包琳琳　歐陽(yáng)新萍　邱雪松

摘 要： 水平管降膜蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)的諸多領(lǐng)域，其優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效應(yīng)用對(duì)于節(jié)能和環(huán)保具有重要意義.介紹了水平管降膜蒸發(fā)的基本原理，對(duì)水平管外液膜厚度分布、新型強(qiáng)化管換熱性能及布液器結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，回顧了水平管降膜蒸發(fā)的研究成果.布液器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率.在此基礎(chǔ)上提出了一種新型布液器的設(shè)計(jì)方案，為降膜蒸發(fā)器的進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)提供了參考.

關(guān)鍵詞： 降膜蒸發(fā)； 強(qiáng)化管； 布液器

中圖分類號(hào)： TB 657.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Advances in horizontal tube fallingfilm evaporation

in refrigeration and a new distributor

BAO Linlin， OUYANG Xinping， QIU Xuesong

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： A review of the advances in horizontal tube fallingfilm evaporation is presented，which is widely used in the modern industries.It is of importance to optimize the design and take full utilization in the view of energysaving and environmental protection.The fundamental of horizontal tube fallingfilm evaporation is introduced.This review covers the advances in the distribution of falling film thickness，the heat transfer performance of new enhanced tubes and the structure of distributor，which is the key part in the system.Therefore，its performance has a significant influence on the stability and efficiency of the system.A newlydesigned distributor is proposed，which provides the guidance for the further design and research of horizontal tube fallingfilm evaporators.

Keywords： fallingfilm evaporation； enhanced tube； distributor

水平管降膜蒸發(fā)具有傳熱效率高、傳熱溫差小等特點(diǎn)，近年來(lái)在制冷、化工、石油冶煉、海水淡化等行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用.早在1888年降膜蒸發(fā)器的專利就已注冊(cè)，但直到20世紀(jì)90年代，隨著氟氯烴的逐步淘汰，降膜蒸發(fā)技術(shù)才開(kāi)始應(yīng)用到制冷系統(tǒng)中[1].降膜蒸發(fā)傳熱機(jī)制復(fù)雜，制冷劑分配不均所造成的表面干涸會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱迅速惡化，這些缺點(diǎn)限制了降膜蒸發(fā)器在制冷行業(yè)的廣泛應(yīng)用.但是隨著研究的進(jìn)一步深入，降膜蒸發(fā)器在制冷空調(diào)行業(yè)中將具有廣闊的發(fā)展前景.

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了水平管降膜蒸發(fā)的工作原理、管外液膜厚度分布、新型強(qiáng)化管換熱性能和布液器結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，并提出一種新型布液器的設(shè)計(jì)方案.

1 水平管降膜蒸發(fā)的基本原理

降膜蒸發(fā)器由布液器、蒸發(fā)管、回油系統(tǒng)和蒸氣出口組成.制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器后，由布液器將其均勻地分配到蒸發(fā)管上，然后依靠重力作用沿加熱管外壁呈膜狀向下流動(dòng)，蒸發(fā)管外側(cè)的制冷劑與內(nèi)側(cè)的流體熱交換后蒸發(fā)，然后經(jīng)由排氣通道排出進(jìn)入壓縮機(jī).降膜蒸發(fā)器原理如圖1所示.

圖1 降膜蒸發(fā)器原理圖

Fig.1 Schematic diagram of the fallingfilm evaporactor

2 水平管外液膜厚度分布的研究

水平管降膜蒸發(fā)器正常運(yùn)行的條件之一是液體沿蒸發(fā)管外均勻分布.供液不足可能會(huì)出現(xiàn)干斑現(xiàn)象，使換熱迅速惡化；液膜過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致傳熱量不足從而不能充分傳熱.由此可見(jiàn)，對(duì)水平管外液膜分布的研究具有重要的意義.

王小飛等[5]利用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)計(jì)算不同條件下的液膜厚度研究水平管降膜蒸發(fā)器管外液體流動(dòng)的影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)慰琢魉僭酱?，液膜越厚，并且柱狀流管排?shù)也增多；而隨著管間距增大，液膜厚度普遍呈減小的趨勢(shì)，柱狀流管排數(shù)減少.因?yàn)橹鶢盍鞴芘艛?shù)越多，布液和換熱情況越好，所以要綜合考慮流速和管間距這兩個(gè)因素的作用.

文獻(xiàn)[6]研究了強(qiáng)化管表面幾何尺寸對(duì)液膜厚度的影響，實(shí)驗(yàn)采用水平槽紋管，分析了槽距對(duì)液膜厚度的影響，并和光管進(jìn)行了對(duì)比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：強(qiáng)化管外液膜厚度比光管?。粚?duì)于槽紋管來(lái)說(shuō)，槽距越小，液膜越薄.

郭斌等[7]應(yīng)用雙極電導(dǎo)探針技術(shù)對(duì)水平管外無(wú)傳熱時(shí)降膜流動(dòng)的液膜厚度分布及其變化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了影響液膜分布的主要因素，得出：隨著流量增加，液膜厚度逐漸增大；管間距增大，液膜厚度減??；隨著周向角增大，周向液膜厚度先減小后增大.文獻(xiàn)[8]也得出了同樣的結(jié)論，并且利用數(shù)值模擬的方法得出液膜厚度在周向角為120°附近時(shí)達(dá)到最小值.同時(shí)也指出，液膜厚度隨著噴淋密度減小而變薄，但是，噴淋密度減小到一定程度時(shí)，管外就會(huì)出現(xiàn)局部干涸現(xiàn)象，使換熱迅速惡化.在實(shí)際應(yīng)用中需避免干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生.

文獻(xiàn)[9]指出，Nusselt計(jì)算式不能準(zhǔn)確描述液膜厚度分布情況，尤其是在周向角和管間距較大的情況下，在建立水平管外液膜厚度關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)考慮管間距和周向角β>90°時(shí)動(dòng)量效應(yīng)的影響.管間距S對(duì)液膜厚度的影響可用無(wú)量綱參數(shù)S/D表示，β>90°時(shí)的動(dòng)量效應(yīng)可用分段方法表示.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出關(guān)聯(lián)式為

液膜厚度分布的影響因素多且復(fù)雜，現(xiàn)有的研究成果大多不具有普遍適用性.液膜厚度分布是換熱性能優(yōu)劣的直觀體現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，對(duì)進(jìn)一步了解降膜蒸發(fā)機(jī)理具有重要意義.

3 新型強(qiáng)化管換熱性能的研究

通過(guò)熱阻分析可知，降膜蒸發(fā)的熱阻主要在管外側(cè)，強(qiáng)化表面換熱系數(shù)比光管表面換熱系數(shù)約高10倍[1].強(qiáng)化機(jī)理主要包括增加汽化核心和增強(qiáng)對(duì)流換熱.

文獻(xiàn)[10]利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比了強(qiáng)化管和光管的換熱性能，強(qiáng)化管分別采用了Turbo-B、Turbo-BⅡ、Turbo-EHP管.模擬結(jié)果表明，在其它條件相同時(shí)，Turbo-EHP管具有更好的換熱性能，其總熱流量比光管高62.6%.

文獻(xiàn)[11]研究了三種強(qiáng)化管對(duì)降膜蒸發(fā)換熱效果的影響，測(cè)試的強(qiáng)化管分別為Turbo-CAB-19fpi、Turbo-CAB-26fpi、Korodense管.Turbo-CAB-19fpi和Turbo-CAB-26fpi管表面分布有經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的圓柱狀突起物，內(nèi)壁均光滑；Korodense管為起皺波紋管，故其內(nèi)、外壁均不平整[12].強(qiáng)化管示意圖如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]表明：在實(shí)驗(yàn)所涉及的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，強(qiáng)化換熱效果最好的是Turbo-CAB-26fpi管，其表面降膜換熱系數(shù)為光管的3～5倍；Turbo-CAB-19fpi管換熱效果不如Turbo-CAB-26fpi管，這說(shuō)明此類翅片密度越高，其強(qiáng)化效果越好；另外，Korodense管換熱效果是三種強(qiáng)

化管中最差的.本文認(rèn)為主要原因是沒(méi)有通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)使液膜徑向分布并降低液膜厚度.Turbo-CAB強(qiáng)化管能夠促進(jìn)液體的均勻分布，同時(shí)轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)更?。患訜崴M(jìn)口溫度的升高會(huì)增大Korodense管和光管表面的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)，但對(duì)Turbo-CAB管的影響很小，所以Turbo-CAB管更適用于工況變化大的場(chǎng)合.

邱亞林等[13]分別對(duì)低翅管、多孔管1和多孔管2進(jìn)行了試驗(yàn)，三種強(qiáng)化管降膜蒸發(fā)管外傳熱強(qiáng)化倍率分別為光管的2.97、4.20和5.46倍.同時(shí)將各管換熱性能和池沸騰性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化管的降膜蒸發(fā)性能高于池沸騰性能.

Lee等[14]將銅粉均勻地?zé)Y(jié)到光滑銅管上，在管外形成一種微尺寸多孔涂層.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，即使在液體流速很低時(shí)，這種多孔涂層管仍能很好地被濕潤(rùn).通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出，多孔涂層管換熱系數(shù)比光管的高2倍.

田華等[15]對(duì)三種具有不同強(qiáng)化表面的換熱管進(jìn)行了水平單管管外降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：降膜蒸發(fā)不僅取決于多孔結(jié)構(gòu)密度，而且取決于齒化結(jié)構(gòu)密度；多孔結(jié)構(gòu)影響沸騰換熱，齒化結(jié)構(gòu)影響對(duì)流換熱，降膜蒸發(fā)換熱是這兩種因素的綜合表現(xiàn).

采用強(qiáng)化管代替光管不僅可大幅提高換熱系數(shù)，而且可使管束更加緊湊，減小換熱器體積[16].且由于強(qiáng)化管外表面的特殊結(jié)構(gòu)，使管外液膜分布更加均勻，有效防止產(chǎn)生干涸現(xiàn)象.因此采用強(qiáng)化管代替一般換熱管對(duì)降膜蒸發(fā)強(qiáng)化換熱具有重要意義.

4 布液器結(jié)構(gòu)對(duì)換熱影響的研究

4.1 布液器設(shè)計(jì)原則

布液器是對(duì)進(jìn)入降膜蒸發(fā)器的制冷劑進(jìn)行均勻分配的裝置，是降膜蒸發(fā)器中的重要組成部分.判斷布液器性能優(yōu)劣，主要看它能否滿足兩點(diǎn)要求：① 能否在降膜蒸發(fā)換熱管外整個(gè)圓周和長(zhǎng)度方向上將制冷劑均勻分配以及液膜層厚度能否保證充分換熱并且不出現(xiàn)干涸；② 能否均勻分布到每根換熱管上[17].系統(tǒng)能否正常、高效運(yùn)行很大程度上取決于布液器的性能，因此布液器的設(shè)計(jì)和研究對(duì)于提升整個(gè)降膜蒸發(fā)系統(tǒng)效率具有至關(guān)重要的作用.

在布液器噴淋管的設(shè)計(jì)中，根據(jù)文獻(xiàn)[18]可計(jì)算得出噴淋孔間距

λ=2πmσρLg

（7）

式中：σ為表面張力；m為常數(shù)，取值為2.

4.2 布液器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水平管降膜蒸發(fā)器液體分布裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)研究很少.目前水平管降膜蒸發(fā)常用的布液器大致有噴嘴式布液器、噴淋板式布液器、噴淋管式布液器[19].

1995年Fujita等[20]在試驗(yàn)中采用在燒結(jié)管頂部開(kāi)孔的布液方式.這種布液方式得到的傳熱效率比采用在噴淋管底部開(kāi)孔的布液方式所得到的換熱效率高.之后，F(xiàn)ujita等[21]在試驗(yàn)中采用了三種不同布液管：燒結(jié)管、普通的底部開(kāi)孔管、底部開(kāi)孔布液板.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燒結(jié)管可改變多孔結(jié)構(gòu)，另外兩個(gè)可改變孔徑與孔間距使液體分布在蒸發(fā)管上而不引起飛濺.

2001年Hartfield等[22]申請(qǐng)了壓縮機(jī)制冷機(jī)組水平管降膜蒸發(fā)器專利.其布液器采用五層孔板的形式：第一、二層完成制冷劑沿縱向的分配；第三、四層完成制冷劑橫向分配；第五層孔板主要作用是對(duì)制冷劑減速降壓.另外，在布液器的出口增加鋸齒形圓環(huán)，可利用液體的表面張力促進(jìn)液體的均勻分配[23].

2011年He等[24]在實(shí)驗(yàn)中采用的布液器是底部開(kāi)縫的圓柱管，其下半部分填充多孔材料，布液管下方2 mm處布置一根導(dǎo)流管，這樣可使液體均勻分布在蒸發(fā)管上.

姜帆[25]研究了水平單管降膜蒸發(fā)過(guò)程，選用了噴淋管式布液器.該實(shí)驗(yàn)采用的布液器是一根焊接了21個(gè)廣角噴嘴的水平光管.這種噴嘴噴出的制冷劑呈扇形，在測(cè)試壓力下噴角為100°.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該布液器可使液膜在測(cè)試管表面均勻分布.

文獻(xiàn)[26]提出了三種不同結(jié)構(gòu)的布液器，分別為單一布液器、雙布液器、中間開(kāi)孔布液器.利用數(shù)值模擬的方法分別對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)部流體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了比較，得出中間開(kāi)孔布液器可使液體較均勻地分配，更有利于提高換熱性能.

孫會(huì)朋[19]設(shè)計(jì)了一種排管式液體分布裝置，如圖3所示.液體由垂直的中心管引入，經(jīng)過(guò)水平分配管分配到布液管中，由小孔噴淋到各列水平管束上，也可噴淋到多孔槽布液器進(jìn)行二次分布[27].布液管上的開(kāi)孔方式采用非均勻開(kāi)孔.文獻(xiàn)[28]指出，非均勻開(kāi)孔比均勻開(kāi)孔的液體分布器的不均勻性約低35%～50%，因此采用非均勻開(kāi)孔可有效提高布液器流量分配的均勻性.排管式液體分布裝置在所設(shè)計(jì)的液體流量范圍內(nèi)具有均勻性良好、氣流通道大、占空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、易于支撐、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)[29].

圖3 排管式液體分布裝置

Fig.3 The calandria liquid distribution

5 一種新型布液器的設(shè)計(jì)

水平管降膜蒸發(fā)器制冷劑分配方式主要分為噴淋和滴淋.噴淋通常需要循環(huán)泵提供動(dòng)力給噴射液體；滴淋則不需要循環(huán)泵，制冷劑完全依靠重力滴淋方式分布到換熱管表面.布液器需要將制冷劑均勻地分布在管子上，通常滴淋比噴淋擁有更高的效率[10].因此對(duì)滴淋裝置的深入研究具有重要意義.

本文針對(duì)水平單管外降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，提出一種新型滴淋裝置.該裝置由垂直的中心管引入，制冷劑經(jīng)過(guò)水平分配管分配到布液管中.布液管底部中心的兩側(cè)開(kāi)有小孔，兩端靠近小孔的位置焊接兩塊向中心收縮的帶鋸齒形的鋼板.制冷劑從布液管的小孔滴淋到鋼板表面，再?gòu)匿摪宓撞康匿忼X形表面滴落到換熱管表面.滴淋裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示.鋼板起到導(dǎo)流和二次布液的作用，有利于液體在換熱管外的均勻分布.經(jīng)驗(yàn)證，該裝置使換熱管外制冷劑分布更加均勻，從而有效避免干涸現(xiàn)象的發(fā)生.這種結(jié)構(gòu)也可拓展為多根布液管對(duì)換熱管束的布液.

圖4 滴淋裝置結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of the trickling device

6 結(jié) 論

水平管降膜蒸發(fā)因其獨(dú)特的換熱機(jī)理，減少了制冷劑的充注量，提高了制冷系統(tǒng)的換熱效率，節(jié)約了運(yùn)行成本，在制冷空調(diào)行業(yè)中具有良好的發(fā)展前景.從降膜蒸發(fā)原理出發(fā)，可看出布液器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，而液膜厚度分布是布液器性能優(yōu)劣的直觀體現(xiàn).本文提出的一種新型布液器的設(shè)計(jì)方案，能夠使換熱管外制冷劑分布更加均勻，從而有效避免干涸現(xiàn)象的發(fā)生.

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