探索干式管殼式蒸發(fā)器制冷劑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化舉措

周榮輝

南京久鼎制冷空調(diào)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211500

換熱器對(duì)于提升我國(guó)的能源利用率、節(jié)能降耗有著不可忽視的重要作用，干式管殼式蒸發(fā)器是應(yīng)用于空調(diào)中的換熱器，隨著現(xiàn)代空調(diào)業(yè)日趨高效、環(huán)保的節(jié)能趨勢(shì)，管殼式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為關(guān)注焦點(diǎn)和重要課題，要重視干式管殼式蒸發(fā)器中存在的問題。

1 管殼式蒸發(fā)器及制冷劑均勻性研究概述

1.1 管殼式蒸發(fā)器分類

管殼式蒸發(fā)器具體來(lái)說包括以下設(shè)計(jì)：①異形孔整圓形折流板。設(shè)計(jì)梅花形狀、矩形等開口的流板結(jié)構(gòu)，使流體介質(zhì)通暢流經(jīng)折流板，并有效支撐管束。②螺旋折流板。設(shè)計(jì)連續(xù)螺旋折流板和1/4螺旋折流板，使流體處于螺旋流動(dòng)的狀態(tài)，增大湍流強(qiáng)度和換熱效果。③雙弓形折流板。將流體分為兩股平行流，呈波浪式前進(jìn)，體現(xiàn)出較好的綜合換熱效果。④簾式折流片。設(shè)計(jì)折流片以支撐管束結(jié)構(gòu)，使流體呈斜向流動(dòng)的狀態(tài)，增強(qiáng)橫向流的擾動(dòng)能力，提升換熱性能。

空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器通常包括以下幾種：①滿液式蒸發(fā)器。制冷劑流體流經(jīng)殼程，冷卻水流經(jīng)管程，制冷劑液體由蒸發(fā)器筒體底部進(jìn)入，蒸汽則由筒體的上端導(dǎo)出，通過工質(zhì)流體的熱交換方式實(shí)現(xiàn)降溫冷卻。同時(shí)，還設(shè)置有氣液分離器、分液板等裝置，實(shí)現(xiàn)管側(cè)與殼側(cè)工質(zhì)的換熱。②干式蒸發(fā)器。制冷劑液體在傳熱管的內(nèi)部進(jìn)行沸騰換熱，不會(huì)受到液柱對(duì)蒸發(fā)溫度的影響，體現(xiàn)出良好的回油效果。然而存在制冷劑分配不均勻的現(xiàn)象，折流板與殼體間也存在間隙泄露問題。③降膜式蒸發(fā)器。制冷劑在管外蒸發(fā)并與管內(nèi)載冷劑進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。④熱虹吸式蒸發(fā)器。以熱虹吸原理為依據(jù)進(jìn)行熱循環(huán)運(yùn)動(dòng)，利用流體高度和密度差作為熱循環(huán)驅(qū)動(dòng)，提升制冷劑在管程的循環(huán)倍率。

1.2 干式蒸發(fā)器制冷劑均勻性研究現(xiàn)狀

干式管殼式蒸發(fā)器制冷劑分配不均的原因主要包括兩個(gè)方面：①蒸發(fā)器中的氣液兩相制冷劑在重力作用下出現(xiàn)分離現(xiàn)象。②分液器安裝角度存在偏差或傾斜狀態(tài)時(shí)，則使制冷劑密度較大的一相出現(xiàn)偏離和聚集。當(dāng)出現(xiàn)各支管分配制冷劑不均的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)降低過熱區(qū)的換熱系數(shù)，難以充分利用換熱面積，并引發(fā)膨脹閥閥芯的振蕩現(xiàn)象，降低制冷系統(tǒng)運(yùn)行性能。當(dāng)前對(duì)于制冷劑分配均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要提出以下指標(biāo)：方差和標(biāo)準(zhǔn)方差、分流率與均分率，并采用單一性能分析法、綜合性能分析法、熵分析和火用分析法，全面評(píng)價(jià)換熱器的性能[1]。

2 不同蒸發(fā)器入口端制冷劑分配均勻性分析

干式管殼式蒸發(fā)器采用多極分布出入口的特殊結(jié)構(gòu)，流體無(wú)須通過管箱進(jìn)行分配，而是通過入口分布裝置，使各換熱管均勻地流入流體。在多管程的條件下，無(wú)須設(shè)計(jì)分程隔板或U形彎管，簡(jiǎn)化制造工藝和流程。在入口管中設(shè)計(jì)混合強(qiáng)化元件，切割、分散并有效混合氣液兩相或含多組分的流體介質(zhì)，改變流體旋轉(zhuǎn)的方向、流道位置和截面積，并在進(jìn)口管中設(shè)計(jì)靜態(tài)擾流裝置，使流體介質(zhì)獲得徑向速度脈沖，使流體均勻進(jìn)入各個(gè)換熱管。同時(shí)，喇叭放大出口封板設(shè)計(jì)采用單級(jí)分布出入口結(jié)構(gòu)，使換熱管與管板保持可靠性連接[2]。

3 分流板對(duì)制冷劑分配均勻性的影響分析

3.1 分流板模型建構(gòu)

干式管殼式蒸發(fā)器入口裝置設(shè)計(jì)分流板，可以較好地提升制冷劑分配的均勻性，通過構(gòu)建單級(jí)喇叭形無(wú)分流板入口端及添加分流板入口端模型，可使添加分流板入口端的制冷劑分配更加均勻，其分流板上的開孔成為制冷劑的二次入口，實(shí)現(xiàn)制冷劑的二次分流，避免入口分液裝置中的渦流現(xiàn)象，有效提升各管內(nèi)速度流場(chǎng)的均勻性。

3.2 分流板開孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略

可以通過減小分流板中靠近中心部位開孔的方式，縮減中心部位的流道，增大中心部位的阻力，在各個(gè)換熱管中均勻分配制冷劑。具體來(lái)說可以將分流板開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三種：原始等圓開孔結(jié)構(gòu)、十字小孔結(jié)構(gòu)、中心小孔結(jié)構(gòu)，相較而言，原始等圓開孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，十字小孔結(jié)構(gòu)次之，中心小孔結(jié)構(gòu)最小，相應(yīng)的制冷劑分配均勻性由低到高依次為：原始等圓結(jié)構(gòu)－十字小孔結(jié)構(gòu)－中心小孔結(jié)構(gòu)，十字開孔結(jié)構(gòu)相較于等圓結(jié)構(gòu)分流板的制冷劑分配均勻性提升26.45%～35.76%，中心小孔結(jié)構(gòu)相較于十字小孔分流板的制冷劑分配均勻性提升11.54%～12.36%。

4 蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑分配均勻性對(duì)殼程傳熱性能的影響分析

干式管殼式蒸發(fā)器換熱管采用U型管，殼體內(nèi)徑為214mm，蒸發(fā)器長(zhǎng)度為745mm，換熱管直徑為7mm，管間距為10mm，折流板厚度為3mm，螺距為103mm，忽略管板箱與其他部件，并不考慮折流板與筒體、折流板及換熱管束間的間隙，進(jìn)行如下分析。

4.1 制冷劑分配均勻性對(duì)蒸發(fā)器殼程傳熱性能的影響

當(dāng)殼程流量為4.043～12.13kg/s時(shí)，各換熱管制冷劑分配均等條件下的殼程換熱系數(shù)最大，其傳熱系數(shù)由大到小依次為蒸發(fā)器入口端、外凸5mm入口結(jié)構(gòu)、管板入口結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在不同入口結(jié)構(gòu)的條件下，制冷劑分配均勻性由高到低依次為：外凸10mm結(jié)構(gòu)、外凸5mm結(jié)構(gòu)、單級(jí)喇叭形結(jié)構(gòu)、管板結(jié)構(gòu)，由此可見，制冷劑分配到各換熱管的均勻性對(duì)于殼程傳熱性能有直接的關(guān)聯(lián)，當(dāng)制冷劑分配均勻性越高時(shí)，換熱面積越大，殼程傳熱性能越高。反之，當(dāng)制冷劑分配均勻性越低時(shí)，換熱面積越小，殼程傳熱性能越低。

4.2 不同蒸發(fā)器入口結(jié)構(gòu)下的殼程傳熱性能對(duì)比

當(dāng)干式管殼式蒸發(fā)器流量M＝5.93kg/s時(shí)，蒸發(fā)器殼程的傳熱系數(shù)偏差較小，通常在2%以內(nèi)。在以水為介質(zhì)、進(jìn)口溫度為9.5℃的條件下，殼程質(zhì)量流量為5.93kg/s時(shí)，管板、單級(jí)喇叭形、外凸5mm結(jié)構(gòu)、外凸10mm結(jié)構(gòu)入口端下?lián)Q熱管的平均換熱系數(shù)與制冷劑分流率相一致，也即換熱管的傳熱系數(shù)隨著分流率的增大而增大，隨著分流率的減小而減小，由此也顯示出干式管殼式蒸發(fā)器的制冷劑分流率對(duì)殼程換熱性能的影響，當(dāng)各換熱管獲得均勻分配的制冷劑，則能夠增大換熱面積，增強(qiáng)換熱性能；反之，當(dāng)各換熱管無(wú)法獲得均勻分配的制冷劑，則無(wú)法充分利用換熱面積，降低自身的換熱性能。

綜上所述，干式管殼式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了更好地提升干式管殼式蒸發(fā)器制冷劑分配均勻性，可以采用新型多級(jí)分布出入口裝置，對(duì)比新型開孔結(jié)構(gòu)分流板的分配性能，增強(qiáng)換熱器的換熱性能。未來(lái)還要關(guān)注分流板位置對(duì)制冷劑分配均勻性的影響，并加強(qiáng)不同結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和對(duì)比分析。