曹 侃 張蒙蒙 劉敏珊 張麗娜 劉遵超

(1鄭州大學化工與能源學院河南省過程傳熱與節(jié)能重點實驗室 鄭州 450002)

(2鄭州航空工業(yè)管理學院機電工程學院 鄭州 450002)

1 引言

微通道氣冷器結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓性好，在小型CO2制冷裝置中，采用微通道氣冷器具有不可比擬的優(yōu)勢。這主要是由于CO2換熱系數(shù)高、流動性能好以及其他物性特點所決定的［1］。近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中微通道氣冷器的流動與換熱特性的研究愈來愈受到各國研究人員的青睞［2-4］。然而微通道氣冷器的設(shè)計往往都是以氣冷器各扁管內(nèi)流量均勻分配這個假設(shè)為前提的，但是在實際情況中，這種假設(shè)幾乎是無法達到的。而換熱器內(nèi)部流量分配的均勻性則直接影響著其換熱性能好壞，因此研究氣冷器內(nèi)部流量分配性能是十分有必要的。

Sa等［5］通過實驗研究了不同制冷工質(zhì)組的流量分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)R22及R134a組的換熱性能在很大程度上受到其換熱管中的流量分配不均勻性的制約。Lalot等［6］研究換熱器內(nèi)部流量分配不均勻度后發(fā)現(xiàn)，對于逆流形式的換熱器，流動不均勻度導致?lián)Q熱器效能下降7%左右，而對于交叉流換熱器，流動不均勻度則導致?lián)Q熱器效能下降最高達25%。這一切都表明，換熱器內(nèi)部流量分布均勻度的好壞對換熱器的性能有著十分重要的影響。目前，大部分氣冷器集管截面設(shè)計成圓形，而其他型式的集流管則少見報道。D型管結(jié)構(gòu)緊湊，并且有良好的耐壓性，因此本文提出了一種新型的D型集流管式微通道氣冷器，利用CFD軟件ANSYS15.0對其進行模擬研究，并比較分析了D型集流管與雙圓筒、單圓筒集流管三種不同型式集流管對微通道氣冷器的流量分配的影響，同時還分析了D型集流管當量直徑、CO2進口質(zhì)量流量和CO2進口壓力等參數(shù)對微通道氣冷器流量分配性能的影響，并通過實驗對數(shù)值模擬計算的可靠性進行了驗證。這為設(shè)計和優(yōu)化微通道氣冷器提供了參考依據(jù)。

2 計算模型和數(shù)值分析方法

2.1 計算模型及邊界條件

圖1所示為D型集流管微通道氣冷器的結(jié)構(gòu)模型，其由D型集流管和中間的扁管組成，進口為超臨界二氧化碳流體，流體工質(zhì)流入進口集流管，在其中流動后分配到每一根扁管，從扁管流出后匯于集流管出口后流出。由于在微通道氣冷器中，氣冷器中第一流程換熱的好壞直接決定著整個氣冷器性能的好壞［7］，故本文主要研究微通道氣冷器第一流程中流量分配不均勻度對換熱器性能的影響。

圖1 D型集流管微通道氣冷器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of micro-channel gas cooler with D-type header

本文模擬中超臨界二氧化碳各項物性采用變物性軟件REFPROP7.0，物性輸入采用piecewise-liner，湍流模型采用 RNG k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLIC算法，二氧化碳側(cè)質(zhì)量流量進口，進口質(zhì)量流量 mi=0.028 kg/s，進口溫度 Ti=358 K，進口壓力Pi=10 MPa，壓力出口;扁管壁面則采用恒壁溫Tw=308 K，為了保證數(shù)值計算的精度，采用雙精度求解器，動量、能量以及湍動變量的的離散均采用二階迎風格式。

為了評價每排扁管內(nèi)流量的分配特性，從上到下依次對扁管進行編號，定義兩個無量綱考察參數(shù):扁管流量分配不均勻度ηi和總的流量分配不均勻度S。

扁管流量分配不均勻度ηi:

式中mi為第i排扁管內(nèi)二氧化碳的流量，kg/s，i:1ˉN為平均每根扁管內(nèi)二氧化碳的流量，kg/s。

總的流量分配不均勻度S描述不同參數(shù)下氣冷器內(nèi)部分配不均勻的程度，S越小，其流量分配越均勻，反之，流量分配越不均勻。公式如下:

其中N為扁管排數(shù)，i:1ˉN。

2.2 網(wǎng)格劃分及獨立性檢查

文中對同一D型集流管式微通道氣冷器選取了3種不同的網(wǎng)格考察網(wǎng)格尺寸對微通道氣冷器各排扁管的流量分配性能的影響，計算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)達到205萬時，再增大網(wǎng)格數(shù)對微通道氣冷器的各排扁管的流量分布影響已經(jīng)很小，各排扁管流量的平均偏差均小于，因此可以認為此時網(wǎng)格已獲得獨立解。

圖2 網(wǎng)格數(shù)對氣冷器內(nèi)部流量分配的影響Fig.2 Effect of grid number on flow distribution characteristics of gas cooler

3 結(jié)果分析

3.1 不同型式集流管對流量分配性能的影響

模擬考察的參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，二氧化碳進口壓力10 MPa，進口溫度358 K，進口質(zhì)量流量0.028 Kg/s，扁管溫度設(shè)為308 K，集流管當量直徑均為10.6 mm。分別對雙筒型集流管、單圓筒集流管、D型集流管3種不同型式的微通道氣冷器流量分配性能進行考察。

圖3所示為不同集流管型式對微通道氣冷器中流量分配不均度的影響。從圖中可以看出，不同型式集流管對流量分配不均度的影響較為明顯，且曲線越接近于0基準線，說明流量分配就越均勻。三者的流量分配不均度均在±0.025之內(nèi)，且通過第1排扁管流量最少，其管內(nèi)質(zhì)量流量小于平均質(zhì)量流量，這主要是因為流體從進口處流經(jīng)到第1排扁管處，流動面積突然減小，大部分流體從扁管與集流管間隙間繞流而過造成的;其中雙筒集流管變化幅度最大，D型集流管與單筒集流管曲線較接近，變化趨勢也較為一致，而從圖中也明顯可以看出，D型集流管曲線更接近于0基準線，其分配不均勻度最小。另外，經(jīng)計算可以得到三種型式集流管氣冷器總的分配不均勻度S:D型為0.001 0;單筒型為0.002 1;雙筒型為0.003 2，即D型集流管在這幾種型式中扁管流量分配最均勻，總的不均勻度最小。由上述分析可以得出，采用D型集流管可以提高氣冷器流量分配性能。

圖3 集流管型式對流量分配不均勻度的影響Fig.3 Effect of header types on flow maldistribution

3.2 集流管當量直徑對氣冷器流量分配性能的影響

模擬考察參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，二氧化碳進口壓力10 MPa，進口溫度358 K，進口質(zhì)量流量0.028 kg/s，扁管溫度308 K，分別對 D型集流管當量直徑為 10.6、11.9、13.3、14.6、15.9 mm時的流量分配性能進行考察。

圖4所示為D型集流管當量直徑對流量分配不均勻度的影響。從圖中可以看出，當量直徑不同時，各扁管間流量的分配不均度隨扁管排數(shù)的變化趨勢大體一致。第1排扁管流量不均勻度均小于0，第3ˉ5排扁管內(nèi)扁管流量不均勻度接近0，并且由于重力及慣性力的影響，大部分二氧化碳流體向下流動，在碰到入口集流管底部后，二氧化碳只能從扁管內(nèi)流動，所以，下面幾排扁管的流量相對較大，越接近進口扁管下壁面，扁管內(nèi)二氧化碳質(zhì)量流量越大，流量分配越不均勻。從圖中也可以看出，總的流量分配不均度隨著D型集流管當量直徑的增加先減小后增加，當當量直徑de為13.3 mm時，不均勻度曲線更接近0基準線，總的流量分配不均勻度最低。從而也說明，在所考察的當量直徑范圍內(nèi)，de為13.3 mm時氣冷器流量分配性能相對較好。

3.3 二氧化碳進口質(zhì)量流量對氣冷器流量分配性能的影響

圖5所示為不同二氧化碳進口質(zhì)量流量對D型集流管式微通道氣冷器流量分配的影響。模擬考察的參數(shù)如下:組合深度0.4，扁管長度200 mm，扁管排數(shù)8，扁管間距9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，進口溫度 358 K，進口壓力為 10 MPa，扁管溫度308 K，當量直徑為13.3 mm，二氧化碳進口質(zhì)量流量分別為 0.014、0.028、0.056、0.084和 0.140 kg/s。

圖4 當量直徑de對流量不均勻度的影響Fig.4 Effect of equivalent diameter on flow maldistribution

圖5 二氧化碳進口質(zhì)量流量對流量不均勻度的影響Fig.5 Effect of inlet mass flow of carbon dioxide on flow maldistribution

從圖中可以看出，進口質(zhì)量流量不同時，扁管間流量分配不均勻度隨扁管排數(shù)的變化趨勢基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后幾排流量相對較多，整體保持上升趨勢。并且從圖中可以看出，總的流量不均度S隨著二氧化碳進口質(zhì)量流量的增大，有逐漸增大的趨勢，但是這種增大的幅度是逐漸減小的。經(jīng)計算，二氧化碳進口質(zhì)量流量從0.014 kg/s到 0.14 kg/s，總的流量不均度 S 的增長幅度從剛開始的5%下降到1.059%。

3.4 二氧化碳進口壓力對氣冷器流量分配性能的影響

圖6所示為不同二氧化碳進口壓力對微通道氣冷器流量分配的影響。模擬考察的參數(shù)為:組合深度0.4，扁管長度 200 mm，扁管排數(shù) 8，扁管間距 9.0 mm，微通道孔徑0.6 mm，進口溫度358 K，進口質(zhì)量流量0.028 kg/s，扁管溫度 308 K，當量直徑為 13.3 mm，分別對進口壓力為8、9、10和11 MPa時的微通道氣冷器進行模擬，來分析其流量分配性能。

圖6 二氧化碳進口壓力對流量不均勻度的影響Fig.6 Effect of inlet pressure of carbon dioxide on flow maldistribution

從圖中可以看出，二氧化碳進口壓力不同時，扁管流量分配不均勻度隨扁管排數(shù)的變化趨勢基本一致，第一排扁管流量最小，第四排流量最接近平均值，最后幾排流量相對較多，整體保持上升趨勢。并且從總的流量分配不均勻度來看，不同的進口壓力對其影響較小，總的流量分配不均度均在0.001上下浮動，因此可以認為二氧化碳進口壓力對流量分配性能的影響可以忽略不計。

4 實驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性，設(shè)計制作了扁管排數(shù)為10，邊長為3 mm的方形通道的模型進行實驗，模型材質(zhì)為有機玻璃，由于本實驗只考慮流體流動問題，故選用常溫下的水作為流動的介質(zhì)以替代超臨界二氧化碳流體，通過實驗和模擬的對比來驗證每排微通道內(nèi)流量的分配情況。在進口流量分別為18、28和38 L/h的情況下進行實驗，且每個流量下測量3組各排微通道的體積流量，最后取平均值，將所得實驗值與模擬值進行比較，對比結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，在相同的流量下，模擬值與實驗值曲線變化趨勢基本一致，都是第一排流量最少，而后逐漸增大，最后一排流量最大。兩者相對誤差最大為10.1%，不超過15%，這是在工程允許范圍內(nèi)的，由此可見，數(shù)值模擬的計算結(jié)果與實驗最終的測量結(jié)果吻合較好，由此可以證明本文的數(shù)值模擬具有較高的準確度和可靠性。

圖7 模擬值與實驗值比較Fig.7 Comparison between numerical and experimentalresults

5 結(jié)論

本文提出了一種新型微通道氣冷器ˉD型集流管式微通道氣冷器，并將其與傳統(tǒng)的微通道氣冷器進行模擬對比，分析了集流管當量直徑、二氧化碳進口質(zhì)量流量、二氧化碳進口壓力等參數(shù)對氣冷器流量分配性能的影響，并通過實驗對數(shù)值模擬計算結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明:

(1)雙筒型、單筒型、D型3種不同型式的集流管對流量分配不均度的影響較為明顯，其中雙筒集流管變化幅度最大，單筒集流管次之，D型集流管與0基準線最為接近，流量分配不均勻度最小，因此采用D型集流管可以提高氣冷器流量分配性能。

(2)集流管當量直徑的變化對氣冷器流量分配不均勻度影響較大，隨著當量直徑的增加，總的流量分配不均度先減小后增加，當當量直徑為13.3 mm時，總的流量分配不均度是最低的，其流量分配性能比較好。

(3)二氧化碳不同進口質(zhì)量流量下，各排扁管流量分配不均度變化趨勢大體相同，總的流量不均度S隨著二氧化碳進口質(zhì)量流量的增大，有逐漸增大的趨勢，但是這種增大的幅度是逐漸減小的。

(4)二氧化碳進口壓力對氣冷器流量分配不均度的影響非常小，幾乎可以忽略不計。

(5)實驗測量結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果變化趨勢吻合較好，兩者相對誤差最大為10.1%，在工程允許的范圍內(nèi)，由此驗證了數(shù)值模擬計算的可靠性。

1 丁國良，黃冬平.二氧化碳制冷技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007.Ding Guoliang，Huang Dongping.Refrigerationtechnology of carbon dioxide［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2007.

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