干式殼管式蒸發器內新型分液器的數值模擬

孫文卿 屈靜 鹿世化

（南京師范大學 南京 210016）

干式殼管式蒸發器內新型分液器的數值模擬

孫文卿 屈靜 鹿世化

（南京師范大學 南京 210016）

干式殼管式蒸發器內各管間制冷劑的流量分配不均會帶來蒸發器換熱效果的下降。本文通過CFD商用軟件對干式殼管式蒸發器內流量分配情況進行數值模擬研究，提出了一種新型分液器，用于平衡各管間的流量分配情況。數值模擬與可視化實驗的流場信息對比，驗證了模擬結果的可靠性。搭建了實驗臺，設計并制造了錐形分液器，將分液器安裝于冷水機組上進行了整機性能的多個工況實測實驗，結果表明：加裝分液器后蒸發器進出口壓降由原來的約15 kPa下降到約3 kPa，整機COP提高約5%。

干式蒸發器；流量分配；錐形分液器；制冷系數

蒸發器作為換熱器的主要形式之一，主要有以下幾種形式：滿液式、干式、降膜式、板式和套管式。干式殼管式蒸發器相對于滿液式空調機組的回油問題而言，由于其制冷劑充注量少，系統穩定以及沒有回油問題［1］等優點在空調制冷行業中應用廣泛。基于干式殼管式蒸發器廣泛應用于業內，為了進一步提高蒸發器效率，對其內部流體流動和傳熱特點進行模擬研究，這對于蒸發器的設計、改造、換熱性能的提高、能源損耗的降低、使用壽命的延長而言具有十分重要的意義。

目前，對于干式殼管式蒸發器流體分配不均的研究主要集中在殼側［2－4］的流動研究，幾乎沒有對管側流體分配不均對整體換熱效果影響的研究。蒸發器管內流體流量分配不均的研究，大多針對于微通道換熱器［5－6］、平板換熱器［7］和分配管箱［8－9］，對干式殼管式蒸發器的研究很少。本文探討了干式殼管式蒸發器內部各個蒸發管中流量的分配特性，通過理論分析、數值模擬實驗和可視化實驗等方法來研究干式殼管式蒸發器內各個蒸發管中流體的分液情況，提出新的分液裝置，進而提高空調制冷機組整體的換熱性能。

1 研究對象

1.1 干式殼管式蒸發器的結構

本文研究干式殼管式蒸發器中制冷劑流量的均勻分配，采用FLUENT軟件進行數值計算時，由于計算三維模型對計算機配置要求較高，計算時間長且繁瑣，因此本節把三維模型簡化為二維模型，來探尋分液較好的分液裝置。

表1 蒸發器各項規格數據Tab.1 All the spec data of evaporator

真實的蒸發器往往在兩端管箱內設置隔板，將全部換熱管子均等分成若干份，流體只通過部分管子，并且在管束中往返多次，即多管程。由于本文研究的是蒸發器中蒸發管分液不均勻對蒸發器換熱效率的影響，所以所建立的模型選擇單管程的方式，以便能夠更好的研究分液不均勻對蒸發效率的影響，幾何模型如圖1所示。

圖1 蒸發器模型Fig.1 The model of evaporator

在實際干式殼管式蒸發器中，制冷劑在蒸發器中的流動過程是一個連續的、復雜的、瞬態的多相流流動過程和換熱過程，且進口制冷劑的流動是兩相流流動。模擬采用以下假設：1）流體流動過程和傳熱過程是均一且穩定的；2）流體的密度、黏度、比熱容等物理特性不隨溫度、壓力和時間的變化而變化；3）流體為不可壓縮、各向同性且連續的牛頓流體。

圖2 模型的速度矢量圖和壓力云圖Fig.2 The velocity vector and pressure nephogram of the model

1.2 分液器的設計

通過對蒸發器二維模型進行網格劃分以及計算，并繪制模型中流體的壓力云圖及速度矢量圖來分析分液裝置流量分配的特性，如圖2所示。圖中發現蒸發器中流量的分配不均是由于上、下部都存在渦流區，并且中間部位蒸發管與分流板相連部位都存在壓力大的區域。而且蒸發管中流量的分配情況多為：內部蒸發管的流量多于外部的，下部的蒸發管流量多于上部的，原因在于蒸發器中主入口的位置位于中間部位以及重力的影響。

因此本文建立了6種不同的錐形分液器，如圖3所示。6種錐形分液器模型中分液器兩端與錐形中心連接線的距離h值和分液器的高度a值都為定值：a＝100 mm，h＝30 mm。通過改變h的位置來改善蒸發管中制冷劑的流量分配。

圖3 6種不同錐形分液裝置的模型Fig.3 Six kinds of different model of cone distributor

1.2.1 計算方法與邊界條件

1）建立求解模型，本文采用 CFD軟件中的ICEM對模型劃分結構化網格，并利用FLUENT14.5軟件進行數值模擬，求解選用FLUENT 3D單精度求解器。

2）計算選用標準模型，假設蒸發器中制冷劑為不可壓縮、穩態、湍流流動。干式殼管式蒸發器換熱管［10］模擬涉及流體流動、傳熱和兩相流傳質，選擇兩相流模型為VOF模型。流體流動狀態由雷諾數決定，本研究中流體以湍流形式流動，在FLUENT軟件中設置湍流模型為標準的 k-ε模型和壁面函數為Standard Wall Function。

3）初始設置介質類型為Fluid，選擇water-liquid，并設氣體為第一相，液體為第二相。邊界條件設置為速度入口和壓力出口邊界條件，并考慮在Y軸負方向存在重力加速度，入口定義為全液體進口，液體速度為1.5 m／s。計算的同時開啟能量方程，換熱管壁溫設定為293 K，水的入口溫度設定為353 K，壁厚設定為1 mm，同時考慮到垂直平面方向和沿著壁面平面方向的傳熱，并需要勾選shell conduction選項。

4）求解控制設置，采用非穩態數值計算，為了求解結果收斂的穩定性，各物理量的收斂標準保持默認的一階迎風差分格式，松弛因子也保持默認設置，在Pressure-Velocity Coupling選項組中選擇基于交錯網格的Simple算法，設置殘差監視器和流場初始化后，設置 Time Step Size（s）為0.2，Number of Time Step（s）為200，選擇Time Stepping Method為Fixed，并設置Max Iterations／Time Step為40，單擊Calculate開始迭代計算。

1.2.2 模擬結果分析

為了研究蒸發器中流量分配的不均勻性，采用了數理統計中標準方差S［11］的概念，表示實驗數據的離散程度，把對每個通道內流量的測量看作對均勻分配時通道流量真值的測量，則所有通道內的流量測量值就可以組成一個測量均勻分配時流量真值的子樣，該子樣方差S的大小代表蒸發器截面上的流量分配不均勻度：

由于不勻度S主要是研究多歧管總體分配均勻度［12－13］，不能分析各管具體的分流效果及其與整體分配均勻度的關系，因此引入參數ε作為評判標準：

式中：q總為i根管的總流量；qi為第i根管的流量；ε為分流率。從分流率的值可以得知各管流量占總流量的比率。不均勻度S的值越小以及分流率ε越接近1，則表示流量分配越均勻。模擬結果的數據如表2所示。

表2 各分液裝置的流量分流率及不均勻度STab.2 The distributing rate and unevenness of flow of the each distributor

圖4所示為對應表2中7種模型不均勻度S的散點圖和分流率的折線圖。從散點圖中可以看出（b）、（f）這兩種分液器模型的不均勻度高于原模型，但是其他分液器的不均勻度相差較小。從分流率的折線圖可以看出，與原模型相比，1號管：（c）、（e）分液器模型的分流率有所提高；2號管：（b）、（d）、（f）分液器模型的分流率比原模型高；3號管：（a）、（d）、（f）分液器模型的分流率相較于原模型好；4號管：高于原模型分流率的是（b）、（d）、（f）這三種分液器模型；而在5號管中，由于原模型分液率最低，所以其他分液器模型的分流率都有所改善。

由于原模型2、3、4號管分流率較大和1、5號管分流率較小造成分液不均勻，所以需要縮短2、3、4號管分流率和1、5號管分流率的差距，達到降低整體分液不均勻度的目的。通過上述分析可知，不同結構的分液器模型對于分流效果有一定的影響。在（a）、（c）、（e）這三種分液器的模型中，分液的不均勻度都較小，其中（c）分液器的分液不均勻度最低。

圖4 7種模型不均勻度的散點圖和分流率的折線圖Fig.4 The scatterplot of unevenness and line chart of distributing rate of 7 kinds of model

2 實驗研究

2.1 可視化實驗

可視化實驗是通過采用有機透明玻璃，根據表1中蒸發器結構數據來制作實驗模型，搭建實驗臺以提供與模擬計算相同的設置參數進行實驗研究。可視化實驗的目的：通過可視化實驗結果與模擬結果對比分析，驗證模擬計算的準確性。若實驗結果與模擬結果一致性較高，則可不必把所有計算模型都轉化成實體模型，這樣不僅節約了實驗成本、時間成本，更保證了計算結果的統一性。

2.2 可視化實驗與模擬結果的對比分析

可視化實驗模型選取圖1中的原模型進行實驗，利用 tecplot軟件對三維模型進行計算并進行后處理，通過在不同時刻將模擬軟件做出的圖與實驗過程拍出的圖進行對比，如圖5所示，在1 s、1.4 s、2.4 s時的模擬實驗與可視化實驗保持了高度的一致性，由此可證實模擬實驗結果的可靠性。

由模擬實驗可知，（c）分液器的分液效果最好，為了進一步證實其可靠性，在初始實驗裝置中裝入一個錐形導流器作為改進后的實驗裝置，并對改進前后的實驗裝置進行可視化實驗，來觀察改進后的實驗裝置其分液效果是否較原模型的分液效果更佳。由圖6可知，錐形分液器中流體分別進入各個分液管的時間相差不大，比改進前流體流入某根管子的中間部位時還有分液管沒有流體進入的分液效果好。而且錐形分液器中各根分液管內流體的流量分布均勻，而改進前外圍的一些分液管內的流體流量很少，存在大量的氣泡，甚至有些分液管近似空管。根據兩次實驗對比，可得改進后的錐形分液器的分液效果更好。

圖5 模擬結果與實驗結果的對比Fig.5 Comparison of simulation results with experimental results

圖6 錐形分液器分液效果圖Fig.6 The pictures of distributor performance of cone distributor

2.3 整機性能的實測實驗

為了檢驗錐形分液器的分液效果，進行安裝該分液器前后的整機性能實測研究。實驗在焓差實驗室中進行，采用空氣焓差法，通過對空調的送風參數、回風參數、壓力、功率及風量等參數的測量，來確定空調制冷量、制熱量和能效比。測試裝置包括室內測試環境間、室外測試環境間、空氣處理機組和相應的測量儀器，見圖7。

圖7 測試裝置系統圖Fig.7 The picture of test device system

室內測試環境間和室外測試環境間在實驗機組和空氣再調節機組的作用下，保持在實驗條件規定的范圍內。通過空氣取樣裝置分別測量機組室內機和室外機的送回風口的空氣干球與濕球溫度，獲得取樣截面處的空氣狀態，求出送、回風空氣的焓差。空氣測量裝置在室內測試環境間與機組室內機進風口相連，在室外測試環境間與機組室外機進風口相連，測得通過室內機和室外機的風量。測得的風量和空氣的焓差相乘即可得到機組的制冷量或制熱量。

結果顯示：蒸發器進出口的壓差由原有的15～20 kPa降低為現在的2 kPa，COP由原有的4.1提高到現在的4.37，提高約5%。整機實驗表明，采用錐形分液裝置模型的干式殼管式蒸發器的分液均勻性提高了，從而提高了其換熱效率。

3 結論

本文研究了干式管殼式蒸發器內分液器的分液效果，以水-空氣作為工質，先通過數值模擬研究確立最佳模型幾何參數，再通過可視化實驗進行模型驗證，最后進行整機實驗對新型分液器進行效果測試。研究結論如下：

1）利用數值模擬方法，將原模型與（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）6種不同錐形分液裝置進行模擬計算，得出（c）型裝置分液效果最佳。

2）將原模型和（c）型分液裝置進行可視化實驗，得到了管內流體的可視化信息，驗證了數值模擬結果的準確性。

3）將新型分液裝置應用于蒸發器，進行整機性能測試，結果表明：改進后的蒸發器進出口壓差為2 kPa，COP為4.37，相比采用原蒸發器的機組，整機COP提高了5%。

本文受江蘇省高校自然科學基金（14KJB470007）項目資助。（The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province（No.14KJB470007）.）

［1］劉斌.干式殼管蒸發器的應用和優化設計［J］.制冷與空調（北京），2007，7（2）：40-42.（LIU Bin.Application and design optimization of dry-expansion shell and tube evaporator［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2007，7（2）：40-42.）

［2］Sahoo R K，Roetzel W.Hyperbolic axial dispersion model for heat exchangers［J］.International Journal of Heat＆Mass Transfer，2002，45（6）：1261-1270.

［3］Roetzel W，Ranong C N，Fieg G.New axial dispersion model for heat exchanger design［J］.Heat＆Mass Transfer，2011，47（8）：1009-1017.

［4］Kannan K，Rudramoorthy R.Experimental and numerical analysis of laminar and low turbulent flow distributions in inlet dividing header of shell and tube heat exchanger［J］. Journal of Hydrodynamics，2010，22（4）：494-502.

［5］趙宇，祁照崗，陳江平.微通道平行流蒸發器流程布置研究與分析［J］.制冷學報，2009，30（1）：25-29.（ZHAO Yu，QI Zhaogang，CHEN Jiangping.Flow configuration in micro-channel parallel flow evaporator［J］.Journal of Refrigeration，2009，30（1）：25-29.）

［6］劉巍，朱春玲.分流板開孔面積對微通道平行流蒸發器性能的影響［J］.制冷學報，2014，35（3）：58-64.（LIU Wei，ZHU Chunling.Effects of open area of holes in deflector on performance of micro-channel evaporator with parallel flow［J］.Journal of Refrigeration，2014，35（3）：58-64.）

［7］魯紅亮，陶紅歌，胡云鵬，等.平行流換熱器中熱流體分布均勻性的研究進展［J］.制冷學報，2010，31（6）：39-45.（LU Hongliang，TAO Hongge，HU Yunpeng，et al. State-of-the-art of thermo-fluid uniform distribution in microchannel heat exchanger［J］.Journal of Refrigeration，2010，31（6）：39-45.）

［8］Kim S，Choi E，Cho Y I.The effect of header shapes on the flow distribution in a manifold for electronic packaging applications［J］.International Communications in Heat＆Mass Transfer，1995，22（3）：329-341.

［9］Horiki S，Nakamura T，Osakabe M.Thin flow header to distribute feed water for compact heat exchanger［J］.Experimental Thermal＆ Fluid Science，2004，28（2／3）：201-207.

［10］Rousseau P G，Greyvenstein G P.Enhancing the impact of heat pump water heaters in the South African commercial sector［J］.Energy，2000，25（1）：51-70.

［11］Habib M A，Ben-Mansour R，Said S A M，et al.Evaluation of flow maldistribution in air-cooled heat exchangers［J］.Computers＆Fluids，2009，38（3）：677-690.

［12］Horiki S，Nakamura T，Osakabe M.Thin flow header to distribute feed water for compact heat exchanger［J］.Experimental Thermal＆ Fluid Science，2004，28（2／3）：201-207.

［13］Ngoma G D，Godard F.Flow distribution in an eight level channel system［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25（5／6）：831-849.

Technical Research of New Dispensers in Dry?expansion Shell and
Tube Evaporator

Sun Wenqing Qu Jing Lu Shihua
（Nanjing Normal University，Nanjing，210016，China）

Fluid flow maldistribution in each tube of a dry-expansion shell and tube evaporator can cause inefficient heat exchange.In this paper，a numerical simulation of flow distribution in a dry-expansion shell and tube evaporator is carried out using CFD commercial software.A new type of dispenser is proposed to balance the flow distribution between different tubes.A numerical simulation and visualization experiment are compared to verify the reliability of the simulation results.An experimental platform was set up，and a conical liquid distributor was designed and manufactured.The liquid distributor was installed in a chiller.The performance of the chiller under different conditions was tested.The results show that the inlet and outlet pressure drops in the evaporator decreased from about 15 kPa to about 3 kPa，and the entire COP increased by about 5%.

dry-expansion evaporator；discharge distribution；cone distributor；COP

TB61＋1；TQ051.6＋2；TP391.9

：A

0253－4339（2017）03－0056－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.056

孫文卿，男，碩士，南京師范大學，15996273358，E-mail：1461353063＠qq.com。研究方向：換熱器分液裝置改善研究。

2016年2月25日

About the corresponding author

Sun Wenqing，male，master，Nanjing Normal University， ＋86 15996273358，E-mail：1461353063＠qq.com.Research fields：study on the improvement of the liquid distributor in the heat exchanger.