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换热器作为化工、动力、能源等工程领域广泛使用的基础设备,其换热性能的提高能有效促进这些高耗能行业的节能技术。“分液冷凝器”是一种近年提出一种新型冷凝换热强化方法,将联箱中的分程隔板做成气液分离装置即多孔隔板,逐程排出冷凝液,提高进入下一管程的工质干度,实现高效的管内冷凝换热。本文采用数值模拟的方法,通过商业软件FLUENT中VOF模型计算R134a气液两相混合物在气液分离式联箱中的流动特性,探讨工况和“隔板—联箱”的结构参数对其气液分离特性和出口流量分配特性的影响。 “多孔隔板—联箱”的工作特性随工况变化的规律是揭示冷凝器性能对工况适应性的重要内容。本文通过对比3孔隔板与无孔隔板的多支管(5根进口支管3根出口支管)联箱在进口气相流量0.75~1.0g/s、液相流量1g/s下气液两相流的出口干度与出口支管气相分布的均匀性。发现:当气相流量0.75~0.9g/s时,3孔隔板联箱可进行有效气液分离,与无孔隔板的多支管联箱相比,平均出口干度最大可提高35%,多支管中气相的分配均匀性最大可提高81%,且存在一个气液分离效果和气相分布均匀性最好的工况(进口气相流量为0.9g/s,液相流量为1.0g/s)。但当气相流量增大到1 g/s时,气液分离失效(气液分离隔板处液膜被击穿,大量气体从分液隔板处流出);由此可见,在一定工况下多孔隔板可实现多支管联箱内的气液分离,且有助于提高联箱出口气体的分配均匀性。 “隔板—联箱”的结构参数,包括联箱直径、管程分配方案以及隔板上小孔数量等,均是决定分液冷凝器热力特性的关键因素。本文在特定工况下(进口气相流量为0.9g/s,液相流量为1.0g/s)逐一研究了这些结构参数对工质气液分离效率和流量分配均匀性的影响。在联箱流程(5进3出)和多孔隔板(3孔)结构一定时,选取集管直径为11.1mm、15mm、20mm、25mm的联箱进行两相流流动特性的模拟计算。模拟结果表明,联箱直径为20mm的多支管联箱的气液分效率和多支管中气相分布的均匀性最好,其气液分离效率和出口气相流率的标准偏差分别为0.28和0.11。且气液分离效果越好,出口支管中气相分布的越均匀。 在优选联箱直径(20mm)、多孔隔板(3孔)结构和总的支管数一定时,选择三种流程方案4进-4出、5进-3出、6进-2出的气液分离联箱模拟联箱内的两相流动特性,模拟结果表明,联箱流程对管内液相流动轨迹有较大的影响,其中联箱流程为5进-3出的多支管联箱的气液分效率和出口支管中气相分布的均匀性最好,其气液分离效率和气相分布的标准偏差分别为0.28和0.11;研究表明:气液分离效果越好,出口支管中气相分布的越均匀。 在优选的联箱直径(20mm)和联箱流程(5-3)下,且确保联箱底部液膜不被击穿的情况下,研究气液分离隔板孔数为3、4、5、6,孔径为1 mm的多支管联箱内两相流的流动特性。模拟结果表明,工况一定时,多孔隔板的小孔数目对气液分离有较大影响,孔数为6的隔板—联箱的气液分离效率和出口支管的气相分布均匀性最好,其气液分离效率和气相流率的标准偏差分别为0.45和0.07。