水平管降膜蒸发具有传热效率高、传热温差小等特点,近年来在制冷、化工、石油冶炼、海水淡化等行业得到了非常广泛的应用.早在1888年降膜蒸发器的专利就已注册,但直到20世纪90年代,随着氟氯烃的逐步淘汰,降膜蒸发技术才开始应用到制冷系统中^[1].降膜蒸发传热机制复杂,制冷剂分配不均所造成的表面干涸会导致换热迅速恶化,这些缺点限制了降膜蒸发器在制冷行业的广泛应用.但是随着研究的进一步深入,降膜蒸发器在制冷空调行业中将具有广阔的发展前景.

本文针对国内外研究现状,介绍了水平管降膜蒸发的工作原理、管外液膜厚度分布、新型强化管换热性能和布液器结构的最新研究进展,并提出一种新型布液器的设计方案.

降膜蒸发器由布液器、蒸发管、回油系统和蒸气出口组成.制冷剂进入蒸发器后,由布液器将其均匀地分配到蒸发管上,然后依靠重力作用沿加热管外壁呈膜状向下流动,蒸发管外侧的制冷剂与内侧的流体热交换后蒸发,然后经由排气通道排出进入压缩机.降膜蒸发器原理如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 降膜蒸发器原理图 Fig. 1 Schematic diagram of the falling-film evaporactor

水平管降膜蒸发器正常运行的条件之一是液体沿蒸发管外均匀分布.供液不足可能会出现干斑现象,使换热迅速恶化;液膜过厚会导致传热量不足从而不能充分传热.由此可见,对水平管外液膜分布的研究具有重要的意义.

Nusselt^[2]最早从理论上对成膜特性进行了研究,得出液膜厚度δ计算式为

式中:β为从水平管上部测量的圆周角;Γ为喷淋液体在管外单侧单位长度的质量流量;μ为动力黏度;g为重力加速度;ρ为密度;下标G表示气体,L表示液体.

Rogers^[3]忽略液膜表面剪切力和动量变化的影响,利用积分的方法得到液膜厚度计算式为

Rogers等^[4]以水为工质,通过实验得出水平管外液膜厚度计算式为

式中:D为外径;Re为雷诺数;Ar为阿基米德常数.

王小飞等^[5]利用数值模拟的方法,通过计算不同条件下的液膜厚度研究水平管降膜蒸发器管外液体流动的影响因素,结果发现:单孔流速越大,液膜越厚,并且柱状流管排数也增多;而随着管间距增大,液膜厚度普遍呈减小的趋势,柱状流管排数减少.因为柱状流管排数越多,布液和换热情况越好,所以要综合考虑流速和管间距这两个因素的作用.

文献^[6]研究了强化管表面几何尺寸对液膜厚度的影响,实验采用水平槽纹管,分析了槽距对液膜厚度的影响,并和光管进行了对比.实验结果表明:强化管外液膜厚度比光管小;对于槽纹管来说,槽距越小,液膜越薄.

郭斌等^[7]应用双极电导探针技术对水平管外无传热时降膜流动的液膜厚度分布及其变化特性进行了实验研究,探讨了影响液膜分布的主要因素,得出:随着流量增加,液膜厚度逐渐增大;管间距增大,液膜厚度减小;随着周向角增大,周向液膜厚度先减小后增大.文献^[8]也得出了同样的结论,并且利用数值模拟的方法得出液膜厚度在周向角为120°附近时达到最小值.同时也指出,液膜厚度随着喷淋密度减小而变薄,但是,喷淋密度减小到一定程度时,管外就会出现局部干涸现象,使换热迅速恶化.在实际应用中需避免干涸现象的产生.

文献^[9]指出,Nusselt计算式不能准确描述液膜厚度分布情况,尤其是在周向角和管间距较大的情况下,在建立水平管外液膜厚度关联式时应考虑管间距和周向角β＞90°时动量效应的影响.管间距S对液膜厚度的影响可用无量纲参数S/D表示,β＞90°时的动量效应可用分段方法表示.通过实验得出关联式为

式中:C、n均为常数,取值如表 1所示.

表 1 Table 1

表 1 式(6)中的C、n值 Table 1 C and n values in formula(6) β/(°) C n 0＜β≤90 0.975 40 -0.166 70 90＜β≤180 0.849 78 -0.164 79

表 1 式(6)中的C、n值 Table 1 C and n values in formula(6)

但是,式(6)仅限于各参数在某些特定数值范围内取值时应用.

液膜厚度分布的影响因素多且复杂,现有的研究成果大多不具有普遍适用性.液膜厚度分布是换热性能优劣的直观体现,对其进行更深入的研究,对进一步了解降膜蒸发机理具有重要意义.

通过热阻分析可知,降膜蒸发的热阻主要在管外侧,强化表面换热系数比光管表面换热系数约高10倍^[1].强化机理主要包括增加汽化核心和增强对流换热.

文献^[10]利用数值模拟的方法,对比了强化管和光管的换热性能,强化管分别采用了Turbo-B、Turbo-BⅡ、Turbo-EHP管.模拟结果表明,在其它条件相同时,Turbo-EHP管具有更好的换热性能,其总热流量比光管高62.6%.

文献^[11]研究了三种强化管对降膜蒸发换热效果的影响,测试的强化管分别为Turbo-CAB-19fpi、Turbo-CAB-26fpi、Korodense管.Turbo-CAB-19fpi和Turbo-CAB-26fpi管表面分布有经优化设计的圆柱状突起物,内壁均光滑;Korodense管为起皱波纹管,故其内、外壁均不平整^[12].强化管示意图如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 强化管示意图 Fig. 2 Diagram of the enhanced tubes

实验结果^[11]表明:在实验所涉及的雷诺数范围内,强化换热效果最好的是Turbo-CAB-26fpi管,其表面降膜换热系数为光管的3~5倍;Turbo-CAB-19fpi管换热效果不如Turbo-CAB-26fpi管,这说明此类翅片密度越高,其强化效果越好;另外,Korodense管换热效果是三种强化管中最差的.本文认为主要原因是没有通过优化结构使液膜径向分布并降低液膜厚度.Turbo-CAB强化管能够促进液体的均匀分布,同时转变雷诺数更小;加热水进口温度的升高会增大Korodense管和光管表面的转变雷诺数,但对Turbo-CAB管的影响很小,所以Turbo-CAB管更适用于工况变化大的场合.

邱亚林等^[13]分别对低翅管、多孔管1和多孔管2进行了试验,三种强化管降膜蒸发管外传热强化倍率分别为光管的2.97、4.20和5.46倍.同时将各管换热性能和池沸腾性能进行了对比,发现强化管的降膜蒸发性能高于池沸腾性能.

Lee等^[14]将铜粉均匀地烧结到光滑铜管上,在管外形成一种微尺寸多孔涂层.通过实验研究发现,即使在液体流速很低时,这种多孔涂层管仍能很好地被湿润.通过实验对比得出,多孔涂层管换热系数比光管的高2倍.

田华等^[15]对三种具有不同强化表面的换热管进行了水平单管管外降膜蒸发实验,结果发现:降膜蒸发不仅取决于多孔结构密度,而且取决于齿化结构密度;多孔结构影响沸腾换热,齿化结构影响对流换热,降膜蒸发换热是这两种因素的综合表现.

采用强化管代替光管不仅可大幅提高换热系数,而且可使管束更加紧凑,减小换热器体积^[16].且由于强化管外表面的特殊结构,使管外液膜分布更加均匀,有效防止产生干涸现象.因此采用强化管代替一般换热管对降膜蒸发强化换热具有重要意义.

布液器是对进入降膜蒸发器的制冷剂进行均匀分配的装置,是降膜蒸发器中的重要组成部分.判断布液器性能优劣,主要看它能否满足两点要求:① 能否在降膜蒸发换热管外整个圆周和长度方向上将制冷剂均匀分配以及液膜层厚度能否保证充分换热并且不出现干涸;② 能否均匀分布到每根换热管上^[17].系统能否正常、高效运行很大程度上取决于布液器的性能,因此布液器的设计和研究对于提升整个降膜蒸发系统效率具有至关重要的作用.

在布液器喷淋管的设计中,根据文献^[18]可计算得出喷淋孔间距

式中:σ为表面张力;m为常数,取值为2.

国内外关于水平管降膜蒸发器液体分布装置的结构设计及相关研究很少.目前水平管降膜蒸发常用的布液器大致有喷嘴式布液器、喷淋板式布液器、喷淋管式布液器^[19].

1995年Fujita等^[20]在试验中采用在烧结管顶部开孔的布液方式.这种布液方式得到的传热效率比采用在喷淋管底部开孔的布液方式所得到的换热效率高.之后,Fujita等^[21]在试验中采用了三种不同布液管:烧结管、普通的底部开孔管、底部开孔布液板.实验结果表明,烧结管可改变多孔结构,另外两个可改变孔径与孔间距使液体分布在蒸发管上而不引起飞溅.

2001年Hartfield等^[22]申请了压缩机制冷机组水平管降膜蒸发器专利.其布液器采用五层孔板的形式:第一、二层完成制冷剂沿纵向的分配;第三、四层完成制冷剂横向分配;第五层孔板主要作用是对制冷剂减速降压.另外,在布液器的出口增加锯齿形圆环,可利用液体的表面张力促进液体的均匀分配^[23].

2011年He等^[24]在实验中采用的布液器是底部开缝的圆柱管,其下半部分填充多孔材料,布液管下方2 mm处布置一根导流管,这样可使液体均匀分布在蒸发管上.

姜帆^[25]研究了水平单管降膜蒸发过程,选用了喷淋管式布液器.该实验采用的布液器是一根焊接了21个广角喷嘴的水平光管.这种喷嘴喷出的制冷剂呈扇形,在测试压力下喷角为100°.经实验验证,该布液器可使液膜在测试管表面均匀分布.

文献^[26]提出了三种不同结构的布液器,分别为单一布液器、双布液器、中间开孔布液器.利用数值模拟的方法分别对蒸发器内部流体流动形态进行了比较,得出中间开孔布液器可使液体较均匀地分配,更有利于提高换热性能.

孙会朋^[19]设计了一种排管式液体分布装置,如图 3所示.液体由垂直的中心管引入,经过水平分配管分配到布液管中,由小孔喷淋到各列水平管束上,也可喷淋到多孔槽布液器进行二次分布^[27].布液管上的开孔方式采用非均匀开孔.文献^[28]指出,非均匀开孔比均匀开孔的液体分布器的不均匀性约低35%~50%,因此采用非均匀开孔可有效提高布液器流量分配的均匀性.排管式液体分布装置在所设计的液体流量范围内具有均匀性良好、气流通道大、占空间小、结构简单、加工方便、易于支撑、造价低廉等优点^[29].

图 3

Fig. 3

图 3 排管式液体分布装置 Fig. 3 The calandria liquid distribution

水平管降膜蒸发器制冷剂分配方式主要分为喷淋和滴淋.喷淋通常需要循环泵提供动力给喷射液体;滴淋则不需要循环泵,制冷剂完全依靠重力滴淋方式分布到换热管表面.布液器需要将制冷剂均匀地分布在管子上,通常滴淋比喷淋拥有更高的效率^[10].因此对滴淋装置的深入研究具有重要意义.

本文针对水平单管外降膜蒸发实验,提出一种新型滴淋装置.该装置由垂直的中心管引入,制冷剂经过水平分配管分配到布液管中.布液管底部中心的两侧开有小孔,两端靠近小孔的位置焊接两块向中心收缩的带锯齿形的钢板.制冷剂从布液管的小孔滴淋到钢板表面,再从钢板底部的锯齿形表面滴落到换热管表面.滴淋装置结构如图 4所示.钢板起到导流和二次布液的作用,有利于液体在换热管外的均匀分布.经验证,该装置使换热管外制冷剂分布更加均匀,从而有效避免干涸现象的发生.这种结构也可拓展为多根布液管对换热管束的布液.

图 4

Fig. 4

图 4 滴淋装置结构 Fig. 4 Structure of the trickling device

水平管降膜蒸发因其独特的换热机理,减少了制冷剂的充注量,提高了制冷系统的换热效率,节约了运行成本,在制冷空调行业中具有良好的发展前景.从降膜蒸发原理出发,可看出布液器是系统的关键部件,其性能优劣在很大程度上影响系统的稳定性和效率,而液膜厚度分布是布液器性能优劣的直观体现.本文提出的一种新型布液器的设计方案,能够使换热管外制冷剂分布更加均匀,从而有效避免干涸现象的发生.