发展及研究现状  14-22
    1.2.1 平行流换热器内气液两相流动特性研究现状及进展  14-18
    1.2.2 热泵除霜研究现状及进展  18-22
    1.2.3 冷凝水有效排出研究现状及进展  22
  1.3 本文的研究内容和方法  22-24
    1.3.1 本文的研究内容  22-23
    1.3.2 研究方法和技术路线  23-24
2 平行流换热器研究的理论基础  24-40
  2.1 气液两相流动特性理论  24-34
    2.1.1 气液两相流典型流型描述及图片  25
    2.1.2 气液两相流流型的分类  25-29
    2.1.3 流型图  29-32
    2.1.4 流型转换准则  32-34
  2.2 换热器结霜过程传热传质特性  34-40
    2.2.1 对数平均焓差法  34-37
    2.2.2 对数平均温差法  37-40
3 平行流换热器内气液两相流实验结果及分析  40-52
  3.1 实验装置  40-43
  3.2 实验结果及讨论  43-51
    3.2.1 竖直向下流动  43-47
    3.2.2 竖直向上流动  47-51
  3.3 本章小结  51-52
4 平行流换热器内气液两相流动实验结果与理论模型计算值的对比  52-66
  4.1 模型简介  52-54
    4.1.1 均相流模型  52-53
    4.1.2 分相流  53
    4.1.3 漂移流密度模型  53-54
  4.2 并联管系统两相流流量分配的基本理论分析  54-55
  4.3 各支管中两相流流量计算式的推导  55-57
    4.3.1 气液两相流摩擦阻力压降计算公式的选用  56
    4.3.2 气液两相流进出口局部阻力压降的计算  56
    4.3.3 分支管中两相流流量的计算式  56-57
  4.4 实验结果与理论模型计算值的对比  57-65
    4.4.1 两相竖直向下流动时实验结果与理论模型计算值的对比  57-60
    4.4.2 两相竖直向上流动时实验结果与理论模型计算值的对比  60-65
  4.5 本章小结  65-66
5 翅片圆管式蒸发器结霜模型的建立、结果及冷凝水有效排出分析  66-78
  5.1 蒸发器数学模型的建立  66-68
    5.1.1 蒸发器的物理模型  66
    5.1.2 数学模型中有关参数的计算  66-68
  5.2 计算结果及分析  68-75
    5.2.1 蒸发器结霜量的研究  68-72
    5.2.2 蒸发器换热量的研究  72-75
  5.3 理论值与实验结果的对比  75-76
  5.4 翅片管式蒸发器冷凝水排除技术  76-77
    5.4.1 材料的表面处理  76-77
    5.4.2 蒸发器的结构和布局方式的改进  77
  5.5 本章小结  77-78
6 平行流蒸发器结霜模型的建立、结果及冷凝水有效排出分析  78-90
  6.1 平行流蒸发器数学模型的建立  78-82
    6.1.1 平行流蒸发器的物理模型  78-79
    6.1.2 数学模型中有关参数的计算  79-82
  6.2 计算结果及分析  82-88
    6.2.1 空气侧热传热系数和雷诺数  82-85
    6.2.2 总传热系数和压降  85-86
    6.2.3 j 和f 因子  86-88
  6.3 理论值与实验结果的对比  88
  6.4 平行流蒸发器冷凝水排除技术  88-89
  6.5 本章小结  89-90
7 结论与进一步工作建议  90-92
  7.1 本文的主要工作和结论  90-91
  7.2 进一步工作建议  91-92
致谢  92-93
参考文献  93-98
附录  98
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  98
  B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  98

平行流换热器内气液两相流动特性和结霜过程研究

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