换热器应用于生产生活中的方方面面,空调系统中制冷剂与环境进行热量交换的蒸发器与冷凝器便是换热器的一种。而微通道换热器,则是指流体流动的通道,即管道的尺度较小,也就是微尺度的换热器,一般我们把通道的当量直径在10-1000μm的换热器称之为微通道换热器。
微通道换热器由多种零部件组成,包含制冷剂流通的扁管、增强换热的翅片、集流管、分隔流路的隔板等。制冷剂流经扁管,并与扁管外边的空气进行换热。每根扁管内部会有数十条细微的通孔流道,圆形集流管连接扁管的两头,并进行制冷剂流路的分配。扁管之间通常会有加强换热的翅片,翅片的类型也有不同。
翅片的作用是用来增加换热器换热面积,减小空气流动过程中的阻力,扰乱换热的边界层,从而达到强化换热,提高换热效率的目的。通过集流管和隔板可以控制和优化制冷剂在扁管内的流动。同时微通道蒸发器会采用不同的流程,每个流程之间通过集流管进行连接。每个流程的扁管数不一致,可根据制冷剂的物性,状态进行优化排布。
随着微通道换热技术的不断发展和加工工艺的逐渐成熟,对于微通道换热器应用的研究也不断发展。目前在 汽车空调行业和家用空调行业 都已经逐步开始有微通道换热器的相关产品的生产和应用。微通道换热器相比传统的管片式蒸发器,有着诸多明显的优势,分别为:
1)、不同于以往的铜铝焊接,在焊接处会存在焊接的接触热阻,导致换热性能下降。微通道换热器采用的是钎焊技术,不存在铜铝焊接中的焊接热阻问题,能够很好地增加回热器的导热性能。
2)、同时微通道换热器中制冷剂通道当量直径小,根据传热学知识,换热系数h=Nu×k/d(Nu是努塞尔数;k 为导热系数;d为水力直径)可以知道,随着扁管的通道减小,制冷剂与换热器的换热系数大大增加,微通道换热器微尺度下的换热性能将能够比传统换热器高出一个数量级。微通道换热器的水力直径通常在1mm一下,由于其水力直径相比于传统管片式换热器有明显的减小,因而使得其换热系数得到了显著的提高,使得其换热效果更强。
3)、铜管铝翅片换热器由于铜和铝两种材料之间化学性质的差异,在其铜铝焊接处,由于铜铝之间电位不一致,存在电位差,容易出现两种材料的电化学腐蚀,使得换热器换热性能下降。同时在长时间使用后会出现翅片由于腐蚀而损坏等问题。而微通道换热器中所有材料均为铝材料,不存在材料性质的差异所导致的腐蚀问题,同时材料的一致性也方便加工焊接。
4)、目前空调系统多采用铜作为原材料,而铜材料价格昂贵,使得厂家的生产成本一直居高不下。铝材料价格低廉稳定,质量轻,是很好的铜材料替代品。若能够推广使用铝材料的微通道换热器用来替换目前的铜管铝翅片换热器将会使得空调系统的材料加工及制造成本的大大降低,进一步提高产品的市场竞争力。
5)、而与此同时其质量、所占空间均要明显少于制冷量相当和能效相同的铜管铝翅片换热器。此种好处是使得微通道换热器在做到性能与原有管片式换热器一样的同时,能够减少制冷剂的充注量以及采用更小风量,也就是体积更小的风扇,这样可以进一步地节省空调系统的安装空间。而且较小的质量和体积能够降低换热器的运输成本,同时有助于实现车身轻量化[1]。
目前微通道换热器在空调领域虽有不少应用,但主要仍是作为冷凝器使用。然而对于微通道换热器作为蒸发器使用,目前的研究较少,且仍有不少尚未解决的问题。微通道换热器作为蒸发器使用存在的仍存在的问题如下:
1)、制冷剂分配不均:微通道换热器作为蒸发器使用时,由于制冷剂在蒸发器中为两相流的状态,两相流流体十分不稳定,且分配容易受到流道的弯曲重力作用等诸多因素影响,分配不均现象十分严重。而制冷剂的分配不均会对换热器的换热性能大打折扣。使得微通道蒸发器换热量下降,出口温度不均。如何通过优化微通道换热器中的扁管,隔板,集流板等结构来改善制冷剂的分配,仍是一个十分打的挑战;
2)、冷凝水排除困难:微通道换热器作为蒸发器使用,由于蒸发温度低,空气侧降温后达到饱和,会在换热器表面形成凝结水。采用扁管方式的微通道换热器与采用圆管的管翅式换热器相比,冷凝水更容易停留在表面,不易排出。同时由于微通道换热器扁管与翅片之间采用的是钎焊的焊接方式,容易在焊接处产生不平的凹凸点,使得冷凝水更容易凝结且不易排出;
3)、结霜:除了冷凝水的排除问题,蒸发器使用中的又一大问题结霜也在微通道蒸发器中变得更加值得注意。由于微通道换热器中的冷凝水不易排除,使得微通道换热器更容易出现结霜的现象。由于此种原因,必将导致空调系统在实际运行中要不断地停机进行除霜化霜,而这无疑会导致系统性能的下降和用户体验好感降低;
4)、压降大:由于微通道换热器的直径在10-1000μm,孔径小,因此制冷剂在流动过程中换热系数增大的同时也伴随着阻力较大的问题。使用微通道换热器将会产生较大的压降。
5)、空气侧气流分布:微通道换热器由于空气侧的流动阻力较小,这将会导致空气流动的不均匀现象更加明显,从而造成蒸发器换热性能的下降。
本次仿真案例拟通过Fluent,模拟仿真某一款结构微通道蒸发器的内部两相流流动情况,并通过对分流板的结构优化来改善微通道蒸发器流动分配的均匀性,并与实验结果相验证。
本次研究蒸发器原型芯体三维尺寸为242.4mm×200mm×41.1mm,由双排每排33根扁管组成,流程为33-33,有效迎风面积为235.4 mm×176mm,芯体由以下九部分零件组成:
进液管为一内径为10mm的入口管,制冷剂由此进入蒸发器进行蒸发换热,其结构如下图所示:
排气管为一内径为14mm的出口管,制冷剂在蒸发器中完成蒸发换热并由排气管排出,其结构如下图所示:
集流管组件1由:集流管、堵帽组成,三维尺寸为242.4mm×20mm×41.1mm,集流管为一B型管,底部开有双排共66个槽,可插入双排扁管
扁管结构如下:扁管长度179mm,其中除去插入集流管中长度,扁管有效长度为176mm,扁管宽度17mm,扁管高度1.8mm,孔数10,孔宽度1.38mm,孔高度1.3mm。
翅片1结构如下图:翅片高度8.04mm,有效高度7.2mm,翅片间距1.6mm,翅片宽度39mm,翅片厚度(以0.09mm计),开窗角度38°,Lp=1.3mm,leading land=1.5mm,middle land=2mm。翅片1位于左右两端扁管与护板之间。这是位于蒸发器边缘的两条翅片,结构参数略微与其他不一致,为了计算简便,后期将其考虑成和其他翅片一致。
翅片2结构如下图:翅片高度5.03mm,有效高度4.4mm,翅片间距1.3mm,翅片宽度38mm,翅片厚度(以0.09mm计),开窗角度30°,Lp=1mm,leading land=1.5mm,middle land=1mm。翅片2位于两根扁管之间,用于强化换热。
在传统的蒸发器中,采用上下集流管的结构形式,在上一流程与下一流程的连接中,通过分流板对制冷剂进行重新分配。我们此次的蒸发器下面采用一种全新的导流板结构,如下图所示:导流结构由两块冲压板组成,其中一块导流板开有双排通孔。其中两排通孔中每两个是连通的,中间由挡板隔开,从而形成了制冷剂流动的通道。这样使得制冷剂可以通过通道由上一排扁管一一对应流入下一排扁管之中。此种方法可在保证初次分配均匀的情况下,避免制冷剂流动过程中由于制冷剂分配不均而导致的蒸发器性能下降。
上一课程中的分享,我们详细了解了微通道换热器优缺点与结构等,今天我们开始做这个换热器的CFD仿真分析:
我们通过Fluent对蒸发器原型内部两相流的流动分配进行模拟仿真,并根据仿真结果进行蒸发器的结构优化设计从而达到提高微通道蒸发器两相流流动分配均匀性的目的。管内流体为两相制冷剂的平行流蒸发器,存在气液两相在平行流扁管内流量分配不均的问题。两相制冷剂的流量分配受入口流量、干度、集液管结构等多种因素的影响,相比于单相流体仿真模型,两相流体模型更为复杂。
在平行流蒸发器中,入口集液管,出口集液管(或过流集液管)的结构都会对压力场分布,及两相制冷剂的流量分配产生影响。为了提高仿真结果的准确性,我们将整个蒸发器进行建模仿真。采用三维建模软件SolidWorks对蒸发器进行建模,直接画出蒸发器内流道模型,并对模型中的边角圆弧进行适当的简化。
将建好的流道模型导入ANSYS-Workbench中的designmodel模块,定义进出口,以及各扁管进出口,方便后面监测各扁管中质量流量、压力等值。
网格划分直接使用Workbench中自带的mesh模块进行划分,将模型进行适当的切割,并对部分区域进行加密处理,确保网格质量达到计算要求。网格采用自适应网格,网格数量约210万。
计算流体动力学求解的控制方程为连续性方程及动量方程,控制方程如下(参见fluent帮助文件):
接下里就是将模型导入到Fluent中进行仿真了。将画好的网格导入Fluent中进行仿真计算:
求解器模型、定义边界条件、材料属性、求解方法、监视器等参数设置如下:
5.1 采用Mixture两相流模型,基于压力的稳态隐式求解器,多相流湍流模型采用......模型,采用s.....模型,以气相为主相,液滴直径0.01 mm。
5.2 两相流材料分别选取R134a在蒸发器对应的压力(约0.3MPa)和温度(0℃)的气液两相的物性参数,通过查表输入。
5.3 定义边界条件,入口为mass-flow-inlet,出口为pressure-outlet,其余为wall,由于一般蒸发器集液管带有保温层,不参与换热,假定其绝热。
5.4 压力速度耦合方式为simple算法,动量方程的离散采用QUICK格式,其余为一阶迎风格式。
5.5 定义监视器,监测进出口质量流量、压力、各扁管质量流量以及残差。
5.6 初始化并迭代计算,直到结果稳定,保存case和data。
从仿真结果可以看出,在入口段,由于制冷剂流速较大以及制冷剂从进口管进来后存在一个突然扩张导致制冷剂回流存在一个低压区,从而导致一部分扁管制冷剂质量流量偏小。
七、实验和优化
7.1 为了验证蒸发器性能仿真计算的可靠性,我们进行了蒸发器单体性能试验。实验工况如下:
同时为了得到制冷剂的流量分布情况,我们采用红外热像仪拍摄了蒸发器表面温度分布图,图中温度较高的部分是由于制冷剂流量偏小,因而与空气换热后达到的过热度较高所致,可以看出与仿真结果较为接近。
7.2 优化:
7.2.1 结构:
平行流蒸发器内的两相流量分配控制主要在集液管内实现,为了提高蒸发器内部流量分配的均匀性,蒸发器的内部通常会设置有导流板,使集液管压力梯度尽量减小有利于实现流量的均匀分配。
第一种集液管结构为“未优化结构”,制冷剂入口管、集液管上盖板、后端盖、主板(扁管插孔板),以及数十根根扁管组成典型的平行流蒸发器集液管,集液管内部未设置流量分配控制结构,如表3-1“未优化结构”所示。
“径向节流结构”通过在集液管内适当位置设置带节流孔竖直隔板实现,希望通过隔板的阻拦作用使压力梯度尽量减小,其特点为:采用带节流孔竖直隔板,工艺性好,隔板位置及节流孔孔径大小可通过实验标定,当蒸发器尺寸变化时便于调整,可对集液管内压力分布进行有效控制。
“轴向节流结构”通过在集液管内设置带节流孔水平隔板实现,原理与“径向节流”一致,通过损失一定的制冷剂压力,达到降低集液管内压力梯度的目的;其结构特点与“径向节流”相比其主要区别为:在集液管内隔板为水平放置,节流孔在水平隔板上的位置,形状,孔径等均为可调参数,但是工艺较为复杂。
“插管式结构”希望通过使制冷剂流经集液管内管路上的开孔,达到降低集液管内压力梯度,均匀分配两相制冷剂的目的;其结构特点是,制冷剂入口管路插入集液管直到底部,在入口管路插入集液管的部分上开孔,使两相制冷剂从入口管路上的开孔处流出,进入各根扁管。该结构在批量生产制造时,只需将加工好的入口管路插入集液管,工艺性较好。
本次针对平行流蒸发器集流管内部的轴向节流机构(分流板)进行仿真优化,得到不同结构的分流板对于蒸发器内部两相流流动分配的影响。分流板在蒸发器内部的结构图如下所示:
为了研究孔径对蒸发器内部流动分配的影响,我们分别建立了一个孔径为2mm和一个孔径为5mm的集流管模型,并进行仿真,比较两者的区别,结果如下图所示:
由上面的结果分析可以看出,制冷剂在小孔径下质量流量分配较为均匀,但随着孔径的减小,流动阻力也会随之上升,因此要在压力允许的范围内对孔径进行选择。
7.2.3 孔数对蒸发器内部流动的影响
为了研究孔数对蒸发器内部流动分配的影响,我们分别建立了孔径为2mm,孔数为6、8、16的蒸发器模型,并进行仿真,比较三者之间的区别,结果如下图所示:
由上面的结果分析可以看出,在各孔质量流量分布大致均匀的情况下,由开孔流出到个各扁管中的质量流量依然存在不均匀性,随着孔数的增加,制冷剂分配的均匀性不断提高,当开孔数为16(约为扁管数的1/2)时,制冷量分配较为均匀。
因而之后的分流板设计我们将考虑使用小孔径分流板,开孔数为16,将于近期进行样件加工和实验验证。
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