基于R290工质的直接接触冷凝器内流动与传热数值研究_宁静红.pdf

2 0 2 3年1月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第2 5卷 第2期收稿日期:2 0 2 2-1 1-3 0基金项目:天津市自然科学基金项目(编号:1 8 J C Y B J C 2 2 2 0 0)作者简介:宁静红(1 9 6 4-),女,博士,教授,研究方向为制冷系统的节能与优化。基基于于RR 22 99 00工工质质的的直直接接接接触触冷冷凝凝器器内内流流动动与与传传热热数数值值研研究究宁静红1,杨挺然1,刘华阳1,贾永勤1,刘兴华2(1.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津3 0 0 1 3 4;2.天津天商酷凌科技有限公司,天津3 0 0 1 3 4)摘要:为探究直接接触冷凝器内传热传质特性,针对R 2 9 0直接接触冷凝制冷系统中R 2 9 0过热蒸气与R 2 9 0过冷液直接接触冷凝过程,提出了3种不同尺寸的筒型正交混合式冷凝器,采用F L U E N T软件对其进行了气液两相热质传递的数值模拟。结果发现:在相同冷凝工况下,体积较小的A型冷凝器内部流型为环状流,体积较大的B、C型冷凝器内部流型为泡状流;A型冷凝器内几乎不发生传热传质;在产生泡状流的冷凝器中,冷凝器体积越大,传热传质效果越好;冷凝器体积传热系数随体积增大而减小;在相同冷凝热负荷的情况下,直接接触冷凝器所需换热面积仅为间壁式冷凝器的8%1 4%。研究结果可为直接接触冷凝器设计优化提供可行方案。关键词:直接接触;冷凝器;气液两相流;传热传质中图分类号:T K 1 1+5;T K 5 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 9 4 4(2 0 2 3)0 2-0 2 3 0-0 7N u m e r i c a l S t u d yo fF l o wa n dH e a tT r a n s f e r i nD i r e c tC o n t a c tC o n d e n s e rB a s e do nR 2 9 0W o r k i n gM e d i u mN i n gJ i n g h o n g1,Y a n gT i n g r a n1,L i uH u a y a n g1,J i aY o n g q i n1,L i uX i n g h u a1,2(1.T i a n j i nK e yL a b o r a t o r yo fR e f r i g e r a t i o nT e c h n o l o g y,T i a n j i nU n i v e r s i t yo fC o mm e r c e,T i a n j i n3 0 0 1 3 4,C h i n a;2.T i a n j i nT i a nS h a n gC o o l i n gT e c h n o l o g yC o.,L t d.,T i a n j i n3 0 0 1 3 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h eh e a t a n dm a s s t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s i n t h ed i r e c t c o n t a c t c o n d e n s e r,a i m i n ga t t h ed i r e c t c o n t a c t c o n d e n s a t i o np r o c e s so fR 2 9 0s u p e r h e a t e ds t e a ma n dR 2 9 0s u p e r c o o l e d l i q u i d i nt h eR 2 9 0d i r e c t c o n t a c t c o n d e n s a t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m,t h r e ek i n d so f c y l i n d r i c a l o r t h o g o n a l h y b r i dc o n d e n s e r sw i t hd i f f e r e n t s i z e sa r ep r o p o s e d.T h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fg a s-l i q u i dt w o-p h a s eh e a t a n dm a s s t r a n s f e rw a sc a r r i e do u tb yu s i n gF L U E NTs o f t w a r e.I t i sf o u n dt h a tu n d e rt h es a m ec o n d e n s i n gc o n d i t i o n,t h e i n t e r n a lf l o wp a t t e r no f s m a l l e rA-t y p ec o n d e n s e r s i sa n n u l a r f l o w,a n dt h e i n t e r n a l f l o wp a t t e r no f l a r g e rB-t y p ea n dC-t y p ec o n d e n s e r s i sb u b b l e f l o w.T h e r e i sa l m o s tn oh e a t a n dm a s s t r a n s f e r i nA-t y p ec o n d e n s e r.I nt h ec o n d e n s e rp r o d u c i n gb u b b l e f l o w,t h e l a r g e r t h ec o n d e n s e rv o l u m e,t h eb e t t e r t h eh e a t a n dm a s s t r a n s f e re f f i c i e n c y.T h ev o l u m e t r i ch e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t h ec o n d e n s e rd e c r e a s e sw i t ht h ev o l u m e i n c r e a s e.U n-d e r t h es a m eh e a t l o a da n dh e a t t r a n s f e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e,t h eh e a t t r a n s f e ra r e ao fd i r e c tc o n t a c tc o n-d e n s e r i so n l y8%t o1 4%o f t h eh e a tt r a n s f e ra r e ao f t h es u r f a c eh e a tc o n d e n s e r.T h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d ea f e a s i b l es c h e m e f o r t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no fd i r e c t c o n t a c t c o n d e n s e r.K e yw o r d s:d i r e c t c o n t a c t c o n d e n s a t i o n;c o n d e n s e r;g a s-l i q u i dt w o-p h a s e f l o w;h e a t a n dm a s s t r a n s f e r1 引言直接接触冷凝以较高的传热系数在工业生产生活中被广泛应用,如核反应堆冷却1、给水加热器2和海水制盐3等。两种流体工质传热时不经过任何媒介直 接 接 触 发 生 冷 凝,因 而 具 有 很 高 的 冷 凝 效率4。直接接触冷凝器作为冷热工质传热传质的场所,通常因实际应用而具有不同特征,如喷淋式、浸没032DOI:10.16663/ki.lskj.2023.02.037 宁静红,等:基于R 2 9 0工质的直接接触冷凝器内流动与传热数值研究能源与节能式等5。直接接触冷凝过程中由于相变的存在,伴随有强烈的热质传递现象,学者们针对两相流直接接触冷凝开展了大量的数值模拟与实验研究。W a n gJ u e等6对蒸汽浸没射流过冷水池的研究进展进行了系统综述,阐述了蒸汽直接接触冷凝过程中产生的冷凝流型图、传热特性和排放管内或蒸汽射流附近的压力振荡。Y a n gX i a o p i n g等7对矩形通道内蒸汽与过冷水流的直接接触冷凝开展了实验研究,得到了流型图,并计算平均传 热系数在3 9 2 06 8 1 0kW/m2K。K.N.J a y a c h a n d r a n等8通过C F D数值模拟研究了不稳定射流情况,得到了羽流形状与传热系数等。X uQ i a n g等91 1针对垂直管内湍流中蒸汽射流,研究了声速与超声速射流下的流型与传热系数。另外,为增强直接接触冷凝器的冷凝性能,W a n gJ u e等4指出多孔喷射具有很高的可行性。高飞等1 2提出了S V型和S K型静态混合器,用以改变直接接触换热器内的流动状态,以增强换热。杨波等1 3运用遗传算法对直接接触换热器进行了性能优化。然而,直接接触冷凝的机理研究在指导实际应用方面仍不够完善,且大部分学者在探究直接接触冷凝过程时使用的工质为水与水蒸气,仍缺乏对其他工质的认识。R 2 9 0工质具有优良的热力学性能,且为环境友好型替代制冷剂1 4,1 5。国内外学者对R 2 9 0制冷循环应用进行了大量研究1 61 9,其中宁静红等2 0提出的直接接触冷凝制冷循环性能优于常规蒸气压缩式制冷循环,其压缩机的平均功耗更低,循环的平均C O P值更高。直接接触冷凝制冷循环中使用直接接触的方式将R 2 9 0过热蒸气冷凝,冷凝效率优于常规蒸汽压缩式制冷循环中的间壁式冷凝器。目前,针对R 2 9 0换热的研究主要集中在圆管、肋片管和微通道等场所2 12 4,而对R 2 9 0过热蒸气与R 2 9 0过冷液直接接触过程中冷凝器内的流动与传热特性研究较少,同时无法为直接接触冷凝器的设计与校核提供依据。因此本文在原昆朋2 5提出的正交混合筒式直接接触冷凝器的基础上,提出了3种体积尺寸的直接接触冷凝器,探究用于制冷系统的最佳方案。采用已被证明适用的VO F方法在F l u e n t软件中进行数值模拟研究2 6,详细评估了直接接触冷凝器内流动传热特性,从出口温度、干度和体积传热系数多角度分析R 2 9 0直接接触气液两相传热传质过程。通过分析不同尺寸对直接接触冷凝器流动与传热特性的影响,并与间壁式冷凝器进行比较,研究结果可为直接接触冷凝器设计优化评估提供可行方案。2 数值模型2.1 物理模型及网格划分针对R 2 9 0直接接触冷凝过程,建立了3种筒型正交混合直接接触冷凝器三维模型,依体积增大顺序简称为A、B和C型冷凝器,如图1所示。采用正交混合式冷凝器可以在冷凝器内部产生交叉流。冷凝器上方管道为冷凝器出口,左下方管道为进液口,下方管道为进气口,结构示意图如图2所示。混合流体由下向上流动,且流道壁面上均采用无滑移壁面条件。冷凝器具体参数如表1所示。图1 直接接触冷凝器物理模型表1 3种不同体积直接接触冷凝器物理参数参数A型B型C型筒高l/mm2 9