在汽-液兩相混合模型基礎上,對汽-液交界面附近兩相過渡區(qū)的毛細力進行表征,建立了毛細芯微槽蒸發(fā)器的三維穩(wěn)態(tài)軸對稱單元模型。同時,以界面熱流密度和入口供液流量作為變工況參數(shù),劃分得到4種典型工況區(qū)間,并預測分析了蒸發(fā)器微型化過程的流動-傳熱極限特性。結果表明,當熱流密度一定時,隨著微型化比例減小,3條臨界流量線呈交匯趨勢,對應的兩相安全區(qū)流量變化范圍不斷縮小,且極限控溫溫度對應的液面相對高度顯著降低,液面逼近毛細芯下界面;當入口供液流量一定時,隨著微型化比例減小,兩相安全區(qū)熱流密度變化范圍幾乎不變,且極限控溫溫度對應的液面相對高度維持在毛細芯2/3高度處。研究結論為毛細芯微槽蒸發(fā)器的微型化結構設計及其工況參數(shù)選擇提供了理論參考。 

【文章來源】：低溫與超導. 2020,48(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

毛細芯微槽蒸發(fā)器的結構示意圖

為了獲得與微型化比例匹配的熱流密度載荷,現(xiàn)以入口供液流量3.6 mL/min為例,討論分析臨界熱流密度和液面相對高度隨微型化比例η的變化趨勢,仿真結果如圖8所示。圖中,q為熱流密度,H為液面相對高度,η為微型化比例。由圖可知,當供液流量一定時,隨著微型化比例減小,低于80 ℃控溫目標的汽-液兩相安全區(qū)的熱流密度變化范圍幾乎不變,而且由于采用相同流量供液,結構尺寸越小的器件供液越充分,可以應對的熱流密度載荷越高;而在超過80 ℃控溫目標的汽-液兩相失效區(qū),其熱流密度變化范圍不斷增大,表明蒸發(fā)器發(fā)生“干燒”風險的幾率越低。另外,以出口汽相率為90%且控溫目標為80 ℃的工況條件為例,預測得到不同微型化比例對應的兩相換熱區(qū)液面均近似維持在毛細芯的2/3高度處。5 結論

為了驗證修正模型在兩相換熱區(qū)溫度預測的準確性,在此采用與本文數(shù)學模型相近的文獻[9]結果進行對比。兩模型的熱流邊界條件相同,仿真內(nèi)容為預測計算單元模型兩相換熱區(qū)域b′-c-d-e-a′的邊界與入口工質氨的溫差。其中,蒸發(fā)器蓋板底部邊界為e-d,蒸汽槽道底部為d-c。結果對比如圖3所示,圖中,x為距離,t-tin為溫差。整體來看,兩模型的溫差變化趨勢基本一致,尤其在蒸發(fā)器蓋板底部邊界(即毛細芯上側邊界),溫差變化值吻合度較高。但從蒸汽槽道底部到毛細芯區(qū)域的兩側邊界位置,溫差出現(xiàn)小幅度偏差,且隨著進入毛細芯區(qū)域的深度增加,兩模型的邊界溫差預測值偏差幅度逐漸明顯。分析原因主要是本文的修正模型能夠近似獲得文獻[9]中相分離模型所無法獲得的氣-液交界面附近的兩相過渡區(qū)域,該區(qū)域使得整個兩相換熱區(qū)域的溫差變化幅度小于文獻[9]仿真值,且過渡得更加平緩。再者,毛細芯的有效導熱系數(shù)取值以及孔隙中毛細力的表征方法不同,也在一定程度上影響了毛細芯兩相換熱區(qū)域的流場和溫度場分布趨勢。另外,本文模型是在現(xiàn)有成熟的VOF模型基礎上進行動量方程修正而建立的,在模型求解方面相對更容易。需要指出的是,下文在研究以水為工質的蒸發(fā)器液位變化問題時,是將汽-液兩相過渡區(qū)汽相百分數(shù)為0.5的等值面作為汽-液交界面來考慮的。綜上分析,本文的修正模型可以更準確地針對常規(guī)模型中簡化忽略的兩相過渡區(qū)進行可視化仿真,尤其在微型化設計過程中,能夠更合理地反映出實際運行過程中兩相換熱區(qū)的流動-傳熱特性。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3490735