基于VOF數值模擬的多聯機管內回油特性研究

楊 彪 賀 曦 何曉英

中鐵二局集團裝飾裝修工程有限公司 四川 成都 610000

1 前言

壓縮制冷循環中,當制冷劑通過壓縮機進行壓縮時,往往會帶出壓縮機中的潤滑油。油霧狀的潤滑油會隨著高溫高壓的制冷劑氣體沿著制冷管路進入冷凝器冷凝成液態,然后經過節流閥一起流進蒸發器中蒸發[1]。在逐漸相變的過程中,潤滑油與低溫制冷劑蒸汽逐步分離,由于低溫下的潤滑油具有粘性大,界面張力強的特點,極易黏附在制冷管路中。當潤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潤滑不足,從而使得系統制冷效率下降,影響系統使用安全。而多聯機系統由于其通常具有管道長、落差高的特點,當潤滑油進入制冷管道中時,往往更加難以重新回到壓縮機。因此,在多聯機系統設計中,必須考慮考慮制冷系統潤滑油的回油問題。

由于潤滑油積聚的問題通常位于制冷系統低溫制冷劑蒸汽管路中,為了保證進入制冷系統的潤滑油能夠順利的回到壓縮機,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,現有的回油技術研究通常主要集中在系統形式的研究上[2-3],對于蒸汽管路中需要的流速大小通常源于經驗數值,對管路中油液的運動變化機理缺乏深入了解,難以從本質上對油液的聚集進行分析。

為了深入研究低溫制冷劑蒸汽中管內潤滑油的狀態及運動變化,本文采用VOF數值[4]模型,對不同制冷劑蒸汽流速下,附著在管壁的油滴的狀態變化進行模擬,獲得了油滴在管路中隨時間的變化特征。模擬結果揭示了油滴在制冷蒸汽中的運動變化機理,對多聯機系統回油設計具有較好的參考意義。

2 數值及物理模型簡介

采用VOF方法進行模擬,數值模擬的計算模型如圖1所示,模擬流場采用直徑42cm,長度420cm的柱形流場進行模擬,入口采用速度邊界條件,為了減少入口段速度效應的影響,入口邊界速度邊界采用湍流條件下的指數分布形式:

圖1 數值模型示意圖

出口采用壓力出口邊界。初始條件為一個半徑為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,本文采用結構化網格,并在壁面邊界層處進行網格加密,計算網格總數約為200萬。流體計算參數如表1所示。本文對壓力耦合方程的求解采用了半隱方法,即SIMPLEC算法,壓強 計 算采 用 了RRESTO格 式,其 他物理量采用QUICK格式離散[5]。

3 計算結果及分析

3.1 不同流速下管內回油效果模擬 為研究制冷劑流速對多聯機管內回油效果的影響,本文對不同流速下油滴的變化過程進行了模擬。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間的演化過程。從圖2(a)中可以看出,當制冷劑流速為4m/s時,液滴沿著管壁發生移動,在移動過程中逐漸被管壁黏附并展開形成油膜。在油滴移動過程中,油滴與管壁始終接觸,并逐漸鋪展拉長直到漸漸離開計算區域。油滴到達管出口約為0.08秒。對比各時間點油膜初始位置可以看出,油膜移動速度較為緩慢。當制冷劑流速為7m/s時(圖2(b)),油滴的移動速度明顯加快,形成的油膜相較于速度為4m/s時更薄。當油滴流出計算區域外后,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。部分油膜上形成的突起在氣流的作用下與油膜脫離,進入主流區域,隨著氣流快速流動。從油膜尾部位置可以看出,除進入氣流的油滴以外,油膜整體也隨氣流發生明顯移動。圖2(c)顯示了當制冷劑流速為10m/s時油滴的運動變化狀態,從圖中可以看出,與流速為7m/s的情況相比,油滴的運動速度更快,形成的油膜厚度更小。雖然此時油膜厚度較小,但是由于高速氣流的強剪切作用,油膜表面的波動更加強烈,進入到制冷劑氣流中的液滴數量也明顯增加。同時,油膜尾部的移動速度也相較于7m/s時更大。從以上結果可以看出,在制冷劑氣流的作用下,制冷管道中的積存潤滑油主要以油膜的形式存在。制冷劑對油膜的作用決定了回油的效果。在本文的工況條件下,當入口流速大于7m/s時,制冷劑氣流會對管內油膜產生明顯的剪切作用,初始油膜沿著管道流動,并將部分油滴帶入氣流中。因此在實際工程設計中應使氣流速度在7m/s以上以保證較好的回油效果。

表1 模擬流體參數

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

3.2 管道坡度對回油效果影響 在實際工程應用中,多聯機系統各設備之間通常具有較高的高差,制冷管道的鋪設存在各種坡度。為了研究制冷管道坡度對系統回油效果的影響,本文進一步對不同坡度下管內液滴在氣流作用下的運動及形變過程進行了模擬。模擬中設置管道進口流速為7m/s,模擬結果如圖4所示。從圖中可以看出,不同坡度下油滴的運動狀態與不考慮重力相比發生了明顯的變化。從圖3(a)中可以看出,當管路處于水平時,由于重力的作用,油滴達到出口時體積相較于不考慮重力作用時較小,表面油滴的鋪展厚度有所增加,油滴在運動過程中始終與壁面接觸。當傾角為45°和90°時,油滴前端在氣流作用下逐漸上翹,并于壁面發生脫離,表明。從圖中還可以看出,當傾角為45°時,油滴脫離的時間更短,主要原因是因為重力作用在管軸向和徑向兩個方向,增大了油滴的迎風面積,從而使得氣流對油滴的作用力更大。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,從而減少進入到氣流中的油滴。對于豎直布置的管道,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演化結果:(a)0°;(b)45°;(c)90°。

4 結論

本文采用VOF多相界面模型,對多聯機管道回油進行建模分析,獲得了不同制冷劑流速下,不同管道坡度下的油滴運動形態,根據模擬結果,可以得出以下結論:

1.附著在制冷管路中的油滴在制冷劑氣流的作用下會發生變形,形成油,或者脫離管壁與制冷劑一起流動。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繼續移動,且移動速度隨制冷劑流速增大而增大。

2.管道安裝坡度對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動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動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于緩解傾斜管道和豎直管道的回油問題具有更好的效果。