大型熱泵降膜式蒸發器中布液器的實驗研究與設計

馬幸子 張斌 張宇 張欣 郭婉君

（臨沂大學土木工程與建筑學院 山東臨沂 276000）

1 概述

降膜式蒸發器是一種高效的換熱裝置，廣泛應用于海水淡化、化工、制藥、乳制品等行業。20世紀90代，降膜式蒸發器開始應用于制冷空調領域并取得了一定的研究成果［1］。降膜式蒸發器是將制冷劑噴淋在蒸發管上，并在管壁表面成膜狀分布，從而使制冷劑在管外蒸發達到與管內工質換熱的目的。典型的水平管降膜式蒸發器原理如圖1所示。經過節流減壓裝置后的制冷劑在入口處進入蒸發器，然后經過布液器底部的小孔或噴淋裝置，均勻地滴落到蒸發換熱管的外表面。冷媒在管道的外表面沿管道周向呈膜狀分布并蒸發吸熱，從而冷卻管內介質。未蒸發的冷媒在重力的作用下繼續滴淋到下層換熱管表面，重復這一蒸發過程。冷媒蒸發所形成的氣態制冷劑從管道的間隙中由下向上流動，最后從蒸發器的出口離開蒸發器進入壓縮機。而剩余的含有冷凍油的液態制冷劑則堆積在蒸發器的底部形成液池［2］。

圖1 降膜式蒸發器工作原理

相比于滿液式蒸發器，降膜式蒸發器的主要優點包括以下幾個方面［1-3］。

（1）傳熱效率更高。滿液式為池沸騰蒸發過程，而降膜式為膜態沸騰，降膜式蒸發器的傳熱系數比滿液式蒸發器更高。另外，滿液式中大量冷媒液體使底部靜液壓較高，飽和蒸發溫度隨之升高，傳熱溫差減小，不利于傳熱過程。

（2）體積更小，便于布置。布液器蒸發管回油系統排氣系統得益于降膜式蒸發器優異的換熱性能，相同換熱量下降膜式蒸發器的體積更小，便于熱泵的靈活布置。

（3）冷媒充注量少，節約成本。降膜式蒸發器內大部分空間充滿氣態冷媒，僅在底部和管外液膜處存在少量液態制冷劑，因而相對于滿液式蒸發器所需的冷媒充注量更少，可以節約熱泵制造成本，同時還可減輕蒸發器重量。

（4）回油性能優異。冷凍油與氣態制冷劑沸點不同，大部分的油和液態制冷劑聚集在換熱器底部，使油的濃度較高，回油效率較高。

以上優點使降膜式蒸發器成為熱泵系統的理想選擇，尤其對于大型熱泵系統，這些優點更加突出。降膜式蒸發器內冷媒的充注量遠小于滿液式蒸發器，如何將制冷劑在各傳熱管道間均勻分配并在管道外周形成穩定換熱的液膜，成為影響蒸發器換熱性能的關鍵因素，而完成這一功能的主要部件是布液器［4-5］。

2 布液器孔口出流實驗研究

性能良好的布液器能使制冷劑液體在各傳熱管道上形成持續穩定的膜態流動［6］。在重力的作用下，未蒸發的制冷劑降落到下層管道上，重復膜態沸騰換熱過程，避免管道表面干斑的形成，防止局部傳熱惡化，保證高的換熱效率。因而，布液器的設計是降膜式蒸發器設計的重要內容［7］。目前，常見的布液器形式有噴淋式布液器和滴淋式布液器。其中，滴淋式布液器依靠重力的作用分配液體，比如重力型孔槽式布液器，其結構較為簡單，易于加工，布液以孔口出流的形式完成，本文即選用該型布液器作為研究對象［8］。其中，孔口出流流量計算公式為：

式中，QV為孔口出流體積流量，單位為m3/s；μ為孔口出流流量系數，經驗值為0.62；A為孔口面積，單位為m2；h為液深，單位為m。

由于制冷劑的物理性質與水相差較大，且容器的壁厚，孔口有無加工倒角等細節因素都有可能對流量系數產生影響，因而，制冷劑孔口出流流量系數的取值有待于實驗研究。為此，進行了多種物性參數液體的小孔出流流量系數的實驗研究。實驗裝置如圖2所示，主要包括開孔容器、量筒、支架、刻度尺、溫度計、密度計、秒表等。

圖2 孔口出流實驗裝置

實驗分別采用水、溴化鋰溶液、R11制冷劑作為液體進行實驗，實驗結果如下。

2.1 有倒角孔口出流實驗結果

對孔口直徑d=2.63mm的有加工倒角的孔口，分別采用水、2℃溴化鋰和22℃溴化鋰作為介質進行實驗，得到了其孔口出流流量及流量系數的對比結果，如圖3和圖4所示。其中，用水、2℃溴化鋰和22℃溴化鋰測得的平均流量系數分別為0.7456、0.7484、0.7604。可以看出，對這3種不同物性參數的流體，在相同實驗條件下，其孔口出流流量及流量系數的變化很小，可以近似認為相等，即孔口出流流量和流量系數與流體的物理性質基本無關。

圖3 d=2.63mm倒角孔流量

圖4 d=2.63mm倒角孔流量系數

2.2 無倒角孔口出流實驗結果

無倒角型容器分為厚壁1.6mm 和薄壁0.5mm 兩種，分別采用水和制冷劑R11作為實驗流體，在孔口直徑d為2.5mm和3mm兩種孔徑下進行了孔口流量系數實驗測試，結果如圖5和圖6所示。

圖5 d=2.5mm無倒角孔流量系數

圖6 d=3mm無倒角孔流量系數

可以看出，當液深大于10 倍孔徑后，流量系數隨著液深的變化基本保持不變。進一步將水和R11制冷劑在同一孔徑不同液深下得到的流量系數取平均值，可得表1。數據表明，壁厚對流量系數幾乎沒有影響，而R11 制冷劑的流量系數略小于水，這是由于R11 沸點僅為23℃，本身有強的揮發性，實驗過程中R11不斷揮發損失導致。最后，把無倒角孔口的實驗結果與上一節有倒角孔口的實驗結果作對比，可以發現，有倒角孔口的流量系數更大一些，說明同樣條件下，孔口倒角可以增大流量。

表1 水和R11制冷劑在無倒角孔口不同孔徑下的流量系數平均值

由以上兩組實驗結果可知，水、溴化鋰溶液、R11制冷劑的孔口出流系數相差較小，表明孔口出流流量系數與物性沒有明顯關系，且壁厚對流量系數也幾乎沒有影響，而加工倒角可以增大流量系數。因此，工程設計中可以不考慮液體物理性質的區別，而加工倒角可以根據實際需要選擇。

3 重力型孔槽式布液器的工作原理與設計

3.1 重力型孔槽式布液器的工作原理

該型布液器由三層結構組成，如圖7所示。液態制冷劑進入蒸發器后，首先引流到第一層布液渠槽內，在重力作用下，制冷劑通過渠道底部的圓孔出流到第二層渠槽內。第二層渠槽底部的小孔比第一層尺寸小但更密集，便于液體均勻流出［9］。需要指出的是，因為第一層和第二層渠槽呈十字交叉結構，且第二層渠槽較長，第二層小孔出流的所有制冷劑均來自第一層的孔口出流，因此，制冷劑在第二層渠槽內的流動除了孔口出流外，還有沿渠槽縱向的流動，該流動類似明渠流動。布液器第三層主要為齒形結構，起到引流的作用。該布液器最終使得制冷劑在齒形結構的引導下均勻滴淋到換熱管外表面，進而形成液膜并蒸發，帶走換熱管內制冷劑的熱量。

圖7 重力型孔槽式布液器結構示意圖

制冷劑在各層渠槽底部的孔口出流可以按照公式（1）計算，流量系數可以直接取為0.62，或者按照上述實驗方法，測得所需工作條件下的流量系數。對于制冷劑沿渠槽縱向的流動，可按明渠流動流量公式進行計算：

式中，Ql為沿渠槽縱向的體積流量，單位為m3/s；C為謝才系數，按照曼寧公式計算，C=R16，n為壁面粗糙系數；A為縱向流動的過流斷面面積，單位為m2；R為過流斷面的水力半徑，單位為m；i為水力坡度，即槽內縱向流動自由液面的坡度。

3.2 重力型孔槽式布液器的設計

在布液器的設計計算中，首先要知道熱泵在額定工況下的制冷劑循環量，即布液量。假設某熱泵采用R134a 作為制冷劑，蒸發溫度37℃，制冷劑循環量為1.08kg/s。為了使管外液膜充足，避免干斑，一般蒸發器內部取一定循環倍率以增加布液量，例如循環倍率取為3，則布液器的實際布液量應為3.24kg/s。

因為布液器第三層直接向蒸發器換熱管外表面分布制冷劑，下面按三、二、一的順序對布液器的三層結構分別進行設計計算。首先，根據R134a 的泰勒不穩定波長，計算布液器第三層鋸齒結構的齒距，使滴淋點間距和波長相吻合。然后，計算第二層渠槽取不同結構參數時對制冷劑流動參數的影響，即計算渠槽在不同槽寬、孔口直徑、孔距時對應的槽內縱向流速、液深等流動參數，并據此選擇最優計算結果；第一層計算方法同第二層［10］。

（1）第三層計算。泰勒不穩定波是指當較重的液體位于較輕的氣體上方時，存在不穩定性，該不穩定的波長稱為泰勒不穩定波，計算方法見公式（3）：

式中，λT為泰勒不穩定波波長，單位為m；n為常數，取值為2；σ為液體表面張力，單位為N/m；ρl為液體密度，單位為kg/m3。經計算，蒸發溫度為37℃時，R134a的泰勒不穩定波長為6.7mm。因此，為了使布液更充足，設計時可將齒距定為6mm。

（2）第二層計算。與明渠不同，渠槽的兩端是封閉的，液體從槽底部的小孔流出，因而，渠槽內液體沿渠槽縱向的流量恰好等于孔口出流的流量。圖8為根據公式（1）、公式（2）得到的第二層渠槽結構設計參數對槽內縱向流速和液深影響的計算結果。

圖8 結構設計參數對液深和縱向流速的影響

在確定設計參數時，一方面，要控制液深數值不能過大，否則會使布液器高度過高，體積過大，進而不利于控制蒸發器體積；另一方面，為了使孔口出流穩定，提高布液精度，應控制渠槽內縱向流速不宜過大，從而減少縱向流動對孔口出流的擾動。因此，布液器具體結構設計參數需根據計算結果綜合考慮確定。

（3）第一層計算。第一層與第二層類似，同樣是底部帶孔口的渠槽結構，因此計算方法與第二層相同，計算過程不再贅述。

根據以上計算方法和結果，綜合考慮布液器尺寸、液深、渠槽縱向流動對孔口出流擾動等多種因素，最終確定該重力型孔槽式布液器設計參數如表2所示。

表2 某重力型孔槽式布液器設計參數

4 結語

降膜式蒸發器在大型熱泵中應用具有傳熱效率高、冷媒充注量少、節約成本、回油性能優異等優點。性能良好的布液器能使制冷劑液體在各傳熱管道上形成持續穩定的膜態流動，對蒸發換熱的性能有重要影響，因此，布液器的設計是降膜式蒸發器設計的重要內容。

根據布液器的設計需要，進行了孔口出流實驗，研究了流體物性、壁厚、孔口加工倒角對流量系數的影響。結果表明，孔口流量系數與流體物性沒有明顯關系，且壁厚對流量系數幾乎沒有影響，而加工倒角可以增大流量系數。因此，工程設計中可以不考慮流體物理性質的區別。在此基礎上，根據重力型孔槽式布液器的布液特點，給出了一種按三層、二層、一層的順序進行的布液器設計計算方法。根據該方法，在給定工況下，進行了某三層結構的重力型孔槽式布液器的設計計算，確定了布液器各層的孔徑、孔距/齒距、液深、槽寬、縱向流速等設計參數。