1、水平管中通常热通量下制冷剂的蒸发过程的双相流研究Wisis Sripattrapan, Somchai WongwisesThonburi Mongkut 国王科技大学机械工程系，流体力学、热能工程和多相流研究实验室（FUTURE ） 泰国 ，曼谷，Bangmod，10140【摘要】论文为读者呈现了模拟用两相分流模型来研究制冷剂在水平管中蒸发的热传递和流体特征的实验结果。文章利用了制冷剂在通常热通量下蒸发的一个单维度拱形流体模型。关于流体的基本物理方程由质量，热能和势能共同组成。经过与参考文献中的经验数据比对可以证明本模型是合理有效的。当前的模型可以被用作预测沿着水平管的不同纯净制冷剂的温度变
2、化，热传导协同效应和压力下降等各个指标。笔者发现了制冷剂的温度沿着管的降低与其自身的一定溶解度压力的降低呈现一致性。由于液体膜厚度的减小，液体热传导协同效应随着轴长而增加。由于存在着的我们所不能察觉的液体蒸汽交界处的热传递的减弱，液体制冷剂的蒸发率往往会随着轴长的增加而呈递减的趋势。文章设计的模型可以看作是一个有效的蒸汽机设计工具，也可以作为特定条件下选取合适的制冷剂的工具。【关键词】 双相流 蒸发 通常热通量 拱形流 制冷剂1 前言由于地球臭氧层枯竭和全球变暖引起越来越广泛的关注，许多传统制冷剂淡出了工业领域的应用。从而许多企业不得不依照规定寻求替代化学品。为了同时满足环保和提高设备制冷效率
3、的要求，我们就需要再评价其每个组成成分。蒸汽机的合理大小是影响冰箱和空调系统的最优效果的达到的主要因素之一。关于流体和热传导的研究设计和分析是极为复杂的。大量研究者已经研究过制冷剂的蒸发，大多数这样的研究都是通过实验进行的。在相关文献中涉及到水平管制冷剂蒸发的模拟模型还相对较少。Yadigaroglu 和 Lahey 发现了单维时间序列双相流的传统经典方程的另一形式。其模型包括无效部分、速度和热焓的放射型分布的作用效果，作者利用协同效应的空间联系来将它们组织在一起。后来王通过对他们做出的模型的改进，来分析双管冷凝器中冷凝液体流的热度不均衡。Lu和 Lee 发现了拱形流假设下水平管中的不共沸点制
4、冷剂混合物压缩冷凝的一维流模型。Chiou 等改进了 Lu 和 Lee 的模型研究了不共沸点冷凝剂在水平管中的蒸发。据作者所知，在目前所能接触到的开放文献中还没有关于通常热通量下冷冻剂蒸发过程的数学模型。在目前的研究中，Yadigaroglu 和Lahey 的模型和王的模型被改进来研究水平管通常热通量下绝热的稳定状态一维冷凝剂蒸发流，不同温度和压强组合下的纯净的制冷剂的热力学和传导性质的结论已经得出，水平管中不同制冷剂流的温度轴分布、热传导的协同效应和压力的降低也已经有所研究。2 建立数学模型图一显示了用以建立模型的不同的控制体积的一张简图。这是一个水平管；制冷剂流在管中；常温由管表层的加热带
5、提供并传导到关内的制冷剂中。Fig. 1. Differential control volume of simulation approach.外部的加热带表面是基本绝热的。在管中制冷剂流的两种形态是由完全分开的液态和气态标明的，其中，液体膜贴着管壁，气体在管芯里。统一厚度的液体膜不断浸湿管壁的周遭。设想一个水平拱形流达到热力学的平衡状态，如图一所示，那么，稳定流的气体和液体状态的有关质量变量的一维方程可以写作：Vapor : )(vzV（1） Liquid : )1(1Vz（2）组合的液态气态的势能方程为：wivDzPVzVz 4)()1( 212 （3）热能方程为：wiv QDeVzeV
6、zq 4)1()( 1（4） 在水平管条件下忽略了重力的影响，因此特殊的能，e，可以写作：2Vi（5）为完成方程系统，还需以下的公理性方程，管壁的承压能力有以下的方程决定：FiwdzPD)(4（6）摩擦压力变化率 FdzP)(可以写成两相乘数的形式，数学公式如下：两相乘数由弗里德尔公式决定：其中：所有的部分变量可以由方程算出，此方程为： 4/Dcff其中的 fDc 可以有以下方程计算得出总热量 Q 包括两个部分 sLtQs 是液体和气体芯的热量差，因此有： )(1vvs ThQlt 可以写作蒸发率的形式： fghiLt iDQ42蒸发率可有下面式子表示： fgswiiQ热传导的协同效应的代理变
7、量可以写作 hv其中液体膜厚度由下式给定： )1(25.0iD可以由浓度比率和流质量来表示，我们采用 Zivi 公式：f1 的计算我们可以采用 Whalley 和 Hewitt 的方程来计算这样管壁的液体膜的热传导协同效应可以有 h1 表示：这样沸腾数 Bo 就可以有下面的式子表示： fgRwiGQBo从而单相液体热传导协同效应可以由 hfc 计算得出，我们在此利用 DittusBoelter 方程： 4.018.01Pre023. loifcDkh3 解决方法四个方程（Eqs.（1）（4） ）可在有限差分形式下改写如下：这四个方程的四个未知数分别是 V1，Vv，P，和 e1。未解决制冷剂在水
8、平管的蒸发管被区分为许多部分，热通量 Qw 和该制冷剂的入口条件指定：进气饱和压力或制冷剂的温度质量通量的制冷剂入口流量质量热通量方程系统通过猜测管壁的初始温度 Tw 利用牛顿方法解决，并利用REFPROP6.01 计算机程序计算制冷装置的热力学和传导性质。计算要沿着管逐步分地计算。当未知量 e1 和 V1 解决后，液体制冷剂的热焓 i1 可以决定。这一热焓被转化为液体制冷剂的温度，T1。最后新的管壁温度， Tw，可以利用Eq（26 ）解决。每部分得出的值将会作为下一部分的初始值。如果计算结果显示新值与猜测值之间的误差在千分之一以下，则此计算告一段落。4 结果和讨论现在模型考虑了许多将会在给定
9、计算过程中的参数，质量通量，入口压力与温度，入口流量质量和热通量是不同的，以探索其沿着管对压力，质量变化，热传导协同效应和蒸发率的影响。为了使模型有效，我们设计了控制实验变量的对照组。图 2,4 和 6 显示了现有模型中的压力骤分布，管壁温度和制冷剂温度和实验中的这些数据的对比。固体线和标志代表了预测结果和实验结果。由于部分的和累积的效应，制冷剂的压力沿着管降低。制冷剂的温度，T1，也会随着对吸收压力有反应的管的轴长的减少而降低。管壁温度，Tw，与制冷剂的温度有相同的趋势，但是都要沿着管比 T1 高出 3-4K。图 3,5 和 7 显示了从现有模型中获得的流质量和实验中得到的流质量的数据的对比
10、，与图 2,4 和 6 相对一致。实验中的热传导协同效应和平均的协同效应的分布也在途中显示出来。由于液体制冷剂在管中的蒸发，液体膜厚度减小，流质量随轴长增加。从定义上讲，热传导协同效应是产生于管壁和液体制冷剂的温度不同的壁热通量的分布。因此尽管温度差异逐渐随管降低，热传导协同效应随轴长增加。图 8 进行了现有模型的压力降低数据与 Wattelet 和 Chato 的实验数据的对比。这就可以看出，测量数据是预测结果的 30%的出入。现有模型的热传导协同效应与 Wattelet 和 Chato 的实验结果的对比如图 9 所示。很明显这一数据的出入在 10%之间。对比的结果显示用现有模型去预测其他制
11、冷剂的流特性是可行的。许多图表输出结果可以在此画出，但是由于空间限制，只显示了典型的图表。图 10 显示了液体和气体的流速度的轴分布。液体膜和气体芯的速度都随着轴长的增加而增加。由于其粘性和密度气体芯的速度高于液体的。图 11 显示了不同摩擦力的管的管压力分布。摩擦从 0mm 到 0.3mm 以使现有实验压力性质的趋势展示出来。摩擦越低，压力降低缓慢，反之则更快。管的内部放大系数是下一参数，他的变化显示出压力分布的影响不同。在图 12 中，更大的放大倍数压力显示出更慢的降低，反之亦然。管的放大系数的线性减少给了一个非线性的压力的增加。图 13 显示了热通量的效应，它会沿管保持不变。从此图可以看出预测温度的差异随热通量增加而快速增加，直到热通量很高时保持稳定。我们应当注意到两温度的差异随着轴长的增加而递减。这是由于热传导协同效应随着管而变高。如图 13，蒸发率也随热通量的增加而线性增加。
