基于FLUENT的制冷系統(tǒng)管道磨損研究

汪春節(jié)

（格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

流體的輸送往往采用管道完成。在制冷系統(tǒng)中，制冷劑在系統(tǒng)中的傳輸與流動(dòng)均依靠管路的連接。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，制冷壓縮機(jī)的排氣溫度和壓力較高，尤其在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)會(huì)隨著制冷劑工質(zhì)一起從制冷壓縮機(jī)的排氣口排出，進(jìn)入循環(huán)過(guò)程中對(duì)管路造成不同程度的磨損，對(duì)于排氣管路尤為嚴(yán)重。

家用小型制冷壓縮機(jī)的排氣管一般采用銅管折彎而成，其壁厚較薄，隨著機(jī)組的運(yùn)行，磨損會(huì)對(duì)管路造成破壞甚至導(dǎo)致管路的泄漏，造成事故。針對(duì)上述工程問(wèn)題，本文采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)管路的磨損情況進(jìn)行分析，得到管路磨損位置及磨損的影響因素。同時(shí)，提出管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，從而通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整減小管路的磨損。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

如圖1所示為家用制冷壓縮機(jī)的排氣管路結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)的工作原理，制冷壓縮機(jī)從壓縮機(jī)頂端排氣至冷凝器進(jìn)行冷凝。為避免排氣管路冷凝的液體流回壓縮機(jī)，排氣管采用倒U形結(jié)構(gòu)，且具有一定的坡度，坡向冷凝器方向。如圖2所示，采用排氣出口一段管路內(nèi)部流體空間作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。

圖1 排氣管路結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖2 排氣管模型

采用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格，得到網(wǎng)格模型如圖3所示。并在計(jì)算之前對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 控制方程

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，雙方程如下：

2.2 磨損模型

雜質(zhì)顆粒沖擊管壁時(shí)，雜質(zhì)會(huì)對(duì)管道的內(nèi)壁造成不同程度的磨損，常用磨損率來(lái)進(jìn)行衡量。其計(jì)算式為：

2.3 邊界條件設(shè)定

采用R290制冷劑及粒徑為20雜質(zhì)顆粒作為研究材料。

進(jìn)口的邊界條件設(shè)定為速度進(jìn)口，以氟利昂常用的排氣速度范圍設(shè)定10~16m/s的速度變化區(qū)間模擬變工況情況下的管道沖蝕。選用φ8mm×1mm的銅管及其內(nèi)部流體域進(jìn)行研究，采用不同濃度的雜質(zhì)粒子條件模擬空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的管道磨損計(jì)算。

3 模擬結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 磨損位置分析

對(duì)倒U型管道磨損位置進(jìn)行分析。得到管路磨損位置如圖4所示。由圖可知，管路磨損位置主要分布于折彎位置的外側(cè)面。制冷劑工質(zhì)在管路內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中存在沿程阻力損失以及因折彎位置引起的局部阻力損失，因此，隨著制冷劑工質(zhì)的流動(dòng)，管路內(nèi)部的流速及壓力有一定程度的降低，使得雜質(zhì)顆粒對(duì)于管路的沖蝕情況有所不同，如圖4（a）所示，主要集中在折彎位置外側(cè)面，圖4（b）、（c）所示沖蝕位置有稍向后移動(dòng)的趨勢(shì)，即管路磨損位置較大的區(qū)域向著遠(yuǎn)離來(lái)流方向偏移。

圖4 管路磨損位置示意圖

3.2 雜質(zhì)顆粒速度影響分析

對(duì)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的顆粒速度進(jìn)行模擬分析，得到顆粒速度與壁面沖蝕情況的關(guān)系如圖5所示。由圖可知，管道內(nèi)雜質(zhì)流動(dòng)速度與管路沖蝕呈非線性關(guān)系，隨著速度的增加，管道的磨損呈現(xiàn)先增加后減小的整體趨勢(shì)。

圖5 管路磨損與流速關(guān)系曲線

在速度相對(duì)較低情況下，雜質(zhì)對(duì)管壁的沖撞較小，管壁的磨損較小。隨著速度的不斷提高，雜質(zhì)在管內(nèi)的徑向速度梯度增加，顆粒的翻轉(zhuǎn)劇烈，加大了與管壁之間的碰撞作用，使得管壁的磨損有一定程度的增加。隨著速度的進(jìn)一步提高，雜質(zhì)受制冷劑工質(zhì)慣性的影響與壁面接觸時(shí)間縮短，對(duì)管壁的磨損有一定程度的降低。

在排氣管路合理的速度范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能的選取較小或較大速度值，避開(kāi)中間速度區(qū)域，在具體設(shè)計(jì)使用過(guò)程中可以從兩個(gè)方面控制：一是采用較小管徑用來(lái)增加管內(nèi)流速；一是盡可能采用高負(fù)荷運(yùn)行，防止因變工況工作引起流速降低而帶來(lái)的管路磨損。

3.3 質(zhì)量濃度影響分析

對(duì)不同質(zhì)量濃度進(jìn)行模擬分析，得到管路磨損與質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，管道內(nèi)雜質(zhì)濃度與管路沖蝕呈階段性的線性關(guān)系。空調(diào)系統(tǒng)較新，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較短，管內(nèi)雜質(zhì)較少，對(duì)管路的沖蝕較輕。隨著空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，雜質(zhì)濃度增加使得管路磨損大致呈較為平坦的線性曲線緩慢增加；在雜質(zhì)濃度增加到2%以上繼續(xù)增加，管路磨損的程度急劇增大，嚴(yán)重造成管壁的磨損甚至造成管路的破壞。主要是由于濃度較低的雜質(zhì)中顆粒數(shù)量較少，對(duì)管壁碰撞次數(shù)較少，管壁磨損較輕。隨著顆粒數(shù)量的增加，對(duì)不安比之間的碰撞增加，從而對(duì)管壁的磨損增加。

圖6 管路磨損與質(zhì)量濃度關(guān)系曲線

在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：一是在管路中設(shè)計(jì)干燥過(guò)濾器，減少雜質(zhì)在系統(tǒng)中的流動(dòng)；一是對(duì)磨損較大的管路位置采用壁厚加厚的保護(hù)措施，防止管路的失效，如圖7所示在彎頭位置增加部分套接管路作為防磨彎管使用。

圖7 防磨彎管示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

制冷系統(tǒng)排氣管路輸送制冷劑時(shí)，因系統(tǒng)運(yùn)行，使得管路中有雜質(zhì)的存在對(duì)管路產(chǎn)生磨損。本文針對(duì)制冷劑管路的磨損進(jìn)行研究，結(jié)果表明，管路磨損位置主要集中于折彎位置外側(cè)面區(qū)域，需采用防護(hù)彎管等形式進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。制冷劑工質(zhì)的流速對(duì)管路磨損影響明顯，且隨著流速的增加，磨損程度呈先增加后降低的趨勢(shì)。雜質(zhì)顆粒的質(zhì)量濃度與管路磨損情況呈階段性的線性關(guān)系，濃度較小時(shí)磨損程度增加緩慢，隨著濃度增加，超過(guò)2%以后，磨損情況顯著增加。