溝槽豎管蒸發式冷凝器的開發與效果分析

摘要：通過對熱阻的分析得知，對蒸發式冷凝器進行強化傳熱的主要方法是控制和減小管外水膜熱阻和管內冷凝熱阻，在此基礎上提出了溝槽豎管這一新型換熱元件；通過數值模擬證明了豎直管可以有效改善水膜分布；理論計算的結果表明開設溝槽管內冷凝換熱系數是原來的3.01倍。

關鍵詞：蒸發式冷凝器；溝槽豎管；水膜熱阻；冷凝熱阻

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）13-3171-04

常見的冷凝器按冷卻方式可分為三類：蒸發式冷凝器、風冷式冷凝器及水冷式冷凝器[1]。蒸發式冷凝器同其他形式的冷凝器相比，具有節能節水的顯著優勢，其耗水量僅為水冷式的5%～10%，若用于冷庫制冷系統，節能可達11%～70%[2-6]，在美國、加拿大等發達國家已經得到了廣泛的應用。相關文獻曾對美國和加拿大的62家冷庫的制冷裝置進行了統計調查，調查結果顯示，蒸發式冷凝器的應用占了81%，遠超過了其他冷凝器所占份額的總和[7]。可見，對蒸發式冷凝器的結構進一步開發有助于冷庫節能效果的提高。

根據換熱元件形式的不同，可將蒸發式冷凝器分為管式蒸發式冷凝器和板式蒸發式冷凝器兩大類。目前常見的管式蒸發式冷凝器多為水平管式，綜合考慮板式和管式的優缺點，提出了一種新型的蒸發式冷凝器——溝槽豎管蒸發式冷凝器。

1 溝槽豎管蒸發式冷凝器開發的理論基礎

1.1 熱阻分析

蒸發式冷凝器管內為制冷劑，管外為流動的水膜和空氣。若不考慮管外的污垢熱阻及管內的油垢熱阻，蒸發式冷凝器中制冷劑膜狀凝結時總熱阻由管內冷凝液膜熱阻、管壁熱阻、水膜熱阻及水膜和空氣交界面上的界面熱阻所構成。圖1為一定試驗條件（測試條件：風速2.5 m/s，濕球溫度22.8 ℃，噴淋量0.058 kg/s）下的4種熱阻比例圖[8]。

數據表明，在蒸發式冷凝器中管壁熱阻很小，界面熱阻、水膜熱阻及冷凝熱阻所占份額相當。界面熱阻隨著風速的增大而減小，但在蒸發式冷凝器系統中，風速是有最佳范圍的（3 m/s左右）[9]，增大風速不僅會增大系統的壓降，增加風機的耗功，而且會導致液泛，甚至撕裂連續水膜，出現干壁現象。因此風速不宜過大，對界面熱阻的控制受到了局限。

水膜熱阻和冷凝熱阻的總和幾乎占了總熱阻的2/3。水膜熱阻由水膜的厚度決定，冷凝熱阻則由冷凝液膜厚度決定。通過合理調整布水方式和噴淋量、應用一定的技術手段及時排出冷凝液來降低這兩個熱阻是可以實現的。對蒸發式冷凝器進行強化傳熱、結構優化應從這兩方面入手。

1.2 水膜熱阻的控制

水膜熱阻的減小主要靠液膜厚度的減小和均勻分布來實現。冷凝液膜熱阻的減小可通過減薄冷凝液膜、及時排出冷凝液來實現。這為強化傳熱提供了方向。

蒸發式冷凝器中，采用橢圓管的換熱效果要優于水平圓管，其主要原因是橢圓管改善了水膜在管外的分布情況。對橢圓管進一步改進，其極限形狀就是密閉的豎直板式空間。

板式換熱元件在長時間使用時，溫差應力、振動等因素可能會導致出現密封性問題，引起制冷劑的泄露。所以提出一種新型布置方式——豎直布置的無縫冷凝管。這種方式可減小焊縫長度，保證密封性。

同水平管形式相比，豎直冷凝管有如下優點：壓降會降低；水膜分布更均勻；較少地出現干壁現象，防止結垢；沒有水平管因促進冷凝液流動所需的傾角，一定程度上可減小換熱器結構尺寸。

1.3 冷凝熱阻的控制

豎直冷凝管強化傳熱的原則是：盡量減薄黏滯在換熱表面上的凝結液膜。可用各種帶有尖峰的表面使冷凝液膜拉薄，促使已凝結的液體從換熱表面盡快脫離。

現有的豎直管無源強化傳熱技術主要包括以下幾種形式[10-12]：采用粗糙表面、應用縱槽管、縱向繞設金屬絲線、應用螺旋槽管。

美國橡樹嶺國家實驗室以氟利昂為工質，結合地熱利用對豎直強化冷凝管作了比較系統的研究，得出以下結論：最佳的冷凝管是縱槽管，然后是螺旋槽管和繞線管。縱槽管的凝結換熱系數可達光管的5.5倍，如果使用排液盤還可以進一步提高[13]。

鄧頌九等[14]曾在外徑22 mm、壁厚2 mm的管子上均勻布置48條縱向溝槽，試驗結果表明用這樣的溝槽管代替光滑冷凝管，其傳熱系數可提高1.4倍。

2 新型蒸發冷凝器的提出及分析

2.1 溝槽豎管蒸發式冷凝器

根據上面的分析，提出一種應用于蒸發式冷凝器的新型換熱元件——溝槽豎管。在豎直管內開設三角形縱向溝槽。溝槽豎管管排的形式如圖2。

溝槽管的截面如圖3所示。管子內徑21 mm，壁厚2 mm，溝槽底部間距0.5 mm，槽深1 mm，總共布置 44個溝槽。

圖4為多組管排組合布置方式示意圖。在管排的頂部和底部均設置聯箱，上部聯箱同壓縮機出口相連，底部聯箱布置U型液封防止串氣，同系統儲液器相連。蒸汽通過管排頂部的聯箱均勻分布到豎直布置的溝槽管內；水膜在管外沿著管排豎直流動，因為空氣流動除了在聯箱處有繞流外，其他部位擾動很小，故其分布較為均勻。

蒸汽在管內流動過程中冷凝，冷凝液膜由于溝槽管的作用積聚在溝槽底部，順著縱向溝槽流入底部的冷凝液聯箱。由于蒸汽流動和冷凝液膜流動方向相同，相應地能減薄液膜厚度，利于傳熱。

由于不用考慮蒸汽轉向時為減少局部阻力和管材應力所需的曲率半徑，故管排可以布置得更為緊湊。豎直管的長度對液膜的厚度變化有直接影響。相關文獻中介紹最佳換熱管高度為0.8～0.9 m[15]。

2.2 水膜熱阻控制效果的分析

2.2.1 幾何模型 圖5給出了兩種形式的幾何模型：圖5a為豎管蒸發式冷凝器的二維幾何模型，尺寸為6 mm×100 mm；圖5b為水平管蒸發式冷凝器的二維幾何模型，尺寸為40 mm×145 mm，管徑為25 mm。

2.2.2 邊界條 圖5a中，設定左側邊界為wall，右側邊界為symmetry，上面邊界設為mass-flow-inlet，下面設為pressure-outlet；圖5b中，設定左右邊界及中心管子壁面為wall，上面邊界設為mass-flow-inlet，下面設為pressure-outlet。

2.2.3 網格與求解模型的選擇 對于豎直管模型，由于結構較為規整，故采用Quad單元格式，Map網格類型，網格質量較好。對于水平管，采用Pave網格形式，最差網格質量為0.48，滿足要求。對于自由界面的模擬，采用VOF模型。

2.2.4 模擬結果及分析 豎管和水平管兩種布置方式在不同噴淋量下的液膜分布如圖6、圖7所示。從圖6可以看出，噴淋量在0.05 kg/s時，由于流量較小，豎直板上不能形成連續的液膜，在噴淋量增大到0.07 kg/s時可形成連續的液膜，在0.15 kg/s時，液膜連續但相對0.07 kg/s時液膜較厚。

從圖7可以看出，水平管噴淋量在0.07 kg/s時不能形成均勻液膜，增加到0.20 kg/s時，只有噴淋水流速較小的上層管排能形成連續液膜，到了下層管排，由于流速的增大，噴淋水飛濺，不能很好地濕潤管壁；流速繼續增大時，雖然液膜可以連續，但液膜較厚，會形成較大的水膜熱阻，在下部管排的飛濺更為明顯。

通過以上分析可知，豎直管壁外的水膜不但較易均勻分布而且所需流量較小，在噴淋量為0.07 kg/s時即可獲得連續液膜；而水平管壁上的水膜分布不均勻，且要獲得連續水膜所需流量較大，在噴淋量為0.70 kg/s時液膜連續性仍差于豎管。綜合比較，豎管布置方式不僅可以獲得較均勻的水膜，而且水膜較薄，熱阻要比水平管形式熱阻小，水膜分布特性優于水平管。

2.3 冷凝熱阻控制效果分析

2.3.1 光滑豎管與光滑水平管冷凝換熱能力比較 光滑豎管內的冷凝特性和豎直平板上的冷凝特性相同，其冷凝換熱系數為：

αv=1.13=■■ （1）

式中，αv為豎管冷凝換熱系數，W/（m2·K）；Δt為制冷劑側冷凝溫降，℃；B為集合物性參數，W3·N/（m6·K3·s）；l為管子的高度，m。

水平管內的冷凝換熱系數因制冷劑的不同而有不同的形式。對于氟利昂類制冷劑，其水平管內平均冷凝換熱系數計算公式為：

αh=0.555■■ （2）

對于氨作為制冷劑，管內冷凝換熱系數計算公式為：

αh=2 116Δt-1/6d-1/4 （3）

式中，αh為水平管冷凝換熱系數，W/（m2·K）；Δt為制冷劑側冷凝溫降，℃；d為冷凝管內徑，m。

若制冷劑為氨，假設Δt=0.5℃，管內徑取21 mm。則水平管的平均冷凝換熱系數為：

αh=2 116×0.5-1/6×0.021-1/4

=6 239 W/（m2·K）

豎管在取相同換熱系數時，其高度計算公式為

l=■■■ （4）

氨的B可以根據物性參數計算，也可從參考文獻[16]中查取。通過計算得到l=5.8 m。即在豎管高度為5.8 m時，水平管和豎管的冷凝換熱系數相同。但在實際應用中，豎管的高度l一般在1 m左右。分析公式（1）可知，豎管高度l同換熱系數成反比，l越小，αv越大。當豎管高度為1 m時，其冷凝換熱系數為αv=9 710 W/（m2·℃）

Δ1=■=55.6%

因此可以得知，在通常情況下，豎管冷凝換熱系數要大于水平管，在豎管高1 m時，其冷凝傳熱系數要比水平管高55.6%。用豎管代替水平管可以強化冷凝換熱。

2.3.2 光滑豎管和內溝槽豎管冷凝換熱能力比較 由于溝槽管的表面形狀各異，且表面形狀對液膜張力影響很難用數學的方法精確計算，對于溝槽豎管中冷凝換熱系數的計算比較困難，只能用試驗的方法來驗證溝槽對冷凝換熱的增強效果。此處僅以所設計的溝槽管為例，通過合理的條件簡化來定性分析光滑管和溝槽管在豎直布置時的傳熱效果。

此處做如下假設：槽頂部因凝結液膜變薄而增加的換熱系數和槽底部因凝結液膜增厚而減少的換熱系數可以相互抵消[13]；因開設溝槽而對管壁增加的熱阻可以忽略不計；制冷劑物性初始參數相同；管長1 m。

由公式（1）可知，在初始參數相同的條件下兩種管型的換熱系數相同，光滑管內側的換熱面積為

F′=π·di·l=0.065 94 m2

設z為溝槽的斜邊，則溝槽管內側的換熱面積為

F″=（π·di-44×1+z×2×44）·l

=0.127 54 m2

Δ2=■=93.4%

從以上計算可以看出，設計的溝槽管比光滑管的換熱面積增加了93.4%，僅從面積增加考慮，溝槽管換熱能力是相同管徑光滑管的1.934倍，這對傳熱是有利的。

相關試驗表明，槽頂部因凝結液膜變薄而增加的換熱效應遠比槽底因凝結液膜增厚而減少的換熱效應大得多[13]。因此溝槽管的換熱能力要比光滑管強得多。說明所設計的溝槽管具有可行性。

2.3.3 光滑水平管和內溝槽豎管冷凝換熱能力比較 由上文的計算結果可知：光滑豎管對于光滑水平管換熱能力增加量Δ1=55.6%，溝槽豎管對于光滑豎管換熱能力增加量Δ2=93.4%。則溝槽豎管對于光滑水平管的換熱能力增加量

Δ=（1+Δ1）·（1+Δ2）-1=2.01

可見，僅從換熱面積角度衡量，溝槽豎管的冷凝換熱能力是光滑水平管的3.01倍。若計入格列高里戈效應帶來的增強效果，實際冷凝換熱能力要遠高于此值。試驗結果為蒸發式冷凝器整個傳熱過程傳熱系數的提高奠定了基礎。

3 小結

通過對熱阻的分析得到結論：蒸發式冷凝器性能提高的有效手段是控制水膜熱阻和冷凝熱阻，并在此分析基礎上提出了溝槽豎管這一新型換熱元件。

對豎管和水平管兩種形式的數值模擬結果顯示，豎管的水膜分布比水平管更加均勻、更薄，熱阻更小，且實現連續水膜所需噴淋量較小，相對節約了水泵功耗。

在管型相同條件下，豎管布置方式的冷凝換熱系數要比水平管的高。管內徑為0.021 m、管長1 m時，溝槽豎管的冷凝傳熱能力是光滑水平管的3.01倍，對整體換熱能力的提高奠定了良好基礎。

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