（制冷及低温工程专业论文）水平管降膜蒸发器喷淋均匀性分析及小流量降膜数值模拟.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering horizontal falling-film evaporator spray uniformity analysis and small mass flow falling-film numerical simulation candidate: jiao yanhong major: cryogenics falling-film；heat and mass transfer; structure design; spray; numerical simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iv 目 录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 研究背景和意义 . (1) 1.2 研究现状 . (4) 1.3 水平管降膜蒸发器研究难点 . (9) 1.4 本文研究内容 . (10) 2 水平管降膜理论分析 2.1 水平管降膜蒸发器工作原理 . (11) 2.2 水平管降膜蒸发器理论分析 . (13) 2.3 常压淋水实验-fluent 模拟验证 . (17) 2.4 本章小结 . (20) 3 水平管降膜蒸发器模型设计 3.1 水平管降膜蒸发器传热设计 . (21) 3.2 水平管降膜蒸发器结构设计 . (23) 3.3 制冷剂流量确定 . (25) 3.4 进出口直径确定 . (26) 3.5 本章小结 . (27) 4 喷淋布液均匀性数值研究 4.1 数值模拟设定 . (28) 4.2 单泵供液计算结果及分析 . (31) 4.3 双泵供液计算工况及喷嘴体积流量分析 . (37) 4.4 单双泵供液平均相对误差分析 . (41) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 v 4.5 本章小结 . (44) 5 水平管降膜蒸发器小流量降膜数值分析 5.1 模型建立 . (46) 5.2 fluent 求解方案 . (51) 5.3 多相流传质模型 . (53) 5.4 计算结点硬件环境 . (56) 5.5 计算结果初步分析 . (57) 5.6 本章小结 . (60) 6 结论与展望 6.1 主要结论 . (62) 6.2 研究展望 . (62) 致 谢 . (64) 参 考 文 献 . (66) 附录 1 攻读学位期间所取得的科研成果 . (70) 附录 2 水平管降膜蒸发器喷淋数值 matlab 程序 . (71) 附录 3 多相流传质模型 udf 程序 . (74) 附录 4 符号说明表 . (75) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪 论 1.1 研究背景和意义 近十年来，我国中央空调行业飞速发展。房地产投资特别是办公用房和商业用 房规模的上升，导致了中央空调需求的高速增长。暖通空调资讯数据显示，我 国建筑能耗中，空调采暖占 65%以上，大型公共建筑的能耗水平普遍偏高，节能的 空间很大，故中央空调成为我国建筑节能的重要组成部分之一。 中央空调行业的市场需求地域特征明显，受当地购买力、气候条件和人民消费 观念的影响较大。以北京、上海为代表的华北及华东地区主要以办公用房的投资为 主，中央空调的市场多集中于此；以广州、深圳为代表的广东地区以贸易经营为地 区特征，地产投资以商业用房为主。目前，随着各地经济的迅速发展，中央空调产 品地域性的市场需求将稳步增长。同时，各地区的写字楼、宾馆饭店、商业中心、 文化娱乐中心、国防、科研、实验室、医院、特殊工业厂家与设施对中央空调的需 求将向着全方位的方向更为广阔地发展。 此外，中央空调产品正在加速进军家庭用户。家用中央空调的推出，满足了高 密度住宅和别墅住户的需要。由于该类产品将家用空调与中央空调的优点结合起来， 既具备良好的经济性能，又因省去室外机而美化了小区环境。中央空调可以很好地 与装修风格相匹配、达到美观协调的效果，正逐渐为大众所接受，因而在未来的中 央空调市场中将有较大的发展。 在中央空调制冷系统中，蒸发器是制冷装置重要换热设备之一。制冷剂在蒸发 器内吸热汽化，从而实现制冷。将制冷机组中的载冷剂送入风机盘管以实现室内的 降温。 按制冷剂的充满程度及蒸发情况，可将蒸发器分为三类： (1)干式蒸发器：制冷剂在管内一次完全汽化。干式蒸发器常用于冷库，以直接 对库房进行冷却；也可用于间接式制冷系统，如空调制冷站、制冰系统等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 (2)再循环式蒸发器：制冷剂需经几次循环才能完全汽化。由蒸发管流出的两相 混合物进入气液分离器，分离出的蒸气被吸入压缩机内，液体再次进入蒸发管中沸 腾。再循环式蒸发器广泛用于冷藏库、人工冰场等制冷系统中。 (3)满液式蒸发器：制冷剂在管外沸腾，液体载冷剂在管内流动。满液式蒸发器 结构紧凑，传热效果好，易于安装，使用方便。 上述三种蒸发器中，广泛用于冷水机组（特别是大冷量冷水机组）的是满液式 蒸发器。因为满液式蒸发器的传热壁面润湿性好，沸腾传热系数高，且维护简便。 (a) 壳体 (b) 管束 图 1-1 满液式蒸发器示意图 但是满液式蒸发器也有一些不足之处，如： (1)制冷剂充注量大。对于某些价格较贵的制冷剂，会明显提高成本。 (2)当蒸发器壳体直径较大时，受液体静压力的影响，底部液体的蒸发温度将有 些提高，减小了蒸发器的传热温差。蒸发温度愈低，这种影响愈大。另外，制冷剂 密度较大时，静压高度的影响会更加显著。 (3)由于制冷剂液位较高，距制冷剂蒸气出口较近，使蒸气带液现象较为严重。 另外当用于船用制冷装置时，船体的摇摆有可能促使制冷剂液体进入压缩机。导致 “液击”现象，影响压缩机正常运转。 为了克服上述不足，可将制冷剂从蒸发器底部抽出，用泵输送到壳顶后喷淋下 来。这种蒸发器又称为喷淋式蒸发器，它可以看成是一种用泵输液的再循环蒸发器， 只是制冷剂在管外流动。采用喷淋式蒸发器，壳体中的液位可以很低，消除了因高 液位造成的液体上、下部温度不均现象，并减少了制冷剂充注量。不过需要增加泵 和管路。总之，喷淋式蒸发器优越性突出，水平管降膜蒸发器就是喷淋式蒸发器的 一种。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 3 1.1.1 水平管降膜蒸发器 水平管降膜蒸发器（horizontal spray falling film evaporator,简称 hsffe）早在 1888 年就已经诞生，但在 20 世纪 70 年代之前只有少数学者开始这项技术的研究。 20 世纪 60 年代中后期，美国 aqua-chem 公司开发了高效换热装置 1，是水平管降 膜蒸发器的雏形。20 世纪 80 年代，受第二次石油危机的驱动，许多学者也致力于研 究这项技术，主要用于海水淡化。 随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日益严峻，开发和 应用高效、 节能的换热设备具有重要的现实意义。 20 世纪 90 年代， 随着氟氯烃(cfc) 的逐步淘汰，水平管降膜蒸发器才开始在制冷系统上被采用2。 水平管降膜蒸发器，如图 1-2 所示，属于壳管式换热器的范畴。换热管内运行冷 媒介质。换热管外，来自节流阀的低温低压制冷剂液体，均匀地喷淋在传热管束上， 并在管壁上铺展成膜，吸收管内流体热量而部分蒸发。蒸发意味着相变，意味着在 吸热蒸发的同时，也发生了制冷剂分子从液体到气体的质量传递。在重力作用下降 膜到蒸发器底部的制冷剂液体浸没一部分换热管，这部分称为降膜蒸发器的浸没区。 蒸发产生的蒸气经挡液板等气液分离装置后，被吸入压缩机，从而继续制冷循环。 图 1-2 水平管降膜蒸发器示意 1.1.2 水平管降膜蒸发器的特点 相比于满液式蒸发器，水平管式降膜蒸发器有很多优点： （1） 制冷剂的充注量少 制冷剂的充注量要比满液式蒸发器节约 25%左右，一方面降低了制冷剂的投入 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 4 和维护成本，另一方面也大大降低了制冷剂泄漏的概率，从而使制冷剂的筛选范围 扩大。 （2） 传热性能好 由于溶液沿管壁呈传热效果较好的膜状流动，液膜很薄，且有波动性质，有利 于液膜与管壁间的传热。并且在液固、气液界面上都可能发生相变，所以降膜蒸发 表现出很高的换热性能。 （3） 传热温差损失小 因为降膜蒸发器没有液位静压引起的沸点升高而带来的温差损失。避免了蒸发 器壳体的直径较大时液体静压力对蒸发温度的影响。另外对于密度较大的制冷剂， 静压高度的影响会更加显著。 （4） 结构更加紧凑 较高的传热性能允许蒸发温度升高，改善了系统的循环效率；另外高的传热系 数可以减小蒸发器体积，节省空间投入成本。 （5） 改善去油效果 因为水平管式降膜蒸发器中润滑油沉积在蒸发器底部，直接经由回油泵抽出即 可。 （6） 需装置液体分布器 为了使制冷剂沿换热管轴向、环向均匀连续布膜，需在换热管的上方装置液体 分布器。其结构直接影响到液体的分布及成膜质量。因而，液体分布器是水平管降 膜蒸发器的关键部件之一，其设计显得尤其重要。 1.1.3 水平管降膜蒸发器的应用 鉴于水平管降膜蒸发器的特点，降膜蒸发在食品加工、石油化工、海水淡化3 及污水源热泵4等领域的应用技术已比较成熟。在制冷空调领域，水平管降膜蒸发器 取代满液式蒸发器，应用于中央空调行业大中型冷水机组，节能、环保、健康、低 碳，有较好的发展前景。 1.2 研究现状 水平管式降膜蒸发器作为一种高效节能换热设备，影响其换热结果的因素有很 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 5 多，众多研究者对此进行了大量的研究工作。对降膜蒸发的研究主要在理论研究和 实验研究两个方面。 理论研究方面，主要是研究液膜的流动状态和液膜流动的机理近而对降膜液膜 厚度及膜侧侧传热系数理论求解，并在实验的基础上利用实验数据得到经验或半经 验的实验关联式；在实验研究方面，主要研究影响对水平管外降膜蒸发传热系数的 影响因素。在实际应用领域，主要是对降膜蒸发设备及系统进行优化，采用各种各 样的节能工艺和流程5-10，提高降膜蒸发器的传热系数，研究高效的降膜蒸发器。 由于受布液方式、管排布置和管型液膜流态、气流分布和表面湿润状况等因素 的影响，降膜蒸发传热机理相对复杂，致使学者们各自的研究结果有所不同。文献 中涉及到的研究方法包括实验分析及模拟计算分析两种，其中以实验分析方法为主。 1.2.1 理论研究 nusselt11,12最早对降膜流动蒸发传热进行了理论研究，他假设沿薄膜厚度方向 的速度呈抛物线状分布，而温度梯度呈线性分布，其分析结果与非常薄的液膜实验 结果相符完好。并且在 1916 年，nusselt 忽略界面波动和气相剪应力的影响，对光滑 层流降膜进行理论模拟，通过求解降膜的动量方程和能量方程，得到液膜传热系数， 和液膜厚度。 benjamin 等人13 在 nusselt 模型的基础上，考虑了界面波动的影响。理论模拟 的结果表明，该模型得到的膜厚小于 nusselt 模型的膜厚。 dukler13,14最早致力于对湍流降膜的理论模拟。 他将满管流边界层的湍流模型移 置于降膜蒸发液膜流动，对 y+20 区域，选用 deissel 模型确定涡流传递系数；对 y+20 的区域选用 von karman 模型确定涡流传递系数，在未考虑界面波动影响的情 况下计入二次蒸气对流动与传热的影响，联立求解降膜动量方程和能量方程。但其 理论预测值在热通量较小且二次蒸气速度不大时比实验值高达 46%。 greenberg15 分析了薄膜的流动状态，提出了存在的四种流型，并描述了其流动 特性：层流 0re427，层流中无波动；拟层流 4270re80350，拟层流中表 面波动与液膜流动速度相同；过渡流 80350re16002000，过渡流中有急剧向 前的漩涡和小毛细波；湍流 re16002000，湍流中波动完全随机。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 6 normon 和 binns16 研究了液膜的稳定性和液膜波动的影响。 他认为是表面张力 梯度引发了液膜之破裂。假定液膜波动时，波谷的温度高于波峰的温度，使顶部的 表面张力大于了底部的表面张力，于是便把水从热处拉到了冷处，且无恢复力抵消 这一现象，液膜发生中断。 k.bourouni 和 m.t. chaibi17 等对水平管管外液膜的传热系数进行了分析研究。 他们在不饱和工况条件下，应用边界层理论，把水平管外的液膜分为了四个区域， 分别为停滞区、冲击区、自由绕流发展区和完全自由绕流发展区。在这四个区域内， 传热系数依次减小。此理论模型被直接应用于水平管降膜海水淡化系统中。 1.2.2 实验研究 i.h.newson18 研究了光管管束降膜流动，结果表明：随蒸发侧沸点的升高，蒸 发侧膜系数增加较大；喷淋密度的增加仅使蒸发侧膜传热系数略有增加，而对总传 热系数无明显影响；含盐量在 35000ppm90000ppm 之间时，海水浓度对各传热系数 影响不大；热通量从 15kw/m2增加到 90kw/m2时，总传热系数下降了 510， 而蒸发侧膜传热系数增大 30；当管间距小于 13mm 时，蒸发气泡产生于管子外表 面，有利于提高传热系数。 v.slesarenko19 着重研究了管外蒸发膜侧系数的影响因素。 他认为喷淋量的增加 使液体的流速与膜厚同时加大，加剧了对流传热，却使导热减慢，两者的共同作用 导致了蒸发侧膜系数为常数，得出了喷淋量对管外蒸发膜系数无影响。另外，他还 得出沸腾时，管径对蒸发膜侧系数影响极大，管径越小蒸发膜侧系数越大。 v.g.rifert20 等人的研究是，把水平管降膜蒸发器的传热过程和多级闪蒸相比 较。在这两套装置中，他们分别测量了装置的局部传热系数和总传热系数，且在水 平管降膜蒸发器中研究出了最大传热系数的具体位置。此外，强化了的水平肋管管 束传热系数是普通光管管束传热系数的两倍。 v.slesarenko19,20的研究表明，液体负荷并不影响传热系数。在相当小的液体负 荷下就可能得到较高的传热性能。但 v.g.rifert20等研究结果却表明，随液体负荷的 增加，蒸发侧传热膜系数值亦随之增加。 a.b.berezin21 等对水平管外湍流流动的蒸发膜侧系数进行了研究，结果表明： 当热流密度较小时，其大小不影响蒸发膜侧系数的值；而当热流密度达到一定值后， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 7 蒸发膜侧系数随热流密度增加而增大。他们的研究还发现，蒸发膜侧系数和总传热 系数随液体总喷淋量的增加而增大。 cannizzaro22 研究了水平管外蒸发和管内蒸气冷凝的传热性能。研究结果表明： 当管内蒸气冷凝，形成环形薄液膜时，蒸发侧的传热膜系数约为冷凝侧传热膜系数 的 5070%。由此可知，管外蒸发侧的传热膜系数是整个传热过程的主要控制因素。 k.edahiro23 等的实验研究结果显示：喷淋密度在一定范围内对传热系数无影 响；内外两侧膜系数较为接近；总传热系数随海水沸点的升高而增加；随热通量的 升高，外侧传热膜系数增大而内侧传热膜系数减小，而总传热系数却几乎不变；管 径对传热系数的影响不大。 k.bourouni 和 r. martin17 等研究了聚丙烯材质管束水平管外降膜蒸发器， 选用 地热作为热源，设计工作温度为 6090。设计并研究了两种喷淋系统：一种为钻孔 金属平板式的喷淋系统，另一种为细缝式喷淋系统。结果表明：细缝式喷淋系统料 液分布的均匀性优于孔式喷淋系统，从而使测量数据更为精确。 杜亮坡24 等以水为工作介质研究了水平管外降膜蒸发传热特性。在单管且测试 管为盲管的实验条件下，对喷淋密度、热通量 q、蒸发侧温差t 和蒸发温度 te等因 素对传热性能的影响进行了考察分析。郑东光25 等也对影响水平管降膜蒸发器蒸发 传热过程的部分因素进行了实验研究，研究了在一定范围内，水平管降膜蒸发器的 喷淋密度、热通量、蒸发温度、布管方式对管束总蒸发传热系数的影响。 i.h.newson26 在洁净条件下测量出了用于海水淡化装置的多效水平管降膜蒸发 器的传热系数，并应用计算程序来测量管内蒸气冷凝侧的膜传热系数和管外海水蒸 发侧膜传热系数。实验结果表明：管外蒸发侧的膜传热系数对总传热系数大小的影 响起主要作用。i.h.newson 的研究还发现，管外蒸发侧的膜传热系数随着料液温度、 热通量和料液的喷淋密度的增加而增大。当把管子全绑在一块成为管束时，蒸发器 的总传热系数要比没有绑在一块形成管束时的总传热系数增加 25%。 k.bourouni17 等研究了用于海水淡化装置的水平管外降膜蒸发器，数据结果表 明：蒸气温度和热水温度与总蒸发海水量线性相关。此外，研究还得到了足以获得 最大蒸发水量时的管外喷淋水的雷诺数，旨在优化海水淡化装置蒸发海水的效果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 8 v.slesarenko 19 在研究海水淡化时， 分析了多种形式的薄膜蒸发过程。 他认为管 外蒸发有两种形式：一是液膜产生气泡，二是液膜表面蒸发。在相当小的液体负荷 下，膜蒸发过程就可有较高的传热系数，且传热系数不受液体负荷变化的影响。 x.zeng 和 m.-c.chyu 27 等学者用液态氨作物料，研究了管束排列方式、喷淋系 统及喷嘴类型、喷淋系统距离水平管的高度和喷淋量诸多方面对传热管外蒸发传热 系数的影响。他们测量出了三角形排列和正方形排列中具体到每根管的传热系数， 得出如下结论：液氨在高沸点时的管外蒸发侧传热膜系数要大于低沸点时的传热膜 系数；位置高的管排传热系数大于位置低的管排的传热系数；具体到每根管的管外 蒸发传热膜系数随热通量的增加而增大。 任显龙28 等研究用于海水淡化横管降膜蒸发器，换热管采用外径为 25mm 光滑 的 hal77-2a 铝黄铜管。实验测得了液体喷淋密度、蒸发温度 te、管间距 s 等参数 变化对蒸发侧局部传热系数和平均传热系数的影响数据。得出结论：横管降膜蒸发 局部传热系数在换热管环向上的分布为，从换热管顶部到底部逐渐减小，且局部传 热系数和平均传热系数均随液体喷淋密度、蒸发温度 te、管间距 s 的增大而增大。 沈吟秋和郭宜枯29 研究对水平管外喷淋式降膜蒸发的研究中，管内分别用蒸气 加热和电加热两种方式对光滑管和多孔表面管进行了研究。当管内用蒸气加热时， 冷凝膜系数随蒸气速度的增加而增加，随热通量的增大而减小。而管外蒸发膜系数 则与蒸气速度的变化无关。 孙会朋30 等分析了液体在多孔管分支系统中的变质量流动机理；推导出了变孔 径直管分布器的修正动量方程式；并给出了流量计算公式；提出了布液不均匀度系 数的统计学概念；拟定了排管式布液装置的设计方案；并搭建了实验装置台，以对 分布器的布液性能做测试实验。 1.2.3 数值研究 翟玉燕31 等建立了水平管降膜蒸发器的蒸发传热之分布参数模型，利用所建模 型分别对两台水平布置(h)样机和竖直布置(v)样机进行了数值仿真计算。 文章研究了 换热管种类、管束布置、制冷剂液膜的质量流量、管程布置以及浸没因子等因素对 降膜蒸发器传热性能的影响。提出了可优化水平管降膜蒸发器性能的一些措施，为 其设计提供了参考依据。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 9 翟玉燕32 等基于分布参数法，研究了对大型制冷系统中水平管降膜蒸发器的换 热特性。建立模型后对管束优化进行数值模拟，计算了饱和 r-134a 制冷剂液体在水 平管(铜管)降膜流动的蒸发传热特性， 考虑了蒸发器中的降膜区管排数和满液区管排 数(以满液因子表示)对蒸发器换热特性的影响， 提出了采用质流场均匀性因子来评价 水平管降膜蒸发器的换热性能。 王小飞33 等用数值模拟的方法，通过计算不同工况下的液膜厚度，来分析冷态 情况下水平管降膜蒸发器管外制冷剂液体降膜流动的诸多影响因素。 何茂刚34 等针对应用于大型制冷空调系统的水平管降膜蒸发器，建立了单管单 元 fluent 数值模拟计算的物理模型。该模拟以制冷剂 r134a 为研究工质，对不同 总喷淋量、不同喷淋系统开孔孔径、不同管束布置下，管外制冷剂液体的流动工况 进行了数值模拟，并运用 tecplot 软件实现了管子在环向不同角度的液膜厚度读 取。 谷芳35 等利用 vof 模型，考虑了表面张力动量源项、气液相间摩擦力动量源 项以及相间传质源项，建立了 cfd 模拟计算模型，定量描述了气-液两相逆流降膜传 质过程。 1.3 水平管降膜蒸发器研究难点 十几年来，经过国内外众多学者的努力，水平管降膜蒸发器的研究已经取得了 一些理论成果，并公布了少数设计方面的专利。但是仍然存在一系列难题，制约着 水平管降膜蒸发器的应用和推广。 1) 如何保证制冷剂液体在换热管外壁面均匀分布，避免局部干壁。具体来说：如 何布液，使得蒸发器管束上方喷淋均匀；制冷剂液体喷淋系统确定后，如何布 置管束，以保证气体通道通畅，减少对液膜的扰动。 2) 尽管对水平管降膜蒸发器内部液膜流动和换热研究有不少报道， 但对降膜蒸发传 热传质的有关计算及应用范围仍未达共识，尚需继续探究。 3) 降膜式蒸发器的传热规律和换热性能尚不十分清楚，其工程设计经验也有所欠 缺，故目前还无普遍有效适用于水平管式降膜蒸发器的设计方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 10 1.4 本文研究内容 本文通过查阅大量有关水平管式降膜流动、蒸发传热性能实验和模拟计算的研 究资料，并通过去某知名企业实际调研，深化了对降膜冷水机组认识。在此基础上， 做了如下研究： 1) 在常温常压环境下，阵列小孔的多流量淋水实验，并进行了相应条件下的数值仿 真，验证了在重力和表面张力综合作用下，进口流量较大和较小两种情况模拟与 实验的一致性，进而验证了 ansys fluent 软件中 vof 模型数值模拟方法的 可行性，为第 5 章水平管降膜蒸发器单元模型模拟应用 vof 模型求解提供了参 考依据。给定某中央空调冷水机组热负荷，依据传热方程和热平衡方程，做了水 平管降膜蒸发器传热设计，进而做出结构设计，得到了换热管束布置和蒸发器的 各主要尺寸。 2) 建立了蒸发式冷凝器喷淋系统的物理模型，采用 fluent 软件，分别对不同总 喷淋量、不同喷嘴直径、是否加装压力平衡管、单泵或双泵输送制冷剂等因素变 化组合工况下喷淋管内的流体流动进行了数值模拟， 并用平均相对误差量化比较 和研究了影响喷嘴出口流量均匀性的主要因素。 蒸发式冷凝器喷淋的研究结果有 助于对水平管降膜蒸发器喷淋性能规律的认识和系统设计。 3) 建立了水平管降膜蒸发器的物理模型和单元仿真模型， 加载了单元仿真模型的传 热边界条件，编写了两相流动传质模型的 udf 程序，与 vof 模型链接起来模拟 求解小流量进口边界条件下的三维非稳态流场和温度场。根据以上模拟结果，对 水平管降膜蒸发器进行了流动分析和传热传质性能分析， 为新型水平管降膜蒸发 器的产品开发提供了参考依据。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 11 2 水平管降膜理论分析 多年来随着中央空调市场规模的不断扩张，冷水机组产品的规模也在不断加大。 降膜冷水机组主要应用于大中型空调系统，由现代最先进的微机控制中心监视其运 行状态。 本机组包括压缩机(装有封闭式电机)、 冷凝器、 蒸发器及流量调节控制部分。 2.1 水平管降膜蒸发器工作原理 图 2-1 为降膜蒸发冷水机组的实物图片。降膜机组运行中，液体（淡水或盐水被 冷却）流过蒸发器，制冷剂吸收液体热量蒸发。冷冻液体进入风机盘管系统或其它 空气调节终端系统，在翅片盘管中流动时吸收空气热量。被加热的液体重新回到冷 水机组完成冷却液体循环。 图 2-1 降膜蒸发冷水机组 图 2-2 图示化了冷水机组制冷剂流动循环。 在蒸发器中沸腾产生的制冷剂蒸气流 向压缩机，在叶片转动过程中，制冷剂压力和温度升高，并排向冷凝器。冷凝器管 程内流动的水吸收制冷剂蒸气的热量，制冷剂被冷凝。冷凝器中水由外部水源提供 给机组，通常是冷却塔。冷凝器中被冷凝的制冷剂进入液体回路，孔板流量计控制 回到蒸发器的流量，从而完成整个制冷剂循环。 水平管降膜蒸发器属于壳管式换热器的范畴，兼有降膜区和浸没区。流经节流 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 12 阀的低温低压的液态制冷剂，经喷淋系统沿管长和管排方向竖直向下，均匀分配到 蒸发器的顶排管束，做降膜蒸发流动。与管内热流体热交换后，部分制冷剂液体蒸 发，剩余部分液态制冷剂在重力作用下竖直向下降落到下排管束表面，最后流经降 膜区后仍未蒸发的部分制冷剂液体流入浸没区继续蒸发。浸没区液位保持基本不变。 产生的制冷剂蒸气经气流通道流向蒸发器顶部空间。此空间由喷淋系统、挡板 和壳体共同组成。然后经由位于顶部的蒸气出口被吸入压缩机，进入制冷循环。不 同位置蒸气的具体流通路径是不同的。与位于壳体中间部分管束热交换而产生的蒸 气，首先经由水平气流通道流入筒体两端空间，与壳体两端处产生的蒸气汇合，然 后经由位于两端的气流通道流入蒸发器顶部空间。 图 2-2 冷水机组制冷剂流动循环 剩余的制冷剂浸没管子在壳体下方。管束上方安装有吸气挡板以免制冷剂气体 被带进压缩机。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 13 2.2 水平管降膜蒸发器理论分析 2.2.1 模型假设 水平管管外降膜蒸发是一种两相流，其间进行的传热、传质和动量传递都较复 杂。根据过程进行的特点，为便于理论分析，做如下假设36,37： 液膜完全润湿壁面，液膜流动为无波动和破裂的稳定层流。 液体处于饱和状态且温度均匀。 换热管壁面温度均匀。 液膜无溅射。 液膜较薄，忽略液膜内压力梯度。 液膜与壁面无粘滞应力作用；液膜与蒸气无剪力作用。 2.2.2 数学模型 在壁面上建立边界层坐标系38 ，以壁面上的一点为原点，以沿壁面切线方向并 指向流动方向为 x 轴，自壁面算起沿壁面外法线为 y 轴，如图 2-3 所示。 液膜在换热管外壁流动，受到重力和壁面剪切力的共同作用，在靠近流动液膜 自由表面处取一流体微元体，设液膜厚度为，不考虑液膜在沿换热管长度方向上的 情况，在长度方向上取单位长度，如图 2-3 所示。 图 2-3 边界层坐标系下单管降膜模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 14 2.2.3 控制方程 根据假设，建立控制方程如下： 质量方程 0 uv xy (2-1) 动量方程 2 2 sin uuu uvgv xyy (2-2) 式中： sin sin x r 能量方程 2 2 ttt uva xyy (2-3) 2.2.4 边界条件 液膜壁面边界条件(定热流壁面)： 0,0,0, t yuvq y 液膜自由表面边界： ,00 tu y yy ， 进口边界（管顶部）： x=0，u=u0，v=0，t=t0 进口温度 t0，对顶层管为进口温度，对中间管为上一层管的出口温度。进口速 度 u0，与管间流动形态有关。根据此文献39，u0需根据不同的管间流动形态进行计 算。流动形态详见图 2-5。 2.2.5 降膜 re 数 在降膜流动研究领域中，定义雷诺数40的方法有多种。分析问题的角度不同， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 15 不同的研究者会采用不同的定义方法，导致研究结果进行横向比较与判别时不统一。 于是，有必要针对文献中雷诺数给出较为清晰的解释。 典型的水平管外降膜流动如图 2-4 所示，上游流体的总质量流量为 m，均匀一 致地滴落在直径为 d、长度为 l 的水平管段上。 图 2-4 水平管外降膜流动 re 示意 在计算单管降膜流动或者垂直布置水平管束降膜流动时，为方便起见，用表示 单位管长单侧流体质量流量，则 =m/2l (2-4) 流量与降膜平均流速 u、任意圆周位置相应的降膜厚度、流体密度有关，有 u (2-5) 任取流动的横断面，沿水平管单侧圆周方向上 a=l，相应的湿周 l，降膜流动 横断面的当量直径 dh=4a/l=4。 由雷诺数的定义可得， 44 h udu re (2-6) 2.2.6 降膜管间流型 喷淋系统均匀地将制冷剂布液到换热管上时， 流量大小不同时会形成图 2-5 所 示的流动模式。 1)滴状流：如图 2-5(a)所示，换热管之间的液体只以明显的滴状形式流动。2) 滴-柱状：当换热管之间除了降落的液滴外至少有一个稳定的柱体。柱体可以沿着换 热管水平移动，但必须是连续的柱体。3)柱状流：如图 2-5(b)所示，瞬时流量较低时 相邻两管的柱体趋向一条直线，瞬时流量较高时相互交错。4)柱-膜状：在这个过渡 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 16 (a)滴状流 (b)柱状流 (c)膜状流 图 2-5 管间流型示意 模式中，在换热管的不同位置同时存在柱体和液体膜。至少有一个明显的小液膜才 可达到。小液膜是由两个相邻的柱体结合形成的，其侧面为三角形。5)膜状流：如图 2-5(c)所示，这个模式指换热管之间的流体一律是连续的膜。 2.2.7 求解液膜厚度 在 x 方向，力平衡关系式41： sin0gy dxdx (2-7) 对于层流流动，有牛顿粘性定律 du dy (2-8) 以上两式联立积分求解，得速度分布 2 2sin/2ugyyc (2-9) 结果边界条件，得液膜内速度分布公式 2 2sin/2ugyy (2-10) 液膜连续性方程： 0 udy (2-11) 积分可得 =2g3sin/3 (2-12) 可得液膜厚度： 1/3 2 3 sing (2-13) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 17 结合式(2-6)， 1/3 2 2 3 4sin re g (2-14) 2.3 常压淋水实验-fluent 模拟验证 本文很大部分内容使用了 ansys fluent 软件进行数值模拟，尤其是在第 5 章中，水平管降膜蒸发器单元模拟用的就是 ansys fluent 软件中的 vof 通用多 相流模型。本章在常温常压环境下做了阵列小孔的多流量淋水实验，并进行了相应 条件下的数值仿真，以验证在重力和表面张力综合作用下，进口流量较大和较小两 种情况时，模拟结果与实验的一致性。 实验模型：一个塑料盆，直径 d=120mm，盆高 h0=40mm，盆底钻孔 21 个，孔 径=3mm，孔间距 ds=20mm。保持盆中水位恒定且稳定，以确保孔口出流不受水龙 头来流影响。测定工况流量值，针对两种工况展开验证 (case 1：进口流量较大， v=0.05m/s，接触角=90； case 2：进口流量较小，v=0.0005m/s，接触角=15)。 仿真模型：在前处理软件 gambit 中三维建模。由于水盆关于 x 轴和 y 轴均具 有对称性，取其 1/4 为研究对象，如图 2-6 所示。设定高 h=8mm，此段模拟设置时 patch 液体体积分数为 1，保证来流均匀。下方筒体长 l=112mm，有足够的流体流动 空间。网格划分总数为 208896。max equisize skew=0.6，网格质量较好。采用 water-air 工质对，vof 三维非稳态模拟。边界条件为：速度进口，大气压力出口。 (a) 水盆建模 (b) 对称后模型 图 2-6 常压淋水仿真模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 18 2.3.1 case 1：进口流量较大，v=0.05m/s，接触角=90 本算例中，流动 0.2s 后已达稳定状态。设定一个表面 surface-(watervof=0.8)，来 反映水的体积分数为 0.8 的等值面，可以从不同背面、倾斜、前面三个视角来看流动 状态，见图 2-7。 (a)背面 (b)倾斜 (c)侧面 图 2-7 surface-(watervof=0.8)各视角图 图 2-8 中，设定一个平面 surface-(y=0)，以反映中轴面两相流的流动情况。显而 易见，水从喷淋孔竖直下落，呈柱状流动。 (a) 相图 (b) 速度云图 图 2-8 time=0.2s 时（中轴面）surface-(y=0)云图 2.3.2 case 2：进口流量较小，v=0.0005m/s，接触角=15 本算例中，流动 0.5s 后达到稳定状态。设定一个平面 surface-(y=0)，来反映中轴 面两相流的流动情况，如图 2-9 所示。图 2-9 为 flow time=0.1s 和 flow time=0.2s 两 个时刻（中轴面）surface-(y=0)的立体相图，可见所取截面在整体中所处的位置。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 19 (a) flow time=0.1s (b) flow time=0.2s 图 2-9 两个时刻（中轴面）surface-(y=0)立体相图 图 2-10 为 flow time=0.1s 和 flow time=0.2s 两个时刻（中轴面）surface-(y=0) 的平面相图。(a)flow time=0.1s，时间较短，流程也短。喷淋孔处，水呈柱状下落。 在流动的最下端，向滴状过渡。(b)flow time=0.2s，随时间延长，在喷淋孔所在水平 面，孔口出流开始沿水平方向浸润。且在流动下端，滴状流已形成。 (a) flow time=0.1s (b) flow time=0.2s 图 2-10 两个时刻（中轴面）surface-(y=0)平面相图 图 2-10 为 flow time=0.3、0.4、0.5s 三个时刻（中轴面）surface-(y=0)的平面相 图。随时间延长，在喷淋孔所在水平面，孔口出流沿水平方向浸润延伸相当明显， 且外围弧线光滑。在流动下端，滴状显而易见。在孔口处，亦出现水柱拉断现象， 这是因为在流量 q 一定，且有重力加速度作用的情况下，下落速度 v 越来越大，则 截面积 a 越来越小；截面积 a 小到一定程度时，在表面张力作用下，水柱被拉断， 单个柱体高度减小，单个柱体表面积得以最小化，所以呈现出柱状流向滴状流过渡 的现象。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 20 图 2-11 flow time=0.30.5s 时（中轴面）surface-(y=0)相图 2.4 本章小结 本章叙述了在大型空调系统中，降膜冷水机组的核心部件水平管降膜蒸发器的 工作原理。介绍了边界层坐标系下的单管数学模型、降膜 re 数和液膜厚