得了良好效果
第33卷 第1期 石 油 化 工 设 备 V ol 133 N o 112004年1月PETRO 2CHE MIC A L E QUIP ME NT Jan 12004文章编号:100027466(2004) 0120030204
制冷剂在蒸发器中的流量分配及分液管设计
梁俊杰, 田怀璋, 陈林辉, 高 原, 陈敬良
(西安交通大学, 陕西西安 710049)
摘要:, 力差, , 。根据该影响规律, 提出了分液管的设计方法, 提高蒸发器的换热效率。关 键 词:; ; 压降比; 分液管中图分类号:1文献标识码:A
Mass flow distribution of refrigerant in the evaporator
and design method of the distribute tube
LI ANGJun 2jie , TI AN Huai 2zhang , CHE N Lin 2hui , G AO Y uan , CHE N Jing 2liang
(X i ’an Jiaotong University , X i ’an 710049, China )
Abstract :The study investigates the mass flow distribution of refrigerant in the evaporation coils using the numerical m odels
about capillary tube and evaporator. The analysis shows that even if the tw o 2phase refrigerant is mixed hom ogenously in the inlet of the evaporator , mass flow deviations still exist if there are altitude differences and flow resistant differences am ong the evaporator coils. The principle summarized from the analysis is given to design distribute tubes , which can decrease or eliminate the mass flow deviation am ong evaporator coils and enhance the heat trans fer efficiency of a dry evaporator.
K ey w ords :evaporator ; refrigerant ; mass flow deviation ; pressure drop ratio ; distribute tube
符 号 说 明
q m ———质量流量,kg/s g ———重力加速度,m/s 2q ———热流密度,kW/m 2
Δz ———控制体积长度,m
P ———周长,m v ———比体积,m 3/kg
τ——切应力,kPa w —
e ———比能,k J/kg A ———截面积,m 2
下标:i为入口,o 为出口,g 为气相,l 为液相, 1为第1支路盘管,2为第2支路盘管。
得了良好效果。
目前, 该分布器已经广泛应用在石油化工领域, 如乙烯装置油洗塔、水洗塔; 常减压装置减压塔; MT BE 装置; 液化气、干气脱硫塔; 丙烯腈装置吸收塔等, 均取得了满意的效果。
参考文献:
[1] 兰仁水, 朱慧铭, 王树楹1精馏塔塔型及塔内件选择[J].石油
化工设计,1993,10(1) :162211
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19981
[3] 魏兆灿, 李宽宏1塔设备设计[M].北京:化学工业出版社,
19881
[4] M ooreF ,Rukovena F. CPP
Europe[R].August ,19871
(孙编)
收稿日期:2003208207
作者简介:梁俊杰(19792) , 男(汉族) , 山西平定人, 硕士研究生, 从事制冷系统热物理过程及汽车空调的研究。
第1期 梁俊杰, 等:制冷剂在蒸发器中的流量分配及分液管设计・31・
为了提高换热效率, 大型干式蒸发器通常采用分液器、分液管与各蒸发盘管串联起来, 以改善各个蒸发盘管制冷剂流量的均匀性。研究表明, 即使分液器能够将气液两相流制冷剂混和均匀, 但经毛细分液管后, 分配给各个蒸发盘管的制冷剂流量并不相等。不同的蒸发压力以及各蒸发盘管工艺结构造成的流动阻力差异和高度差异, 都可能是造成各蒸发盘管中制冷剂流量不均匀的原因, 其直接造成了蒸发器换热能力的降低和制造成本的增加。因此, 化规律,
, 于提高蒸发器的换热效率、有着重要的意义, 尚未发现有关内容的研究。, 而且实验周期和费用都难以接受。由于制冷剂在干式蒸发器各盘管中的流量分配过程, 实际上就是制冷剂在串联的毛细分液管和蒸发盘管中的流动和换热过程, 高原等人通过数学模型和数值仿真的方法, 分别定量研究了制冷剂在毛细管和蒸发盘管中的流动和换热过程, 证明了采用文中所述的数学模型和仿真方法, 可以取得仿真结果与实验数据吻合很好的结论[1,2]。1 数学模型
为了研究方便, 假定蒸发器由两路水平光滑盘管组成, 分液器位于两路盘管的中间高度位置。假设毛细分液管的最后h /2长度垂直布置,
其余长度与分液器水平布置, 并且理想的分液器能够将制冷剂混和均匀, 建立如图1所示的物理模型。
q m i =q m o (1)
图2:
i p o -z -q m i g sin θ=q m g o v g o -q m lo v lo -q m li v li
能量方程:
Δz =q m (e lo -e li ) +q m g o (e g o -e lo ) -qp
q m gi (e gi -e li ) 其中
Δz sin θe =h +u /2+g
2
(2)
(3) (4)
) 。式中, h 为比焓,k J/kg ; u 为速度,m/s ; θ为倾斜角, (°
制冷剂首先被分液器分配成两路, 分配过程满
足质量守恒关系:
q m 1+q m 2=q m q m 1x 1+q m 2x 2=q m x
(5) (6)
式中, x 为总管中制冷剂的干度, x 1和x 2为分液管制冷剂干度。
由于假设制冷剂在分液器里混和均匀, 所以:
(7) x 1=x 2假定分液管入口压力为p i , 分别计算由分液管
和蒸发器组成的两路通道, 得出质量流量q m 1和q m 2。若不满足式(5) , 则调整p i 重新计算q m 1和
q m 2。直到满足式(5) , 计算结束。
3 计算结果
在数值计算中设定的条件为:采用R22作制冷剂, 冷凝压力为1300kPa , 过冷度为8℃, 蒸发压力500kPa
, 制冷剂质量流量50kg/h , 分液管内径3mm , 蒸发盘管内径8mm , 蒸发盘管长度8m , 蒸发盘管管外水恒温为10℃。
改变分液管的长度, 计算出对应的流量分配, 然后分析分液管上压降对流量分配的影响规律。定义流量偏差来表示制冷剂流量分配的不均匀程度。则流量偏差:
δq m =max
q m
n k =1
图1 物理模型
2 数值方法
分液管和蒸发器都使用一维均相流分布参数稳
态模型, 分液管作为绝热毛细管来处理。蒸发器为均分网格, 但考虑到分液管中的压力梯度变化, 入口较小, 接近出口急剧增大, 所以为非均分网格。对于图2的控制体积, 分液管和蒸发器模型的控制体积可以共用下面的控制方程组[3]。
连续性方程:
(8)
式中, q m 称为平均流量q m =∑
。n
当两路盘管高度差h =1m , 且分液管长度为0时, 即不使用分液管, 计算得到的两路制冷剂的流量
・32・ 石 油 化 工 设 备 2004年 第33卷
分别为:q m 1=15kg/h , q m 2=35kg/h , δq m =014。可
见如果不使用分液管, 高度不同的盘管内制冷剂的流量差别很大。因此在蒸发器前增加分液管, 可使流量分配均匀, 减小流量偏差。
分别计算盘管高差为1m 和0. 5m 时, 不同分液管长度对应的流量偏差值, 结果见图3。
比较不同
所以第2路的流量大于第1路的流量:
q m 1
(14)
将流量变化引起的加速压降和摩擦压降合并为一项, 称为流动压力降:
Δp af =Δp a +Δp f (15) 对差异有关:
(16) K Δp
p af2-Δp af1=Δp g1-Δp g2(17) , 有:
Δp g1=gh 1
Δp g2=gh 2
则两相流的平均密度:
=
x /ρg +(1-x ) /ρl
(18) (19)
(20)
图3 不同高度差下分液管长度
与流量偏差的关系
所以
|Δp g1-Δp g2|=gh
(21) (22)
高度差下的变化曲线可见, 分液管长度相同时,2个盘管的高度差越小, 流量偏差就越小。而且分液管长度对流量偏差也有相同的影响规律, 分液管长度增加时, 流量偏差减小, 但变化逐渐趋缓。4 分析讨论
将式(21) 代入式(17) 得:
|Δp af2-Δp af1|=gh 因此, 式(16) 变为:
K =
蒸发器盘管高度不同时的流量不均匀分配是由不同的重力压降造成的。每1条由分液管和蒸发盘管组成的通道都有相同的入口压力和出口压力, 所以各路通道上的总压降都可由下式计算:
Δp =p i -p o 之和, 即:
Δp =Δp a +Δp f +Δp g
(10) (9)
Δp
(23)
上式是在高度h 下由重力产生的压降和总压降之比。
因为流量分配的不均匀程度与压降比有关, 所以根据数值计算结果, 整理出流量偏差随压降比的变化, 见图4, 发现流量偏差与压降比成线性关系, 即δq m =0. 2246K 。
总压降是加速压降、摩擦压降和重力压降3项
对于两条流路, 有:
Δp =Δp a1+Δp f1+Δp g1=Δp a2+Δp f2+Δp g2
(11)
2个蒸发盘管均水平放置, 制冷剂流过时不产
生重力压降。虽然蒸发器出口的气体在总管内流动时有高度的变化, 但是气体的密度较小, 产生的重力压降也可以忽略。因此, 主要的重力压降产生在2路分液管上。第1路的出口位置较高, 重力压降大于第2路的重力压降:
Δp g1>Δp g2所以有:
Δp a1+Δp f1
(13) (12)
图4 流量偏差和压降比的关系
根据以上的分析, 当压降比为0时, 流量偏差应
等于0, 所以可将数据点拟合为截距为0的线性关系式:
δ(24) q m =0. 225K 将式
(23) 代入式(24) , 得:
加速压降和摩擦压降都随流量的增大而增大,
第1期 梁俊杰, 等:制冷剂在蒸发器中的流量分配及分液管设计・33・
δq m =0. 225
Δ
p
(25)
大幅度减少或消除蒸发器流量分配的不均匀性, 提高换热效率。
参考文献:
[1] 高 原, 田怀璋, 曾 艳, 等. 用数值方法分析绝热毛细管的流
因此
Δp =0. 225δq m
(26)
由上述分析可以知道, 由于两个流路的总压降
相等, 所以当第2路重力压降小时, 就必须增加其流动压力降。在分液管和蒸发盘管结构和几何尺寸相同时, 就必然造成了第2路流量大于第1路, 使得流量分配不均匀, 差异的增加而增加。度, 。
, 也可以得到类似的结论通过式(25) 可以看出, 只要增加制冷剂在分液管和蒸发盘管的总压降, 就可以减少各蒸发盘管制冷剂流量分配的不均匀性。另外, 通过调整制冷剂流经分液管的流动压降, 弥补各流路重力压降和蒸发盘管流动压降的差异, 也可以减少或消除流量分配的不均匀性。
制冷剂通过毛细管时的流动压降较大。在一般情况下, 制冷剂在毛细管上的压降可以超过总压降的80%。分液管通常由较长的毛细管构成, 通过稍微改变内径和长度就可以较大地改变通过它的流动压降。因此在设计干式蒸发器时, 可以根据蒸发器的结构, 首先计算出各盘管流路的重力压降和在相同流量下流动压降, 然后通过数值计算方法或根据毛细管的流量特性图表, 合理设计分液管, 确保有一合适的总压降, 并弥补各流路重力压降和蒸发盘管流动压降的差异, 从而使得蒸发器各盘管流量分配均匀, 蒸发器换热效率提高。5 结论
(1) 干式蒸发器即使在气液两相流制冷剂混和均匀的条件下, 若各蒸发盘管的高度和流动阻力存在差异, 仍能够造成制冷剂流量分配的不均匀。
(2) 增加制冷剂在分液管和蒸发盘管的总压降, 就可以减少各蒸发盘管制冷剂流量分配的不均匀性。通过调整制冷剂流经分液管的流动压力降, 弥补各流路重力压降和蒸发盘管流动压力降的差异, 也可以减少或消除流量分配的不均匀性。
(3) 采用分液管可以有效地降低分液不均匀性, 通过文中提出的设计方法
, 合理设计分液管, 可以
量特性[J].流体机械,2002,30(7) 249.
[2] 高 原, 田怀璋, 袁秀玲1R417A 在水平滑管内
[J(6) :412461
[3]2A. Numerical simulation of cap 2
].Int. J. Refrig ,1995,18(2) :1132(孙编)
大亚湾石化工业城进入高速建设期
随着中海壳牌南海石化项目的推进, 大项目的带动效应开始在大亚湾显现, 近期又有32个投资项目在惠州大亚湾开发区签约, 总投资额达到12. 9亿美元, 其中近60%属石化相关产业。
大亚湾开发区是1993年经国务院批准成立的国家级经济技术开发区, 位于广东省东南部, 毗邻深圳、香港, 拥有天然深水良港、大量工业用地和淡水资源, 是中国南部沿海一处极佳的海陆结合点, 是发展临海大工业的理想地区。目前国内最大的中外合资项目———中海壳牌南海石化项目、东风汽车零部件生产基地、惠州LNG 电厂、华德石化160万m 3储油罐项目、中海1200万t 炼油项目等特大型项目都落户在这里。
总投资43亿美元的中海壳牌南海石化项目自2002年
12月开工建设以来, 进展顺利, 目前已完成总投资的20%左
右, 项目投资的全部融资计划已经落实,11套装置的设备合同已经签订,2005年年底将按计划投产。
中海壳牌南海石化项目年产80万t 乙烯和230万t 化工原料, 依托这一项目, 惠州市在大亚湾规划了27. 8km 2的石化工业区, 积极开展招商引资, 千方百计承接石化中下游项目和相关产业, 建设世界级的石化工业城。目前在这一工业区内, 南海石化项目建设正按时间表如期推进,LNG 电厂项目正在进行场地平整, 华德石化陆域储油项目第一期工程已经进入罐体安装阶段,1200万t 炼油项目正在报批, 这4个项目的总投资超过人了民币600亿元。
与此同时, 一批石化中下游产品正在进行洽谈, 目前意向较明确的中下游项目有8个, 这8个项目的投资方都是世界500强企业。石化区内所必需的公用工程、生活服务项目的投资商也基本得到落实, 大部分为壳牌公司的长期合作伙伴。
(天木)