再循環(huán)系統(tǒng)中水平管式降膜蒸發(fā)器的性能研究

馬慧齊，李應(yīng)林，林柳

（南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210042）

0 引言

降膜蒸發(fā)器的換熱機(jī)理非常復(fù)雜，因?yàn)槿狈?jīng)驗(yàn)，目前還不清楚其是否可以普遍應(yīng)用于水平管式降膜蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)原理。因此通過研究采用制冷劑引射再循環(huán)結(jié)構(gòu)的降膜蒸發(fā)器性能，為其設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論指導(dǎo)[1-3]。

降膜蒸發(fā)器的制冷循環(huán)系統(tǒng)中，將來自儲(chǔ)液器的飽和制冷劑液體再循環(huán)至蒸發(fā)器中降膜，通常的做法是運(yùn)用機(jī)械泵作為液體循環(huán)結(jié)構(gòu)部件，最早由GIULIANI 等[4]提出。BESAGI 等[5]和CHEN 等[6]提出在制冷劑液體再循環(huán)系統(tǒng)中可以運(yùn)用引射器代替泵。引射器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、避免部件的移動(dòng)。

近年來，引射器及其應(yīng)用在制冷循環(huán)中得到了廣泛的研究。然而，對(duì)使用引射器實(shí)現(xiàn)制冷劑液體再循環(huán)的研究相當(dāng)有限。

RADCHENKO[7]研究了一種運(yùn)用R22 作制冷劑的制冷循環(huán)系統(tǒng)，采用引射器對(duì)8 個(gè)冷凍站的板式冷凍箱進(jìn)行進(jìn)料。DOPAZO 等[8]通過對(duì)采用引射器再循環(huán)液氨的板式蒸發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液-液型引射器的引射率在2.1～2.67，蒸發(fā)量在9.48 kW～18.37 kW。LI 等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了引射器再循環(huán)系統(tǒng)在R134a 作制冷劑的水平管式降膜蒸發(fā)器中的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳再循環(huán)系數(shù)為1.3 的條件下，蒸發(fā)量和能效比COP分別提高了4.8%和2.4%。MINETTO[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了引射器再循環(huán)系統(tǒng)在CO2作制冷劑的圓管板翅式蒸發(fā)器中的影響，實(shí)驗(yàn)證明能效比COP提高了13%。LAWRENCE 等[11]在采用微通道蒸發(fā)器和R410A 作制冷劑的實(shí)驗(yàn)中，將運(yùn)用引射器的再循環(huán)系統(tǒng)，分別與標(biāo)準(zhǔn)的兩相引射循環(huán)系統(tǒng)以及無引射器的基礎(chǔ)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)比分析。在水平管式降膜蒸發(fā)器中，引射器的再循環(huán)系統(tǒng)可以幫助增加制冷劑噴淋流量，因此在水平管式降膜蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)中經(jīng)常可以見到。由于制冷劑液體受重力作用自上而下流動(dòng)，蒸發(fā)過程中液態(tài)制冷劑逐漸減少從而導(dǎo)致蒸發(fā)器下部液體流速的降低，使得水平管式降膜蒸發(fā)器的底部管束可能出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象[12]。LORENZ 等[13]提出了臨界雷諾數(shù)為300，低于臨界值時(shí)管束的降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)低于單管的降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)。此外，當(dāng)雷諾數(shù)足夠小時(shí)，底部管束相比于上層管束更易出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象。RIBATSKI 等[14]運(yùn)用光滑管束以及ROQUES 等[15]運(yùn)用強(qiáng)化換熱管束均觀察到出現(xiàn)“干斑”現(xiàn)象的區(qū)域只存在自然對(duì)流換熱，從而使得管束的換熱系數(shù)突然下降。

迄今為止，對(duì)采用制冷劑引射再循環(huán)系統(tǒng)降膜蒸發(fā)器的性能研究還很少。因此，本文的研究目的是通過理論模型分析引射器再循環(huán)系數(shù)對(duì)降膜蒸發(fā)器性能的影響，為此類降膜蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù)。

本文的概述如下：首先通過建立降膜蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，編制相關(guān)仿真軟件，然后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出結(jié)論。

1 建立數(shù)學(xué)模型

1.1 工作原理

當(dāng)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，來自冷凝器出口的高壓液態(tài)制冷劑流入高壓儲(chǔ)液器中，從高壓儲(chǔ)液器的出口流出，進(jìn)入引射器的高壓入口，和引射器通過高壓液體抽取來自降膜蒸發(fā)器底端儲(chǔ)液包收集的低壓液體制冷劑混合，由引射器的混合出口流出通過蒸發(fā)器的制冷劑入口進(jìn)入一級(jí)布液器完成制冷劑分配，即為采用制冷劑引射再循環(huán)系統(tǒng)的水平管式降膜蒸發(fā)器，如圖1所示。

圖1 一級(jí)再循環(huán)降膜蒸發(fā)器示意圖

1.2 管束單元模型

本文數(shù)學(xué)模擬是建立在如下假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

1）此水平管式降膜蒸發(fā)器是與外界絕熱的；

3）為方便計(jì)算假設(shè)此降膜蒸發(fā)過程為穩(wěn)態(tài)；

4）布液器布液均勻；

5）忽略氣態(tài)制冷劑的剪力作用。

采用有限差分法處理建立的降膜蒸發(fā)器模型，將換熱管沿管排水平方向，依據(jù)每排最多的布管數(shù)將管束分為Nj列，沿管排垂直方向，將殼體內(nèi)管束分為NP個(gè)管程，將換熱管沿冷凍水管內(nèi)流動(dòng)方向等分為Ni 部分。圖2中j、p分別代表管排水平方向和管程數(shù)量的單元序號(hào)。圖3中i代表單根管子沿冷凍水管內(nèi)流動(dòng)方向的單元序號(hào)。圖4表示蒸發(fā)器管束中任意一根管子的單元模型。

圖2 管束中的管程和管列示意圖

圖3 單根換熱管沿流向的單元布局圖

圖4 管束中任意管子的單元模型布局圖

1.3 換熱計(jì)算方法

根據(jù)能量守恒定律，水平管換熱單元的熱流密度為：

式中：

qo——單元熱流密度，W/m2；

Ao——單元長(zhǎng)度管子的外表面面積，m2；

dx——沿冷凍水流動(dòng)方向的單元體長(zhǎng)度，m；

mcw——冷凍水的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp,cw——冷凍水的定壓比熱，kJ/(kg·K)；

tu,cwi和tu,cwo——單元體的冷凍水進(jìn)口和出口溫度，℃。

2 再循環(huán)對(duì)降膜蒸發(fā)器換熱性能的影響

圖5所示為在不同再循環(huán)系數(shù)下制冷劑的蒸發(fā)量和綜合平均降膜因子的變化情況。

圖5 不同再循環(huán)系數(shù)下的制冷劑蒸發(fā)量和綜合平均降膜 因子的變化情況

由圖5可以觀察到，綜合平均降膜因子?隨著再循環(huán)系數(shù)Rl的增加而單調(diào)增加，當(dāng)?剛達(dá)到1時(shí)，Rl=1.5。即，若試圖完全消除強(qiáng)化換熱管束表面存在的“干斑”現(xiàn)象，則再循環(huán)系數(shù)Rl的數(shù)值需大于1.5。

然而，從圖5我們也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再循環(huán)系數(shù)Rl＜1.2 時(shí)，制冷劑蒸發(fā)量隨著Rl的增加而迅速升高；當(dāng)再循環(huán)系數(shù)Rl＞1.2 時(shí)，制冷劑蒸發(fā)量隨著Rl的增加而緩慢升高。這表明合適的再循環(huán)系數(shù)Rl約為1.2，對(duì)應(yīng)的綜合平均降膜因子約為0.78。

圖6所示為在不同再循環(huán)流量下制冷劑的蒸發(fā)量和再循環(huán)系數(shù)的變化情況。

圖6 不同再循環(huán)流量下的制冷劑蒸發(fā)量和再循環(huán)系數(shù)的 變化情況

由圖6可見，隨著制冷劑液體再循環(huán)流量的增加，制冷劑液體的再循環(huán)系數(shù)急速增大；與此同時(shí)，當(dāng)再循環(huán)流量為0.67kg/s～1.0kg/s 范圍內(nèi)制冷劑蒸發(fā)量首先急劇上升，然后在1.0kg/s～1.3kg/s 范圍內(nèi)制冷劑蒸發(fā)量緩步上升。這意味著對(duì)于給定換熱管束的降膜蒸發(fā)器應(yīng)該具有合適的制冷劑液體再循環(huán)流量值，使得降膜蒸發(fā)器換熱性能更高且避免制冷劑的過量浪費(fèi)。

圖7所示為188 根強(qiáng)化換熱管組成的一級(jí)再循環(huán)水平管式降膜蒸發(fā)器，不同再循環(huán)流量下實(shí)際制冷量和冷凍水出口溫度的變化情況。

由圖7可以看出在(0.67～1.30)kg/s 范圍內(nèi)液體再循環(huán)流量的增加導(dǎo)致了冷卻水出口溫度的輕微下降，而且隨著制冷劑液體再循環(huán)流量的增加，蒸發(fā)器的制冷量先急劇增大，然后緩慢上升。這說明制冷劑液體流量的過量供給對(duì)于進(jìn)一步提高降膜蒸發(fā)器制冷量是無效的，這是因?yàn)閾Q熱管外壁面產(chǎn)生的“干斑”，隨著制冷劑液體再循環(huán)流量的增加而逐漸減少。

圖7 不同再循環(huán)流量下實(shí)際制冷量和冷凍水出口溫度的 變化情況

3 結(jié)論

1）如果想要完全消除強(qiáng)化換熱管束表面存在的“干斑”現(xiàn)象，則再循環(huán)系數(shù)的數(shù)值需大于1.5；

2）降膜蒸發(fā)器的最佳再循環(huán)系數(shù)約為1.2，對(duì)應(yīng)的綜合平均降膜因子約為0.78；

3）對(duì)于給定換熱管束的降膜蒸發(fā)器應(yīng)該具有合適的制冷劑液體再循環(huán)流量值，使得降膜蒸發(fā)器換熱性能更高且避免制冷劑的過量浪費(fèi)。