制冷用水平管降膜蒸發研究進展及一種新型布液器

包琳琳　歐陽新萍　邱雪松

摘 要： 水平管降膜蒸發器廣泛應用在現代工業的諸多領域，其優化設計和高效應用對于節能和環保具有重要意義.介紹了水平管降膜蒸發的基本原理，對水平管外液膜厚度分布、新型強化管換熱性能及布液器結構的最新研究進展進行了綜述，回顧了水平管降膜蒸發的研究成果.布液器是系統的關鍵部件，其性能優劣在很大程度上影響系統的穩定性和效率.在此基礎上提出了一種新型布液器的設計方案，為降膜蒸發器的進一步研究和設計提供了參考.

關鍵詞： 降膜蒸發； 強化管； 布液器

中圖分類號： TB 657.5 文獻標志碼： 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

水平管降膜蒸發具有傳熱效率高、傳熱溫差小等特點，近年來在制冷、化工、石油冶煉、海水淡化等行業得到了非常廣泛的應用.早在1888年降膜蒸發器的專利就已注冊，但直到20世紀90年代，隨著氟氯烴的逐步淘汰，降膜蒸發技術才開始應用到制冷系統中[1].降膜蒸發傳熱機制復雜，制冷劑分配不均所造成的表面干涸會導致換熱迅速惡化，這些缺點限制了降膜蒸發器在制冷行業的廣泛應用.但是隨著研究的進一步深入，降膜蒸發器在制冷空調行業中將具有廣闊的發展前景.

本文針對國內外研究現狀，介紹了水平管降膜蒸發的工作原理、管外液膜厚度分布、新型強化管換熱性能和布液器結構的最新研究進展，并提出一種新型布液器的設計方案.

1 水平管降膜蒸發的基本原理

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

圖1 降膜蒸發器原理圖

Fig.1 Schematic diagram of the fallingfilm evaporactor

2 水平管外液膜厚度分布的研究

水平管降膜蒸發器正常運行的條件之一是液體沿蒸發管外均勻分布.供液不足可能會出現干斑現象，使換熱迅速惡化；液膜過厚會導致傳熱量不足從而不能充分傳熱.由此可見，對水平管外液膜分布的研究具有重要的意義.

王小飛等[5]利用數值模擬的方法，通過計算不同條件下的液膜厚度研究水平管降膜蒸發器管外液體流動的影響因素，結果發現：單孔流速越大，液膜越厚，并且柱狀流管排數也增多；而隨著管間距增大，液膜厚度普遍呈減小的趨勢，柱狀流管排數減少.因為柱狀流管排數越多，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因素的作用.

文獻[6]研究了強化管表面幾何尺寸對液膜厚度的影響，實驗采用水平槽紋管，分析了槽距對液膜厚度的影響，并和光管進行了對比.實驗結果表明：強化管外液膜厚度比光管小；對于槽紋管來說，槽距越小，液膜越薄.

郭斌等[7]應用雙極電導探針技術對水平管外無傳熱時降膜流動的液膜厚度分布及其變化特性進行了實驗研究，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，液膜厚度減小；隨著周向角增大，周向液膜厚度先減小后增大.文獻[8]也得出了同樣的結論，并且利用數值模擬的方法得出液膜厚度在周向角為120°附近時達到最小值.同時也指出，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，管外就會出現局部干涸現象，使換熱迅速惡化.在實際應用中需避免干涸現象的產生.

文獻[9]指出，Nusselt計算式不能準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聯式時應考慮管間距和周向角β>90°時動量效應的影響.管間距S對液膜厚度的影響可用無量綱參數S/D表示，β>90°時的動量效應可用分段方法表示.通過實驗得出關聯式為

液膜厚度分布的影響因素多且復雜，現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劣的直觀體現，對其進行更深入的研究，對進一步了解降膜蒸發機理具有重要意義.

3 新型強化管換熱性能的研究

通過熱阻分析可知，降膜蒸發的熱阻主要在管外側，強化表面換熱系數比光管表面換熱系數約高10倍[1].強化機理主要包括增加汽化核心和增強對流換熱.

文獻[10]利用數值模擬的方法，對比了強化管和光管的換熱性能，強化管分別采用了Turbo-B、Turbo-BⅡ、Turbo-EHP管.模擬結果表明，在其它條件相同時，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[11]研究了三種強化管對降膜蒸發換熱效果的影響，測試的強化管分別為Turbo-CAB-19fpi、Turbo-CAB-26fpi、Korodense管.Turbo-CAB-19fpi和Turbo-CAB-26fpi管表面分布有經優化設計的圓柱狀突起物，內壁均光滑；Korodense管為起皺波紋管，故其內、外壁均不平整[12].強化管示意圖如圖2所示.

實驗結果[11]表明：在實驗所涉及的雷諾數范圍內，強化換熱效果最好的是Turbo-CAB-26fpi管，其表面降膜換熱系數為光管的3～5倍；Turbo-CAB-19fpi管換熱效果不如Turbo-CAB-26fpi管，這說明此類翅片密度越高，其強化效果越好；另外，Korodense管換熱效果是三種強

化管中最差的.本文認為主要原因是沒有通過優化結構使液膜徑向分布并降低液膜厚度.Turbo-CAB強化管能夠促進液體的均勻分布，同時轉變雷諾數更小；加熱水進口溫度的升高會增大Korodense管和光管表面的轉變雷諾數，但對Turbo-CAB管的影響很小，所以Turbo-CAB管更適用于工況變化大的場合.

邱亞林等[13]分別對低翅管、多孔管1和多孔管2進行了試驗，三種強化管降膜蒸發管外傳熱強化倍率分別為光管的2.97、4.20和5.46倍.同時將各管換熱性能和池沸騰性能進行了對比，發現強化管的降膜蒸發性能高于池沸騰性能.

Lee等[14]將銅粉均勻地燒結到光滑銅管上，在管外形成一種微尺寸多孔涂層.通過實驗研究發現，即使在液體流速很低時，這種多孔涂層管仍能很好地被濕潤.通過實驗對比得出，多孔涂層管換熱系數比光管的高2倍.

田華等[15]對三種具有不同強化表面的換熱管進行了水平單管管外降膜蒸發實驗，結果發現：降膜蒸發不僅取決于多孔結構密度，而且取決于齒化結構密度；多孔結構影響沸騰換熱，齒化結構影響對流換熱，降膜蒸發換熱是這兩種因素的綜合表現.

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

4 布液器結構對換熱影響的研究

4.1 布液器設計原則

布液器是對進入降膜蒸發器的制冷劑進行均勻分配的裝置，是降膜蒸發器中的重要組成部分.判斷布液器性能優劣，主要看它能否滿足兩點要求：① 能否在降膜蒸發換熱管外整個圓周和長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干涸；② 能否均勻分布到每根換熱管上[17].系統能否正常、高效運行很大程度上取決于布液器的性能，因此布液器的設計和研究對于提升整個降膜蒸發系統效率具有至關重要的作用.

在布液器噴淋管的設計中，根據文獻[18]可計算得出噴淋孔間距

λ=2πmσρLg

（7）

式中：σ為表面張力；m為常數，取值為2.

4.2 布液器結構設計的研究

國內外關于水平管降膜蒸發器液體分布裝置的結構設計及相關研究很少.目前水平管降膜蒸發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]在試驗中采用在燒結管頂部開孔的布液方式.這種布液方式得到的傳熱效率比采用在噴淋管底部開孔的布液方式所得到的換熱效率高.之后，Fujita等[21]在試驗中采用了三種不同布液管：燒結管、普通的底部開孔管、底部開孔布液板.實驗結果表明，燒結管可改變多孔結構，另外兩個可改變孔徑與孔間距使液體分布在蒸發管上而不引起飛濺.

2001年Hartfield等[22]申請了壓縮機制冷機組水平管降膜蒸發器專利.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制冷劑減速降壓.另外，在布液器的出口增加鋸齒形圓環，可利用液體的表面張力促進液體的均勻分配[23].

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

姜帆[25]研究了水平單管降膜蒸發過程，選用了噴淋管式布液器.該實驗采用的布液器是一根焊接了21個廣角噴嘴的水平光管.這種噴嘴噴出的制冷劑呈扇形，在測試壓力下噴角為100°.經實驗驗證，該布液器可使液膜在測試管表面均勻分布.

文獻[26]提出了三種不同結構的布液器，分別為單一布液器、雙布液器、中間開孔布液器.利用數值模擬的方法分別對蒸發器內部流體流動形態進行了比較，得出中間開孔布液器可使液體較均勻地分配，更有利于提高換熱性能.

孫會朋[19]設計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，經過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行二次分布[27].布液管上的開孔方式采用非均勻開孔.文獻[28]指出，非均勻開孔比均勻開孔的液體分布器的不均勻性約低35%～50%，因此采用非均勻開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計的液體流量范圍內具有均勻性良好、氣流通道大、占空間小、結構簡單、加工方便、易于支撐、造價低廉等優點[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計

水平管降膜蒸發器制冷劑分配方式主要分為噴淋和滴淋.噴淋通常需要循環泵提供動力給噴射液體；滴淋則不需要循環泵，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].因此對滴淋裝置的深入研究具有重要意義.

本文針對水平單管外降膜蒸發實驗，提出一種新型滴淋裝置.該裝置由垂直的中心管引入，制冷劑經過水平分配管分配到布液管中.布液管底部中心的兩側開有小孔，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，再從鋼板底部的鋸齒形表面滴落到換熱管表面.滴淋裝置結構如圖4所示.鋼板起到導流和二次布液的作用，有利于液體在換熱管外的均勻分布.經驗證，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象的發生.這種結構也可拓展為多根布液管對換熱管束的布液.

圖4 滴淋裝置結構

Fig.4 Structure of the trickling device

6 結 論

水平管降膜蒸發因其獨特的換熱機理，減少了制冷劑的充注量，提高了制冷系統的換熱效率，節約了運行成本，在制冷空調行業中具有良好的發展前景.從降膜蒸發原理出發，可看出布液器是系統的關鍵部件，其性能優劣在很大程度上影響系統的穩定性和效率，而液膜厚度分布是布液器性能優劣的直觀體現.本文提出的一種新型布液器的設計方案，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象的發生.

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