制冷用水平管降膜蒸發(fā)研究進(jìn)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(fā)器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)的諸多領(lǐng)域，其優(yōu)化設(shè)計和高效應(yīng)用對于節(jié)能和環(huán)保具有重要意義.介紹了水平管降膜蒸發(fā)的基本原理，對水平管外液膜厚度分布、新型強(qiáng)化管換熱性能及布液器結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，回顧了水平管降膜蒸發(fā)的研究成果.布液器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率.在此基礎(chǔ)上提出了一種新型布液器的設(shè)計方案，為降膜蒸發(fā)器的進(jìn)一步研究和設(shè)計提供了參考.

關(guān)鍵詞： 降膜蒸發(fā)； 強(qiáng)化管； 布液器

中圖分類號： TB 657.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)具有傳熱效率高、傳熱溫差小等特點(diǎn)，近年來在制冷、化工、石油冶煉、海水淡化等行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用.早在1888年降膜蒸發(fā)器的專利就已注冊，但直到20世紀(jì)90年代，隨著氟氯烴的逐步淘汰，降膜蒸發(fā)技術(shù)才開始應(yīng)用到制冷系統(tǒng)中[1].降膜蒸發(fā)傳熱機(jī)制復(fù)雜，制冷劑分配不均所造成的表面干涸會導(dǎo)致?lián)Q熱迅速惡化，這些缺點(diǎn)限制了降膜蒸發(fā)器在制冷行業(yè)的廣泛應(yīng)用.但是隨著研究的進(jìn)一步深入，降膜蒸發(fā)器在制冷空調(diào)行業(yè)中將具有廣闊的發(fā)展前景.

本文針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了水平管降膜蒸發(fā)的工作原理、管外液膜厚度分布、新型強(qiáng)化管換熱性能和布液器結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，并提出一種新型布液器的設(shè)計方案.

1 水平管降膜蒸發(fā)的基本原理

降膜蒸發(fā)器由布液器、蒸發(fā)管、回油系統(tǒng)和蒸氣出口組成.制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器后，由布液器將其均勻地分配到蒸發(fā)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(fā)管外側(cè)的制冷劑與內(nèi)側(cè)的流體熱交換后蒸發(fā)，然后經(jīng)由排氣通道排出進(jìn)入壓縮機(jī).降膜蒸發(fā)器原理如圖1所示.

圖1 降膜蒸發(fā)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(fā)器正常運(yùn)行的條件之一是液體沿蒸發(fā)管外均勻分布.供液不足可能會出現(xiàn)干斑現(xiàn)象，使換熱迅速惡化；液膜過厚會導(dǎo)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(shù)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(fā)器管外液體流動的影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單孔流速越大，液膜越厚，并且柱狀流管排數(shù)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(shù)減少.因?yàn)橹鶢盍鞴芘艛?shù)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(xiàn)[6]研究了強(qiáng)化管表面幾何尺寸對液膜厚度的影響，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了對比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：強(qiáng)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(yīng)用雙極電導(dǎo)探針技術(shù)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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??；隨著周向角增大，周向液膜厚度先減小后增大.文獻(xiàn)[8]也得出了同樣的結(jié)論，并且利用數(shù)值模擬的方法得出液膜厚度在周向角為120°附近時達(dá)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(xiàn)局部干涸現(xiàn)象，使換熱迅速惡化.在實(shí)際應(yīng)用中需避免干涸現(xiàn)象的產(chǎn)生.

文獻(xiàn)[9]指出，Nusselt計算式不能準(zhǔn)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(guān)聯(lián)式時應(yīng)考慮管間距和周向角β>90°時動量效應(yīng)的影響.管間距S對液膜厚度的影響可用無量綱參數(shù)S/D表示，β>90°時的動量效應(yīng)可用分段方法表示.通過實(shí)驗(yàn)得出關(guān)聯(lián)式為

液膜厚度分布的影響因素多且復(fù)雜，現(xiàn)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(yōu)劣的直觀體現(xiàn)，對其進(jìn)行更深入的研究，對進(jìn)一步了解降膜蒸發(fā)機(jī)理具有重要意義.

3 新型強(qiáng)化管換熱性能的研究

通過熱阻分析可知，降膜蒸發(fā)的熱阻主要在管外側(cè)，強(qiáng)化表面換熱系數(shù)比光管表面換熱系數(shù)約高10倍[1].強(qiáng)化機(jī)理主要包括增加汽化核心和增強(qiáng)對流換熱.

文獻(xiàn)[10]利用數(shù)值模擬的方法，對比了強(qiáng)化管和光管的換熱性能，強(qiáng)化管分別采用了Turbo-B、Turbo-BⅡ、Turbo-EHP管.模擬結(jié)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(xiàn)[11]研究了三種強(qiáng)化管對降膜蒸發(fā)換熱效果的影響，測試的強(qiáng)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(jīng)優(yōu)化設(shè)計的圓柱狀突起物，內(nèi)壁均光滑；Korodense管為起皺波紋管，故其內(nèi)、外壁均不平整[12].強(qiáng)化管示意圖如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]表明：在實(shí)驗(yàn)所涉及的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，強(qiáng)化換熱效果最好的是Turbo-CAB-26fpi管，其表面降膜換熱系數(shù)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(qiáng)化效果越好；另外，Korodense管換熱效果是三種強(qiáng)

化管中最差的.本文認(rèn)為主要原因是沒有通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)使液膜徑向分布并降低液膜厚度.Turbo-CAB強(qiáng)化管能夠促進(jìn)液體的均勻分布，同時轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)更??；加熱水進(jìn)口溫度的升高會增大Korodense管和光管表面的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)，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(jìn)行了試驗(yàn)，三種強(qiáng)化管降膜蒸發(fā)管外傳熱強(qiáng)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(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化管的降膜蒸發(fā)性能高于池沸騰性能.

Lee等[14]將銅粉均勻地?zé)Y(jié)到光滑銅管上，在管外形成一種微尺寸多孔涂層.通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)驗(yàn)對比得出，多孔涂層管換熱系數(shù)比光管的高2倍.

田華等[15]對三種具有不同強(qiáng)化表面的換熱管進(jìn)行了水平單管管外降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：降膜蒸發(fā)不僅取決于多孔結(jié)構(gòu)密度，而且取決于齒化結(jié)構(gòu)密度；多孔結(jié)構(gòu)影響沸騰換熱，齒化結(jié)構(gòu)影響對流換熱，降膜蒸發(fā)換熱是這兩種因素的綜合表現(xiàn).

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

4 布液器結(jié)構(gòu)對換熱影響的研究

4.1 布液器設(shè)計原則

布液器是對進(jìn)入降膜蒸發(fā)器的制冷劑進(jìn)行均勻分配的裝置，是降膜蒸發(fā)器中的重要組成部分.判斷布液器性能優(yōu)劣，主要看它能否滿足兩點(diǎn)要求：① 能否在降膜蒸發(fā)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(xiàn)干涸；② 能否均勻分布到每根換熱管上[17].系統(tǒng)能否正常、高效運(yùn)行很大程度上取決于布液器的性能，因此布液器的設(shè)計和研究對于提升整個降膜蒸發(fā)系統(tǒng)效率具有至關(guān)重要的作用.

在布液器噴淋管的設(shè)計中，根據(jù)文獻(xiàn)[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(shù)，取值為2.

4.2 布液器結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

國內(nèi)外關(guān)于水平管降膜蒸發(fā)器液體分布裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)研究很少.目前水平管降膜蒸發(fā)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(yàn)中采用在燒結(jié)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，F(xiàn)ujita等[21]在試驗(yàn)中采用了三種不同布液管：燒結(jié)管、普通的底部開孔管、底部開孔布液板.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燒結(jié)管可改變多孔結(jié)構(gòu)，另外兩個可改變孔徑與孔間距使液體分布在蒸發(fā)管上而不引起飛濺.

2001年Hartfield等[22]申請了壓縮機(jī)制冷機(jī)組水平管降膜蒸發(fā)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(huán)，可利用液體的表面張力促進(jìn)液體的均勻分配[23].

2011年He等[24]在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)流管，這樣可使液體均勻分布在蒸發(fā)管上.

姜帆[25]研究了水平單管降膜蒸發(fā)過程，選用了噴淋管式布液器.該實(shí)驗(yàn)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(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該布液器可使液膜在測試管表面均勻分布.

文獻(xiàn)[26]提出了三種不同結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬的方法分別對蒸發(fā)器內(nèi)部流體流動形態(tài)進(jìn)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(shè)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(jīng)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(jìn)行二次分布[27].布液管上的開孔方式采用非均勻開孔.文獻(xiàn)[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(shè)計的液體流量范圍內(nèi)具有均勻性良好、氣流通道大、占空間小、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于支撐、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)[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(shè)計

水平管降膜蒸發(fā)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(huán)泵提供動力給噴射液體；滴淋則不需要循環(huán)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(fā)實(shí)驗(yàn)，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(jīng)過水平分配管分配到布液管中.布液管底部中心的兩側(cè)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(jié)構(gòu)如圖4所示.鋼板起到導(dǎo)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(jīng)驗(yàn)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(xiàn)象的發(fā)生.這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of the trickling device

6 結(jié) 論

水平管降膜蒸發(fā)因其獨(dú)特的換熱機(jī)理，減少了制冷劑的充注量，提高了制冷系統(tǒng)的換熱效率，節(jié)約了運(yùn)行成本，在制冷空調(diào)行業(yè)中具有良好的發(fā)展前景.從降膜蒸發(fā)原理出發(fā)，可看出布液器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，而液膜厚度分布是布液器性能優(yōu)劣的直觀體現(xiàn).本文提出的一種新型布液器的設(shè)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(xiàn)象的發(fā)生.

參考文獻(xiàn)：

[1] RIBATSKI G，JACOBI A M.Fallingfilm evaporation on horizontal tubes—a critical review[J].International Journal of Refrigeration，2005，28（5）：635-653.

[2] NUSSELT W.Die oberflchen kondensation des wasserdampfes[J].Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure，1916，60（3）：569-575.

[3] ROGERS J T.Laminar falling film flow and heat transfer characteristics on horizontal tubes[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1981，59（2）：213-222.

[4] ROGERS J T，GOINDI S S.Experimental laminar falling film heat transfer coefficient on a large diameter horizontal tube[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1989，67（4）：560-568.

[5] 王小飛，何茂剛，張穎.水平管降膜蒸發(fā)器管外液體流動數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2008，29（8）：1347-1350.

[6] MOHAMED A M I.Experimental study of heat transfer and flow characteristics of liquid falling film on a horizontal fluted tube[J].Heat and Mass Transfer，2010，46（8/9）：841-849.

[7] 郭斌，李會雄，郭篤鵬.水平管外降膜流動液膜厚度的測量及分析[J].工程熱物理學(xué)報，2011，32（1）：72-74.

[8] CHEN J B，QIU Q G.Numerical investigation of film distribution in horizontaltube falling film evaporator [J].International Journal of AirConditioning and Refrigeration，2011，19（3）：177-183.

[9] HOU H，BI Q C，MA H，et al.Distribution characteristics of falling film thickness around a horizontal tube[J].Desalination，2012，285：393-398.

[10] YANG L，WANG W.The heat transfer performance of horizontal tube bundles in large falling film evaporators[J].International Journal of Refrigeration，2011，34（1）：303-316.

[11] LI W，WU X Y，LUO Z，et al.Falling water film evaporation on newlydesigned enhanced tube bundles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（13/14）：2990-2997.

[12] 羅忠，吳曉雨，李蔚.強(qiáng)化管表面水降膜蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報，2010，31（11）：1893-1896.

[13] 邱亞林，谷波，羅忠.降膜式蒸發(fā)器用高效傳熱管換熱性能試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（2）：81-83.

[14] LEE S S，KRO G ^ LU B，PARK C.Experimental investigation of capillaryassisted solution wetting and heat transfer using a microscale，porouslayer coating on horizontaltube，fallingfilm heat exchanger[J].International Journal of Refrigeration，2012，35（4）：1176-1187.

[15] 田華，劉忠彥，馬一太.水平強(qiáng)化管外降膜蒸發(fā)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報，2012，33（11）：1924-1928.

[16] 田華，程彬，馬一太，等.制冷空調(diào)系統(tǒng)水平管降膜蒸發(fā)研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（4）：103-110.

[17] 曾憲泰.表面多孔管水平管外降膜蒸發(fā)傳熱性能研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2013.

[18] 范延品.水平管降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[19] 孫會朋.水平管降膜蒸發(fā)器液體分布裝置與蒸發(fā)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[20] FUJITA Y，TSUTSUI M，ZHOU Z Z.Evaporation heat transfer of falling films on horizontal tubepart2，experimental study[J].Heat TransferJapanese Research，1995，24（1）：17-31.

[21] FUJITA Y，TSUTSUI M.Experimental investigation of falling film evaporation on horizontal tubes[J].Heat TransferJapanese Research，1998，27（8）：609-618.

[22] HARTFIELD J P，MOEYKENS S A，LARSON J W.Falling film evaporator having twophase refrigerant distribution system：US，6.167.713[P].2001-01-02.

[23] MOEYKENS S A.Falling film evaporator having an improved twophase distribution system：US，6.830.099[P].2004-12-14.

[24] HE Y Q，BI Q C，ZHANG J C，et al.Experimental study on the heat transfer characteristics of an evaporating falling film on a horizontal plain tube[J].Heat Transfer Engineering，2011，32（11/12）：936-942.

[25] 姜帆.水平強(qiáng)化管外制冷劑降膜蒸發(fā)換熱性能實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海理工大學(xué)，2013.

[26] 張寧，邵雪.水平管降膜蒸發(fā)器中不同形式的布液器對內(nèi)部流場流動影響的數(shù)值模擬[J].節(jié)能，2012（5）：19-24.

[27] 陳海燕.水平管降膜蒸發(fā)器液體分布裝置的實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2001.

[28] 黃衛(wèi)星，陳文梅.工程流體力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[29] 鄭東光.水平管降膜蒸發(fā)器液體分布裝置與液體在管間流動模式的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2008.