（制冷及低温工程专业论文）蒸发式冷凝器的强化传热分析及程序化设计.pdf

摘要 摘要 蒸发式冷凝器是一种高效的换热设备，其综合性能优于其他型式的冷凝器。 对蒸发式冷凝器进行传热机理研究和结构优化可以节约能源和水资源，对我国 经济发展具有重要意义。 本文主要理论分析、数值模拟和程序开发方法，从以下几个方面研究了蒸 发式冷凝器的新型强化传热结构、强化传热机理和程序化设计方法： ( 1 ) 对蒸发式冷凝器工作过程的分析表明，在蒸发式冷凝器中，热量从管内 的制冷剂传递到管外空气的过程不仅包括对流传热，还包括对流传质。传热和 传质相互耦合，这就导致了蒸发式冷凝器工作过程非常复杂。 ( 2 ) 通过对蒸发式冷凝器的热阻的分析可以知道，蒸发式冷凝器中最易改变 的两个热阻是管外水膜热阻和管内冷凝热阻，对蒸发式冷凝器进行强化传热的 主要方法是控制和减小这两个热阻。理论分析结果表明，采用竖管型式不仅可 以减小冷凝热阻，而且可以使管外水膜分布更均匀，减小了水膜热阻。通过数 值模拟的方法对竖管和水平管两种型式管外水膜分布情况进行比较，得到的结 论和理论分析结果一致。 ( 3 ) 建立竖管蒸发式冷凝器的模型，采用数值计算的方法对不同风速和喷淋 量条件下的水膜分布和传热情况进行了分析比较，得到如下一些结论：相同风 速条件下气液逆流时的水膜要比气液顺流时的水膜厚；气液逆流时，风速在1 - - - 3 m s 时，水膜厚度变化不大，风速继续增大时，水膜明显变厚，更加不稳定；气 液顺流时，风速在1 7 5m s 时，水膜厚度变化不大，风速继续增大，水膜将会 出现破裂；喷淋量一定时，无论逆流或是顺流，风速的增大都会引起系统压降 的增加和传热能力的增强；在风速一定时，喷淋量的增加都会导致水膜热阻的 增大，降低传热能力；比较两种流动形式，顺流形式的性能要优于逆流时性能。 ( 4 ) 在管内开设沟槽可以减小冷凝热阻，制冷剂为氨时，文中设计开发的沟 槽圆管冷凝换热量可比光滑竖管提高9 0 以上。竖管的高度为l m 时的冷凝换热 系数要比相同条件下的水平管换热系数高5 0 以上。 ( 5 ) 采用v i s u a lb a s i c 对曲线相交法进行编程，得到一个便捷的计算程序， 使蒸发式冷凝器的设计计算更为简单、快捷；并通过对现有方法的改进，提出 摘要 了改进型温降法。 关键词：蒸发式冷凝器；沟槽竖管；强化传热；改进型温降法；程序化设计 n a b s t r a c t a b s t r a c t e v a p o r a t i v e c o n d e n s e ri sah e a te x c h a n g e rw h i c hh a sah i 曲e f f i c i e n c y i t s c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt oo t h e rt y p e so fc o n d e n s e r s t h er e s e a r c ho n t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e ra n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nc a l l s a v ee n e r g ya n dw a t e r ，w h i c hi si m p o r t a n tt oo u re c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri sm a i n l yat h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p r o c e d u r ed e v e l o p m e n t t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r o c e s so fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , w ek n o w t h a tt h ep r o c e s so fh e a tf r o mr e f i i g e r a n ti n s i d et u b et oa i ro u t s i d et u b ei n t h e e v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri n c l u d e sn o to n l yc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rb u ta l s oc o n v e c t i v e m a s st r a n s f e r c o u p l e dh e a ta n dm a s st r a n s f e r , t h ew o r k i n gp r o c e s so fe v a p o r a t i v e c o n d e n s e ri sv e r yc o m p l i c a t e d ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e r m a lr e s i s t a n c eo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , w ec a nk n o w t 1 1 a tt h e r m a lr e s i s t a n c eo fw a t e rf i l mi n s i d et u b ea n dc o n d e n s a t i o nr e s i s t a n c eo u t s i d e t u b ea r et h em o s te a s i l yt ob ec h a n g e di ne v a p o r a t i v ec o n d e n s e r c o n t r o l l i n go r r e d u c i n gb o t hr e s i s t a n c e s i sam a i nm e t h o do fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt o e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a ti ft h ev e r t i c a lt u b ei su s e d ， i tn o to n l yr e d u c e sc o n d e n s a t i o nr e s i s t a n c e ，b u ta l s oc a nm a k et h ew a t e rf i l mo u t s i d e t u b em o r eu n i f o r m , w h i c hc a nr e d u c et h ew a t e rf i l mr e s i s t a n c e c o m p a r e dt h ew a t e r f i l md i s t r i b u t i o no fv e r t i c a lt u b ea n dh o r i z o n t a lt u b eb ym e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , w ec a l lg e tt h es a n l ec o n c l u s i o nb yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ( 3 ) e s t a b l i s h i n gm o d e lo f v e r t i c a lt u b ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e ra n du s i n gt h en u m e r i c a l m e t h o d st oa n a l y z et h es i t u a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dw a t e rf i l md i s t r i b u t i o nu n d e r d i f f e r e n tw i n ds p e e da n ds p r a yd e n s i t yc o n d i t i o n s ，w ec a ng e ts o m ec o n c l u s i o n s ： u n d e rt h es a m ew i n ds p e e d , t h ew a t e rf i l mo fw a t e r - a i rc o u n t e r c u r r e n tw i l lb et h i c k e r t h a nt h a to fw a t e r - a i rd o w n s t r e a m w h e nw a t e r - a i rc o u n t e r c u r r e n t ，t h et h i c ko fw a t e r f i l mh a sl i t t l ec h a n g ew i t hw i n ds p e e di n1 - 3m s f o l l o w sw i n ds p e e di n c r e a s e s ，t h e w a t e rf i l mi so b v i o u s l yt h i c k e ra n dm o r eu n s t a b l e w h e nw a t e r - a i rd o w n s t r e a m ，t h e t h i c ko fw a t e rf i l mh a sl i t t l ec h a n g e 、i t l lw i n ds p e e di n1 - 7 5 m s f o l l o w sw i n d 1 i i a b s t r a c t 一 一_ - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - l _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - l _ _ - l s p e e di n c r e a s e s ，t h ew a t e rf i l m 、7 v i u b er u p t u r e d r e g a r d l e s so fc o u n t e r c u r r e n to r d o w n s t r e a m ，t h ew i n ds p e e di n c r e a s e sw i l ll e a dt oi n c r e a s e ds y s t e mp r e s s u r ed r o pa n d e n h a n c e dh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yu n d e rt h es a m es p r a yd e n s i t y u n d e rt h es a m ew i n d s p e e d , t h ei n c r e a s eo fs p r a yd e n s i t yw i l ll e a dt ot h ei n c r e a s eo f w a t e rf i l mr e s i s t a n c e a n dt h er e d u c eo fh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t y c o m p a r e dt oc o u n t e r c u r r e n t ，d o w n s t r e a m h a sb e t t e rp e r f o r m a n c e ( 4 ) c o n d e n s a t i o nr e s i s t a n c ec a l lb er e d u c e db yt h eg r o o v e sa r r a n g e di nt h ei n s i d et u b e w h e nt h er e f r i g e r a n ti sa m m o n i a , c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h e g r o o v et u b ed e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e ri si n c r e a s e db y9 0 o rm o r et h a n s m o o t ht u b e w h e nt h eh e i g h to ft h ev e r t i c a lt u b ei slm ，i t sc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti si n c r e a s e db y5 0 o rm o r et h a nh o r i z o n t a l t u b eu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ( 5 ) ac o n v e n i e n tc o m p u t e rp r o g r a mc a nb eg o tt h r o u g hp r o g r a m m i n g0 nt h ec u r v e s i n t e r s e c tm e t h o db yv i s u a lb a s i c ，w h i c hm a k e st h ed e s i g nc a l c u l a t i o no fe v a p o r a t i v e c o n d e n s e rb e c o m es i m p l e ra n df a s t e r b a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fe x i s t i n gm e t h o d s ， i m p r o v e dt e m p e r a t u r ed r o pm e t h o d w i l lb eg i v e ni nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ；g r o o v e v e r t i c a lt u b e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ； i m p r o v e dt e m p e r a t u r ed r o pm e t h o d ；p r o g r a m m i n gd e s i g n i v l 绪论 1绪论 1 1选题的目的和意义 我国自“十一五 以来，以节能减排为目标的“建设资源节约型、环境友 好型社会 的各项科技工作正在深入开展，以替代大型建筑物上的水塔为目标 的节能节水设备，正由研究阶段进入产业化、模块化生产阶段。蒸发式冷凝器 作为一种高效节能节水的新型换热设备，正以其优良特性在这样的大背景下普 遍推广开来。它的普及，适应了社会发展的需要，对国家“十一五 节能减排 目标的实现具有重要意义。 常见的冷凝器按冷却方式可分为三类：蒸发式冷凝器、风冷式冷凝器及水 冷式冷凝器。蒸发式冷凝器同其他形式的冷凝器相比较，具有节能节水的显著 优势，其耗水量仅为水冷式的5 0 o - - 1 0 ，若用于空调系统，节能达可到1 1 0 0 7 0 。 作为人类生命之源的水资源是有限的，由于气候的恶化，水资源呈现出匮 乏现象，且分布极为不均，干燥地区缺水问题变得尤为严重。随着国民经济的 发展，我国的能源形势显得越来越紧张，拉闸限电的情形时有发生，有人把节 能称为水、煤、石油、天然气之外的“第五能源 。对能源的开发、利用和节约 的要求在不断提高。 在我国广大的干旱地区，受到水资源的限制，不适宜采用水冷式冷凝器， 风冷式冷凝器的耗电量又太高，不符合我国节能减排的发展方针。冷凝器作为 制冷系统必不可少的部件，暂时还不能被其他设备所取代。因此具有节能节水 优势的蒸发式冷凝器的推广应用变得十分必要。 由于我国对蒸发式冷凝器的研究起步较晚，国内蒸发式冷凝器的开发、制 造水平远远低于发达国家，其效率仍有待提高。对具有节水节能、结构紧凑和 占地面积小等优点的蒸发式冷凝器进行深入的理论研究和结构优化，提高传热 效率，更大可能的去挖掘其节能节水潜能已刻不容缓。蒸发式冷凝器的产品开 发和进一步应用，对我国经济和社会的发展也将起到重要的推动作用。 1 2 蒸发式冷凝器概述 1 2 1蒸发式冷凝器工作原理 l绪论 蒸发式冷凝器的工作原理是利用水的汽化潜热带走热量来实现制冷剂的冷 凝。这与风冷式冷凝器及水冷式冷凝器利用显热方式来吸收制冷剂的热量的原 理不同。风冷式冷凝器虽可以节约水资源，但需消耗更多的电能。水冷式冷凝 器节约风机耗电量，但对水能的消耗在三类冷凝器中是最大的。 蒸发式冷凝器具有传热效率高、节能节水等优点，在美国、加拿大等发达 国家已经得到了广泛的应用。相关文献曾对美国和加拿大的6 2 家冷库的制冷装 置进行了统计调查，结果显示：蒸发式冷凝器的应用占了8 1 ，远远超过了其 他冷凝器所占的份额的总和【i 】。 图1 1美国、加拿大6 2 家冷库用冷凝器形式 蒸发式冷凝器主要由换热元件、水循环系统及配风系统三部分组成，其常 见的结构如图1 2 所示。工作过程是：集水槽中的冷却水用水泵送至喷水管，经 喷嘴喷淋在冷凝管的外表面上，形成一层水膜。同时通过风机将风鼓入蒸发式 冷凝器，使空气流过换热盘管，水膜中部分水吸热后蒸发为水蒸气被空气带走， 未蒸发的水仍落回集水槽。在箱体上方有挡水板，用来阻挡空气中的水滴以减 少水的飞散损失。集水槽中的水由于水的蒸发而不断减少，同时水中的含盐浓 度也不断增加，故需要经常补充冷却水。制冷剂从换热盘管上端进口进入盘管 自上而下流动，在流动过程中被管外的水膜冷凝，冷凝液由下部出口流出，进 入储液器【3 圳。同风冷式冷凝器及水冷式冷凝器相比较，蒸发式冷凝器具有很多 优点【5 】： ( 1 ) 节水。在水冷式冷凝器中，l k g 冷却水能带走1 6 2 5 k j 热量，而l k g 水 在常温常压下蒸发能带走的热量约2 4 2 8 k j ，因此蒸发式冷凝器的耗水量理论上 仅为水冷式冷凝器的l 。加上排污换水及吹散损失等，实际耗水量为水冷式冷 凝器的5 1 0 。 零一一 鬻。，一一熬攀 l 绪论 ( 2 ) 节能。蒸发式冷凝器与空冷式冷凝器比较，压缩机节能可达到3 0 以上。 风机动力消耗仅为空冷式冷凝器的1 3 。 ( 3 ) 设备的安装与维护方便，占地面积小，运行费用相对较低。 由此可见，蒸发式冷凝器有着广泛的应用前景和较好的经济价值。 空 气 进 口 图1 2 蒸发式冷凝器结构示意图 1 2 2 蒸发式冷凝器的分类 蒸发式冷凝器可按照不同的方式进行分类。根据送风方式的不同，可风为 吸风式和鼓风式。如图1 3 和图1 4 。 吸风型式的蒸发式冷凝器能够在箱体内形成一定的负压，更有利于水膜的 蒸发，促进传质过程的进行。一般来说效果比鼓风式要好，是目前应用较为广 泛的一种型式。其主要问题是风机的腐蚀问题，当湿空气流过风机时，会对电 机及其它零部件产生一定的影响。鼓风型式的蒸发式冷凝器则不存在这个问题。 根据换热元件型式的不同，可将蒸发式冷凝器分为管式蒸发式冷凝器和板 式蒸发式冷凝器。 最为常见的型式就是管式蒸发式冷凝器。其换热元件是由蛇形盘管簇组成， 盘管的管型目前已有多种型式，研究较多的是：椭圆管【6 1 、螺纹管吲及交曲面波 纹管捧j ，如图1 5 一图1 7 所示。 l 绪论 制冷荆进口 御冷剂也口 朴水 图1 3吸风型式蒸发式冷凝器图1 4 鼓风型式蒸发式冷凝器 d l ：为! d61 ：e b ie ：ee 。 e ：8 ；66 ；e ，一1 h i r 1 翻 蛾五；熊； 图1 5 椭圆管截面图1 6 螺纹管图1 7交曲面波纹管 板式蒸发式冷凝器是由传统的管式冷凝器改良得到的，如图1 8 所示。板式 蒸发式冷凝器中，因其水膜可以顺着壁面较均匀的分布，在现在的蒸发式冷凝 器研究过程中，己显现出“以板代管”的趋势。 根据蒸发式冷凝器的换热元件和其他换热单元结合的方式，又可把其分为 填料蒸发式冷凝器和鼓泡蒸发式冷凝器。 填料蒸发式冷凝器系统中，水经过换热盘管后落入热交换填料层中进行二 次换热，更多热量被空气带走，循环水温比不带二次换热的蒸发式冷凝器要低 6 8 。鼓泡蒸发式冷凝器的基本原理是将鼓泡装置用于集水槽中的浅层水，通 过旁通风道带走循环水的一部分热量，降低循环水水温，改善工作条件，提高 效率。 l 绪论 喷嘴 板 风 填 水 一 ，j 巍舄_ 基撩一 巨 ： ； ! 喜 ； il ii ： ii i li lj j ii li ll 名 i ， li i ： i t ti tti ! 上 it ? 工 l l ，l j 妻 彳 匿 三l 主二 弓 莹 i 岁 己 ； 譬 舌 王 。 i ： ； 寒 鬯 一垦 一 ! 邕 i1 ； o ) ，因此在风速w 增大时，对流传热可以增强，对流 传质过程也得到相应的增强。 2 熊发式冷凝 ：* 0 传热传质分午j r 在冷凝器设计中，一般要求制冷剂的冷凝温度在3 5 4 0 c 。这就决定了对流 传热温差不会太大，如果是在夏季，空气温度较高，对流传热温差甚至可能为 零，空冷式冷凝器等靠对流传热传递热量的换热器将无法正常工作，蒸发式冷 凝器中，不仅有对流传热过程，而且存在着对流传质过程。从上述公式可知， 对流传质过程不受温度影响，且传热能力较强。 2 2 2 蒸发式冷凝器中湿空气状态参数变化分析 图2 2 为蒸发式冷凝器中湿空气在焓湿图中的过程线。如图2 2 所示，1 点 是蒸发式冷凝器进口空气的初始状态点，m 点是蒸发式冷凝器中空气的平均状 态点，2 点是空气流出蒸发式冷凝器时的状态点，w 点是水膜表面饱和湿空气的 状态点。在蒸发式冷凝器工作时，空气以状态点1 进入蒸发式冷凝器，沿着过 程线1 - w 由1 点进行到2 点。 图2 2 湿空气状态变化过程线 从图中可以看出，空气的工作过程1 - 2 是一个加热加湿过程，该过程中，空 气湿度增大，焓值也增加。 由平均焓差计算公式： = 阢一= i n 垒h l 二, - 鱼至h i ( 2 7 ) 礼一吃 在出口状态点2 一定的条件下，若降低进口状态点1 的湿球温度，则可获 得更大的焓差，即增大了传质的推动力，增强了换热，利于蒸发式冷凝器的性 能优化。相关文献指出，当湿球温度从1 6 c 提高到2 8 c 时，制冷量和能效比可 2 蒸发式冷凝 ；的传热传质分析 分别降低7 1 和2 2 5 t 2 9 1 。数据表明，进口空气参数对机组的性能有着很大影 响。因此，蒸发式冷凝器更适用于我国北方干旱地区。 2 2 3 蒸发式冷凝器中传热过程热阻分析 蒸发式冷凝器管内为制冷剂，管外为流动的水膜和空气，在水膜和空气的 界面处除了传热还存在着传质过程，这就决定了对蒸发式冷凝器传热过程分析 的复杂性。 若不考虑管外的污垢热阻及管内的油垢热阻，蒸发式冷凝器中制冷剂膜状 凝结时总热阻由管内冷凝液膜热阻、管壁热阻、水膜热阻及水膜和空气交界面 上的界面热阻所构成，如图2 3 所示。 槭 f 量 一 图2 3 蒸发式冷凝器热阻示意图 大量研究表明，管外的水膜热阻及汽液界面处的界面热阻为蒸发式冷凝器 工作过程的控制热阻。水膜的分布状况及界面混合物组分的更新速率对整个热 质传递过程起着决定作用【l 。 图2 4 和图2 5 是通过实验手段得到的水平圆管蒸发式冷凝器中随风速和喷 淋量变化各部分热阻的比例i l l t 3 7 1 。 由图2 4 可以看出，汽液界面热阻随着风速的增大而减小，其原因是风速的 增大加快了界面处物质的更新速率。在蒸发式冷凝器系统中，风速是有最佳范 围的( 3 m s 左右) ，随着风速的增大，不仅会增大系统的压降，还会增加风机的耗 功，而且会对水膜的分布产生很大的影响：如果水和风是逆流，风速过大会产 生液泛现象，产生较大的液阻；如果水和风是顺流，过大的风速则可能导致水 膜的剥离现象，形成千壁现象。因此风速不能无限增大，汽液界面热阻的控制 2 身发，l 冷商e * x i j ，f 】： 1 1 0 质力析 也因此受到一定的限制。 管壁热阻所占份额很小，不是影响传热的主要因素。 l 口管内冷搬热阻圜管暨热咀 i 口管外水腻热阳汽液界面热阳l 迎面风速1 2 巾z i l r , i 荀j j 2 i 墓2 5 l s 迎面j ( 测试条件：湿球温度2 2 8 c ，喷淋量o 0 5 8 k g m s ) 图2 4 热阻比例随风速变化示意图 迎面风速2 5r t , s ( 测试条什：湿球温度2 2 8 c ，迎面风速2 5m s ) 图2 5 热阻比例随喷淋量变化示意图 如图24 、图2 5 所示，水膜热阻和冷凝热阻的总和几乎占了总热阻的2 1 3 。 水膜热阻由水膜的厚度决定，冷凝热阻则由冷凝液膜厚度控制。通过合理调整 布水方式和喷淋量、应用一定的技术手段及时排出冷凝液来降低这两个热阻是 可以实现的。 在蒸发式冷凝器中，水膜热阻和冷凝热阻是最可能通过强化传热手段得以 控制和消减的两个热阻。对蒸发式冷凝器进行强化传热、结构优化，应从这两 2 熬发式冷凝器的传热传质分析 方面入手。 2 3 本章小结 ( 1 ) 本章阐述了蒸发式冷凝器的工作过程，指出蒸发式冷凝器的工作过程包 括固体导热、对流换热、冷凝换热及传质传热四种能量传递方式，并可分为从 制冷剂到水膜、从水膜到空气两个阶段。各个阶段的推动力是不同的。这为针 对各个位置进行强化传热提供了理论基础。 ( 2 ) 运用对流传热和对流传质的基本公式对蒸发式冷凝器工作；立程进行分 析，结果表明：蒸发式冷凝器中对流传质主要受风速的影响，温度对对流传质 影响不大，由于对流传质过程传热量比较大，因此在传热中起主导作用。 ( 3 ) 运用焓湿图对蒸发式冷凝器中空气的参数变化过程进行了分析，数据表 明：随着进口湿球温度的升高，系统的制冷量和能效比迅速下降。 ( 4 ) 对蒸发式冷凝器工作过程的热阻分析表明：蒸发式冷凝器强化传热的主 要途径是控制和消减水膜热阻和冷凝热阻。 3 燕发式冷凝器强化传热方策及数值模拟 3蒸发式冷凝器强化传热方案及数值模拟 3 1引言 本章首先从理论上对蒸发式冷凝器的强化传热进行了分析；在对蒸发式冷 凝器水膜热阻和冷凝热阻的控制分析的基础上提出一种新型的沟槽竖管型式； 最后分别从能量和水膜分布两个角度通过数值模拟验证了强化传热方案的可行 性。 3 2 蒸发式冷凝器强化传热理论依据 3 2 1强化传热的理论基础 强化传热就是通过一定的技术手段，尽可能实现换热器在单位时间、单位 换热面积传递更多的热量，进而改善换热器的稳定性和经济性【3 引。 关于强化传热的机理，许多文献都作了阐述，其根本理论依据都是利用传 热的基本公式来分析影响传热的各种因素，确定强化传热手段。 传热学的基本公式： q = k f 出( 3 1 ) 式中，q 为总传热量，k j ：k 为传热系数，w ( m 2 k ) ；f 为换热面积，m 2 ；f 为 换热流体的平均温差，k 。 由公式可知，强化传热有三个途径：提高换热器的传热系数k ；增加换热 器的换热面积f ：增大平均温差值出。 显然，增加换热器的换热面积和增大平均温差都不是强化传热的最佳途 径。前者与换热器的结构尺寸有关，增加换热面积f 势必会引起设备体积的增 大及成本的增加；而后者与工作流体的工况有关，选择高平均温差会使能耗增 加。因而最理想的强化传热办法就是提高传热系数k 。 蒸发式冷凝器的传热系数公式： ( 3 2 ) = k 3蒸发式冷凝 强化传热方窠及数值模拟 由公式可知，传热系数k 与管内( 外) 换热系数口( 口。) 、管内( 外) 污垢系数( _ ) 及管直径d o 、壁厚占，、管壁导热系数允p 等有关，而主要因素是取决于、a 。、 巧、，即提高管内外换热系数口，( 口。) 、降低管内外污垢系数l ( 匕) 。 提高口，和口。可以从流体的流动状态入手：增加流体的流速，以提高努塞尔 数：设计合理的截面形状，提高流体的紊流程度，破坏使流体边界层，增强传 热效果。 降低、，o 可以从减少管内外污垢入手。s t c i n h a g c n 等人曾对新西兰1 1 0 0 家企业进行了调查，结果表明：9 0 以上的换热器都存在不同程度的污垢问题【3 9 】。 污垢的生成受流体性质、换热设备结构形状及换热表面温差等因素的综合影响 【4 0 1 。在换热器的运行中流体中污垢的出现会增大换热器的总热阻，降低污垢热 阻可从以下几个方面考虑：适当提高流速；改善流体的流动路径；选用耐腐的 材料。 在前面已经论述过，蒸发式冷凝器的强化传热传质研究应从减小水膜热阻 和冷凝热阻两个方面入手。减小水膜热阻，即提高了口。，减小冷凝热阻，即提 高。 可见，理论分析的结果与通过实验数据得到的结论是相吻合的。在蒸发式 冷凝器中，减小水膜热阻、冷凝热阻是可行的强化传热方法。 3 2 2 蒸发式冷凝器强化传热的技术方法 3 2 2 1水膜热阻的控制 水膜热阻的减小，主要靠液膜厚度的减小和均匀分布来实现。冷凝液膜热 阻的减小主要通过减薄冷凝液膜和及时排出冷凝液来实现。这为我们强化传热 提供了方向。 蒸发式冷凝器中，采用水平圆管的换热效果要差于椭圆管，其主要原因是 因为椭圆管更好地改善了水膜在管外的分布情况。对椭圆管进行改变，其极限 形状就是密闭的竖直板式空间。图3 1 示意了蒸发式冷凝器管型开发的思路过 程。 3诛发冷凝器强化传热力棠及数值模拟 6 磷 ，锏烈 鹫帮、 一- j 。彗；：，“j ，：” ：1 图3 1蒸发式冷凝器管型开发思路示意图 因为板式换热元件在长时间使用时，由于温差应力、震动等因素可能会导 致出现密封性问题，引起制冷剂的泄露。所以本文中拟采用竖直布置的无缝冷 凝管，减小焊缝长度，保证密封性。 山f riil 管内 流功 励凇 她 r 占一 图3 2 管外水膜流动示意图 如图3 2 所示，流体沿管外壁流动，圆管外壁为r ，液膜的厚度为万。流体 的流动方向同重力方向相同。 液膜厚度 万0 迎1 l ，3 ( 3 3 ) 昭 最大速度 3 燕发式冷凝器强化传热方粜及数位模拟 平均速度 。= 警( 1 + a 2 + 2 a 2 l n a ) 驴等 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 其中 口：r + f 8 ( 3 6 )口2 下( 3 6 ) 选择竖直冷凝管的优点： ( 1 ) 压降会降低： ( 2 ) 水膜分布更均匀o ( 3 ) 较少地出现干壁现象，防止结垢； ( 4 ) 没有水平管因促进冷凝液流动所需的倾斜角，可以一定程度上减小换热器结 构尺寸。 存在的问题： ( 1 ) 冷凝液的及时排出需要一定的技术手段； ( 2 ) 若冷凝管为蛇形管，冷凝液膜和制冷剂蒸汽流动速度方向相反时会增大液膜 厚度，对换热产生不利影响； ( 3 ) 竖直冷凝管底部可能出现干壁或是液膜过厚。 ( 4 ) 竖直冷凝管的流场扰流程度没有水平冷凝管的强烈，在相同水膜厚度、风速 和温度条件下竖直冷凝管的换热系数没有水平管的换热系数高，竖直布置冷凝 管的传热强化效果需要考虑水膜变化和压降变化进行综合评价。 3 2 2 2 冷凝热阻的控制 将蒸汽冷却至饱和温度，使蒸汽形成微小液滴时就发生凝结。根据换热方 式的不同，可将凝结分为膜状凝结、均匀凝结、珠状凝结、直接接触式凝结和 不混溶工质的凝结五种类型。 在蒸发式冷凝器中，制冷剂最可能出现的凝结方式是膜状凝结，其理想化 目标是珠状凝结。珠状凝结的传热系数虽然要比膜状凝结高数倍，但很难实现。 目前对于珠状凝结的研究仍处于低水平阶段。本文仅对膜状凝结的强化传热方 式进行研究分析。 1 9 当蒸汽在竖直管壁或竖壁上冷凝时，液膜的流动存在层流和湍流两种形态。 液膜层尼 2 0 时，换热系数口，： 旷3 岛) o 2 5 b 8 ， 竖壁或竖直管的上部凝结液膜是层流，随着距顶端距离的增加，冷凝液膜 厚度会逐渐增加，换热系数则逐渐减小；当竖壁或竖直管足够高或凝结液量足 够多时，液膜会逐渐由层流流动转变成湍流状态，与层流段相比，湍流段的换 热系数有所增加。 当蒸汽在水平管内冷凝时，管内上部空间聚集着较多的蒸汽，凝结液则聚 集在水平管的底部，如果是蛇形管，在底部几排冷凝液几乎充满整个管子。这 种气液不均导致了沿管子横截面上周边的换热系数不均，使平均换热系数减小。 水平管内氟利昂类制冷剂的换热系数a 。： 铲o s 5 5 ( 南) o 2 5 9 ， 比较式3 7 、式3 8 与式3 9 可知，在一定的长度范围内，水平管内的凝结 换热系数要低于竖直管内的凝结换热系数1 4 2 1 。这从理论上支持了冷凝管竖直布 置方案的可行性。 竖直冷凝管的强化传热的原则是：尽量减薄粘滞在换热表面上的凝结液膜 厚度。可用各种带有尖峰的表面使冷凝液膜拉薄，使已凝结的液体尽快从换热 表面尽快脱离。 针对竖直管冷凝的强化传热技术按其强化方法是否需要附加动力源可分为 两大类：有源强化技术和无源强化技术。 有源强化技术需要添加附加设备，增加能源消耗，应用于强化凝结的可能 性较小。只有当设备本身存在实现有源强化的条件时才可能采用。 现有的竖直管无源强化传热技术主要包括以下几种形式： ( 1 ) 粗糙表面法 最早开始研究表面粗糙度对冷凝液膜影n 向的是麦德韦尔( m e d w e l l ) ，他用一 2 0 3 醚发武冷掀 | 强化传热办巢及数值梗拟 根光滑管和三根有锥形粗糙面的人工粗糙管进行管外蒸汽凝结实验，管子均为 竖直放置，发现粗糙管的平均换热系数要比光滑管大2 倍。采用滚花管面，换 热系数则是光管的4 倍。 ( 2 ) 应用纵槽管 格列高里戈( g r i g o r i g ) 在1 9 5 4 年最早提出用波浪形表面来强化竖直壁上凝结 换热的方法1 4 3 1 。该方法的原理是利用液体的表面张力把波峰处的凝结液拉入波 谷，在波峰处形成极薄的凝结液膜，而波谷则成为排泄凝结液的渠道，如图3 3 。 图3 3 格列高里戈效应 从图3 3 可以看出，大部分蒸汽在槽顶凝结，在表面张力作用下，凝结液由 顶部迅速流到底部，在重力作用下顺槽排走。聚集在槽底的凝结液使底部液膜 增厚，对增强换热是不利的，但试验表明，槽顶部因凝结液膜变薄而增加的换 热效应远比槽底因凝结液膜增厚而减少的换热效应大得多，因而可比光管的换 热系数增加很多。这种效应称为格列高里戈效应【4 2 】。 莫瑞( m o r i ) 等人m 】用数值分的析法对纵槽管进行了研究，总结出纵槽管最佳 表面几何形状的四个特点：( 1 ) 尖锐的前缘，即翅顶端有较小的曲率半径；( 2 ) 从 项部到根部肋表面的曲率逐渐变化，以保持表面张力，产生压力梯度；( 3 ) 肋间 有宽槽用以收集凝结液；( 4 ) 可在纵槽管沿竖直方向安装分段排液盘。如图3 4 。 图3 4 莫瑞提出的最佳几何形状 2 1 3 蒸发j ：i ：冷凝 j 强化传热方聚及数皿模拟 莫瑞等人给出的优化翅片间距p = 0 5 r n m ，翅片高度h = 0 8 7 m r n 。 对单面纵槽管，曾东平等给出了推荐尺寸：槽数目为管径的两倍；管长小 于3 5 m 时，槽深取o 8 - 1 0 m m ，管长大于3 5 m 时，槽深取1 o 1 5 m m ；槽项和 槽底的曲率半径可取0 4 1 2 m m ，一般槽底曲率半径要大于槽顶曲率半径【4 5 1 。 ( 3 ) 附设纵向金属丝法 文献 4 6 】中报道，在竖直光管上设置纵向金属丝，如果管子外壁附设的金属 丝直径比凝结液膜厚度大且能被凝结液润湿，凝结液将在表面张力的作用下聚 集在金属丝附近，顺着金属丝排走。管壁上的液膜厚度也相对变薄，从而增强 换热效果。 ( 4 ) 应用螺旋槽管 将螺旋槽管应用于竖直冷凝管时，也能实现冷凝换热的强化。在螺旋槽的 作用下，管壁上的冷凝液迅速顺着槽道脱离管壁，减薄了平均液膜厚度，从而 降低了冷凝热阻。 美国橡树岭国家实验室结合地热利用的研究，他们以氟利昂为工质对竖直 强化冷凝管作了比较系统的研究，得出以下结论：最佳的冷凝管是纵槽管，然 后是螺旋槽管和绕线管。纵槽管的凝结换热系数可达光管的5 5 倍，如果使用排 液盘，还可以进一步提高。 由此可见，竖直管内冷凝强化换热的最佳方法是在管壁上布置纵向沟槽。采 用沟槽管可以大大降低冷凝热阻。 3 2 3 沟槽竖管结构的设计开发 通过前面章节的分析已经知道，竖管外的水膜要比水平管外水膜分布更均 匀，水膜热阻更小；采用沟槽管可以大大减小管内的冷凝液膜热阻。综合考虑 这些因素，为了使新型式和水平管式具有可比性，本文在保证管排管间距和水 平管型式换热管排相同的条件下设计了一种新型的沟槽竖管布置的冷凝管排。 其结构形式如图3 5 、图3 6 。 3接发，弋冷凝器弛；化传热方窠故数值梭拟 图3 5 单排沟槽竖管的布置方式 图3 6 沟槽竖管截面图 在管排的顶部和底部均设置联箱，上部联箱同压缩机出口相连，底部联箱 布置u 型液封，防止串气，同系统储液器相连。蒸汽通过管排顶部的联箱均匀 分布到竖直布置的沟槽管内；水膜在管外沿着管排竖直流动，因为空气流动除 了在联箱处有绕流外，其它部位扰动很小，水膜在管壁外面的流动除了竖直方 向的重力和剪应力外，没有其它方向力的影响，故其分布较为均匀。 蒸汽在管内流动过程中冷凝，冷凝液膜由于沟槽管的作用积聚在沟槽底部， 顺着纵向沟槽流入底部的制冷凝液联箱。由于蒸汽流动和冷凝液膜流动方向相 同，相应的能减薄液膜厚度，利于传热。在蒸汽流动过程中，蒸汽没有转向， 局部阻力损失较小，总压降变小。 由于不用考虑蒸汽转向时为减少局部阻力所需曲率，故管排可以布置的更 3 热及j t ；e s 撇揣也化传热万浆拨毅位穰拟 为紧凑。本文中为了和水平管在相同的条件下比较，在下面的模拟中取管间距 为8 6 r a m 。竖直管的长度由液膜的厚度变化规律决定。相关文献中介绍最佳换热 管高度范围为o 8 0 9 m 4 。 邓颂九、谭盈科等人曾在外径2 2 m m 、壁厚2 r a m 的管子上均匀布黄4 8 条纵 向沟槽。实验结果表明用这样的沟槽管代替光滑冷凝管，其传热系数可提高1 4 t 屯 5 3 1 l 口 。 蒸发式冷凝器在工况不稳定或局部温度过高都引起干壁现象，易在管外形 成水垢，如果在管外侧开设纵向沟槽，水垢在沟槽内不宜清除，且会引起水膜 的不均匀分布。因此本文只在管内开设三角形纵槽以强化冷凝。沟槽管的截面 如图3 6 所示。管子内径为2 1 m m ，壁厚2 r a m ，沟槽底部间距o 5 m m ，槽深l m m ， 总共布置有4 4 个沟槽。 3 3竖管和水平管的数值模拟比较 3 3 1 竖管和水平管能量角度的比较 3 3 1 2 几何模型 竖管式蒸发式冷凝器和水平管式蒸发式冷凝器的几何模型如图3 7 所示。 图3 7 两种布置方式j 。l f - i 模型 对于竖管和水平管两种布管方式，为了保证模拟条件的相似性，管排之间 取相同的管间距。竖管式蒸发式冷凝器几何模型的尺寸为：2 2 2 m m 1 7 2 r a m 5 0 r a m 。管子直径为2 5 m l ；水平管蒸发式冷凝器几何模型的尺寸为：7 5 1 n m 1 7 2 r a m 1 0 m m 。管子直径为2 5 m m 。 2 4 脑 3蒸发冷；疑 | 强化传热方案及数值模拟 3 3 1 3 物理模型 限于模拟的局限性，我们做如下简化： ( 1 ) 不考虑空气因吹浮细小水雾所产生的压降： ( 2 ) 假定出口处空气流动为充分发展流动； ( 3 ) 因为两种结构都具有对称性，本模型只取部分流场作为研究对象。 3 3 1 4 边界条件 模型管壁设为w a l l ，壁温设置为恒定值；上部出口截面设置为o u t f l o w ；下 部进口截面设置为v e l o c i t y _ i n l e t ；左右界面设为绝热的w a l l ；前后截面设定为 s y m m e t r y 3 3 1 5 网格与求解模型的选择 选取c o o p e r 网格类型对模型进行网格划分；二阶迎风格式，s i m p l e 算法， 根掘蒸发式冷凝器的特点及考查目标，选用石一占模型。k 一占模型为两方程模型， 在一方程的基础上引入湍流耗散率e 的方程后而建立的，是最应用最广泛的湍流 模型。七一占模型控制方程组如下【4 7 】： 输运方程 掣+ 掣= 毒刳讣q 岍胪哥瓯 埘 掣+ 掣= 考钥期慨妻慨蚝讣印譬+ 足 连续性方程： 害+ v ( 户：) = 。 埔 动量