楊 彪 賀 曦 何曉英

中鐵二局集團(tuán)裝飾裝修工程有限公司 四川 成都 610000

1 前言

壓縮制冷循環(huán)中,當(dāng)制冷劑通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮時(shí),往往會(huì)帶出壓縮機(jī)中的潤(rùn)滑油。油霧狀的潤(rùn)滑油會(huì)隨著高溫高壓的制冷劑氣體沿著制冷管路進(jìn)入冷凝器冷凝成液態(tài),然后經(jīng)過節(jié)流閥一起流進(jìn)蒸發(fā)器中蒸發(fā)[1]。在逐漸相變的過程中,潤(rùn)滑油與低溫制冷劑蒸汽逐步分離,由于低溫下的潤(rùn)滑油具有粘性大,界面張力強(qiáng)的特點(diǎn),極易黏附在制冷管路中。當(dāng)潤(rùn)滑油在制冷管路中積聚,難以回到油分離器,就有可能造成制冷管路堵塞以及壓縮機(jī)潤(rùn)滑不足,從而使得系統(tǒng)制冷效率下降,影響系統(tǒng)使用安全。而多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)由于其通常具有管道長(zhǎng)、落差高的特點(diǎn),當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入制冷管道中時(shí),往往更加難以重新回到壓縮機(jī)。因此,在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,必須考慮考慮制冷系統(tǒng)潤(rùn)滑油的回油問題。

由于潤(rùn)滑油積聚的問題通常位于制冷系統(tǒng)低溫制冷劑蒸汽管路中,為了保證進(jìn)入制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑油能夠順利的回到壓縮機(jī),通常必須保證低溫制冷劑蒸汽管路中的蒸汽具有足夠大的流速,從而使得油液能夠在管路中被快速帶走。然而,現(xiàn)有的回油技術(shù)研究通常主要集中在系統(tǒng)形式的研究上[2-3],對(duì)于蒸汽管路中需要的流速大小通常源于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,對(duì)管路中油液的運(yùn)動(dòng)變化機(jī)理缺乏深入了解,難以從本質(zhì)上對(duì)油液的聚集進(jìn)行分析。

為了深入研究低溫制冷劑蒸汽中管內(nèi)潤(rùn)滑油的狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)變化,本文采用VOF數(shù)值[4]模型,對(duì)不同制冷劑蒸汽流速下,附著在管壁的油滴的狀態(tài)變化進(jìn)行模擬,獲得了油滴在管路中隨時(shí)間的變化特征。模擬結(jié)果揭示了油滴在制冷蒸汽中的運(yùn)動(dòng)變化機(jī)理,對(duì)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)回油設(shè)計(jì)具有較好的參考意義。

2 數(shù)值及物理模型簡(jiǎn)介

采用VOF方法進(jìn)行模擬,數(shù)值模擬的計(jì)算模型如圖1所示,模擬流場(chǎng)采用直徑42cm,長(zhǎng)度420cm的柱形流場(chǎng)進(jìn)行模擬,入口采用速度邊界條件,為了減少入口段速度效應(yīng)的影響,入口邊界速度邊界采用湍流條件下的指數(shù)分布形式:

圖1 數(shù)值模型示意圖

出口采用壓力出口邊界。初始條件為一個(gè)半徑為5cm的半球形液滴靜止位于離入口邊界1/4處的壁面上。為保證模擬精度,本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在壁面邊界層處進(jìn)行網(wǎng)格加密,計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為200萬。流體計(jì)算參數(shù)如表1所示。本文對(duì)壓力耦合方程的求解采用了半隱方法,即SIMPLEC算法,壓強(qiáng) 計(jì) 算采 用 了RRESTO格 式,其 他物理量采用QUICK格式離散[5]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同流速下管內(nèi)回油效果模擬 為研究制冷劑流速對(duì)多聯(lián)機(jī)管內(nèi)回油效果的影響,本文對(duì)不同流速下油滴的變化過程進(jìn)行了模擬。模擬中選取管段入口流速分別為4m/s,7m/s,10m/s,模擬中不考慮重力的影響。圖3表示了各流速下油滴隨時(shí)間的演化過程。從圖2(a)中可以看出,當(dāng)制冷劑流速為4m/s時(shí),液滴沿著管壁發(fā)生移動(dòng),在移動(dòng)過程中逐漸被管壁黏附并展開形成油膜。在油滴移動(dòng)過程中,油滴與管壁始終接觸,并逐漸鋪展拉長(zhǎng)直到漸漸離開計(jì)算區(qū)域。油滴到達(dá)管出口約為0.08秒。對(duì)比各時(shí)間點(diǎn)油膜初始位置可以看出,油膜移動(dòng)速度較為緩慢。當(dāng)制冷劑流速為7m/s時(shí)(圖2(b)),油滴的移動(dòng)速度明顯加快,形成的油膜相較于速度為4m/s時(shí)更薄。當(dāng)油滴流出計(jì)算區(qū)域外后,形成的油膜在氣流的剪切作用下向后堆積,并且形成明顯的波動(dòng)。部分油膜上形成的突起在氣流的作用下與油膜脫離,進(jìn)入主流區(qū)域,隨著氣流快速流動(dòng)。從油膜尾部位置可以看出,除進(jìn)入氣流的油滴以外,油膜整體也隨氣流發(fā)生明顯移動(dòng)。圖2(c)顯示了當(dāng)制冷劑流速為10m/s時(shí)油滴的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài),從圖中可以看出,與流速為7m/s的情況相比,油滴的運(yùn)動(dòng)速度更快,形成的油膜厚度更小。雖然此時(shí)油膜厚度較小,但是由于高速氣流的強(qiáng)剪切作用,油膜表面的波動(dòng)更加強(qiáng)烈,進(jìn)入到制冷劑氣流中的液滴數(shù)量也明顯增加。同時(shí),油膜尾部的移動(dòng)速度也相較于7m/s時(shí)更大。從以上結(jié)果可以看出,在制冷劑氣流的作用下,制冷管道中的積存潤(rùn)滑油主要以油膜的形式存在。制冷劑對(duì)油膜的作用決定了回油的效果。在本文的工況條件下,當(dāng)入口流速大于7m/s時(shí),制冷劑氣流會(huì)對(duì)管內(nèi)油膜產(chǎn)生明顯的剪切作用,初始油膜沿著管道流動(dòng),并將部分油滴帶入氣流中。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)使氣流速度在7m/s以上以保證較好的回油效果。

表1 模擬流體參數(shù)

圖2 不同制冷劑流速下油滴演化結(jié)果:(a)v=4m/s;(b)v=7m/s;(c)v=10m/s。

3.2 管道坡度對(duì)回油效果影響 在實(shí)際工程應(yīng)用中,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備之間通常具有較高的高差,制冷管道的鋪設(shè)存在各種坡度。為了研究制冷管道坡度對(duì)系統(tǒng)回油效果的影響,本文進(jìn)一步對(duì)不同坡度下管內(nèi)液滴在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)及形變過程進(jìn)行了模擬。模擬中設(shè)置管道進(jìn)口流速為7m/s,模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,不同坡度下油滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與不考慮重力相比發(fā)生了明顯的變化。從圖3(a)中可以看出,當(dāng)管路處于水平時(shí),由于重力的作用,油滴達(dá)到出口時(shí)體積相較于不考慮重力作用時(shí)較小,表面油滴的鋪展厚度有所增加,油滴在運(yùn)動(dòng)過程中始終與壁面接觸。當(dāng)傾角為45°和90°時(shí),油滴前端在氣流作用下逐漸上翹,并于壁面發(fā)生脫離,表明。從圖中還可以看出,當(dāng)傾角為45°時(shí),油滴脫離的時(shí)間更短,主要原因是因?yàn)橹亓ψ饔迷诠茌S向和徑向兩個(gè)方向,增大了油滴的迎風(fēng)面積,從而使得氣流對(duì)油滴的作用力更大。通過以上分析,我們可以看出,在重力作用下,管壁的油滴更容易在水平管底部管壁形成液膜,從而減少進(jìn)入到氣流中的油滴。對(duì)于豎直布置的管道,油滴更容易被氣流帶入氣流中,從而減少壁面上油膜的附著量。

圖3 不同管道坡度下油滴形態(tài)演化結(jié)果:(a)0°;(b)45°;(c)90°。

4 結(jié)論

本文采用VOF多相界面模型,對(duì)多聯(lián)機(jī)管道回油進(jìn)行建模分析,獲得了不同制冷劑流速下,不同管道坡度下的油滴運(yùn)動(dòng)形態(tài),根據(jù)模擬結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

1.附著在制冷管路中的油滴在制冷劑氣流的作用下會(huì)發(fā)生變形,形成油,或者脫離管壁與制冷劑一起流動(dòng)。制冷劑速度越大,壁面形成的油膜越薄,液滴越容易脫離壁面。形成的油膜在冷卻劑的作用下會(huì)繼續(xù)移動(dòng),且移動(dòng)速度隨制冷劑流速增大而增大。

2.管道安裝坡度對(duì)油滴的鋪展和脫離有明顯的影響。管道坡度越小,位于管道底部的油滴在運(yùn)動(dòng)的過程中更容易鋪展,形成的油膜的面積也越大,附著在管壁的油滴難以進(jìn)入氣流,從而造成管道底部積油。受重力的影響,豎直管道和傾斜管道油滴在運(yùn)動(dòng)過程中更容易與壁面脫離,油滴更容易脫離壁面。因此保證足夠的制冷劑流速對(duì)于緩解傾斜管道和豎直管道的回油問題具有更好的效果。