（工程热物理专业论文）制冷系统水平强化管外降膜蒸发特性的实验研究.pdf

摘要 随着当前环境问题的日益加重，制冷剂的替代已经成为研究热点，我国是制 冷大国，常规制冷剂的生产量与消费量基数大，而当前新型制冷剂的开发还未成 熟，在短时间内实现完全替代不切实际，为此，减量延续技术的提出能够在当前 很好的弥补替代技术，在逐步减少常规制冷剂使用量的同时，大力开发替代技术。 通过调研发现，在大型冷水机组中，采用降膜蒸发器比目前广泛应用的满液 蒸发器可减少3 0 的充灌量，因此，降膜蒸发器的开发可以作为减量延续技术的 主要内容。 本文在减量延续技术的基础上，对水平管外满液蒸发与降膜蒸发的换热特性 进行了理论分析与实验研究。通过对建立的满液蒸发换热模型进行求解得知，满 液蒸发管外换热系数随蒸发温度、热流密度的增加而增大，并且本文所得实验数 据与r i b a t s k i 公式比较接近；极坐标下，对水平管外降膜蒸发液膜厚度模型的求 解得知，管外制冷剂液膜厚度随角度呈现出先减小后增大的趋势，且液膜厚度随 液膜雷诺数的增大而增加，并且增加幅度越来越小。 对三根强化管t j x 一2 、t d r 、锯齿管在单管试验台上分别进行了满液蒸发与 降膜蒸发实验，得出：强化管外满液蒸发换热系数随热流密度的增加而增大，且 多孔结构密度越大，管外换热系数越高：强化管外降膜蒸发换热系数不仅与热流 密度有关，还取决于喷淋量，在一定的热流密度范围内，存在一与整套设备相适 应的最佳喷淋量，降膜蒸发换热系数是管外多孔结构密度与强化结构密度的综合 表现，多孔结构密度与强化结构密度越高，换热系数也就越高。 最后对本试验台设计了水平管束式降膜蒸发器，并对管排式布液器进行了分 析与计算，得出：当布液器的尺寸为d = 2 0 m m 、h = 2 5 m m 时，喷淋不均匀度和 喷淋孔平均出口流速都相对比较小，综合性能高；喷淋管内的静压随着孔数的增 加呈现出先增大后减小的趋势，并且在增大段，静压增加的幅度依次减小，在减 小段，静压减小的幅度依次增大。 关键词：减量延续满液蒸发降膜蒸发强化管 a b s t r a c t s u b s t i t u t eo fh c f cr e f r i g e r a n t s i sab i gi s s u eb e c a u s eo fs e r i o u s g l o b a l e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h ea m o u n to f p r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o n o ft h e c o n v e n t i o n a lr e f r i g e r a n t s ，h c f c s ，i sv e r yh u g ei no u rc o u n t r y i ti s i m p r a c t i c a lt o r e p l a c eh c f cr e f r i g e r a n t s i nas h o r tt i m e ，p a r t i c u l a r l yt h ed e v e l o p m e n to fn e w r e f r i g e r a n t sh a sn o ty e tb eu t i l i z e dw e l li np r a c t i c e ，t h e r e f o r e ，t h ed e c r e a s i n g & t e c h n o l o g yc a nb ea so n eo ft h es u b s t i t u t et e c h n o l o g i e st od e c r e a s et h ec o n s u m p t i o n o fc o n v e n t i o n a lr e f r i g e r a n t si n c u r r e n t ，w h il eo t h e rs u b s t i t u t et e c h n o l o g i e sc a nb e d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，t h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o na p p l i e di nl a r g e s i z e d h e a tp u m ps y s t e m sr e d u c e sr e f r i g e r a n t c h a r g eb y3 0 c o m p a r e dw i t ht h es y s t e m w i d e l yu s i n gf l o o d e de v a p o r a t i o n s ot h ed e v e l o p m e n to f f a l l i n gf i l me v a p o r a t o ri sa m a j o ra s p e c to ft h ed e c r e a s i n g & t e c h n o l o g y b a s e do nt h ed e c r e a s i n g & t e c h n o l o g y ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x d e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h ef l o o d e de v a p o r a t i o na n df a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no fh o r i z o n t a l t u b e sh a sb e e nc o n d u c t e di n t h i ss t u d y t h eh e a tt r a n s f e rm o d e l so ff l o o d e d e v a p o r a t i o nw e r ep r e s e n t e dt op r e d i c tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n dt h ep r e d i c t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to ff l o o d e de v a p o r a t i o no nt u b e s i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n gs a t u r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u x ：r i b a t s k i c o r r e l a t i o n sp r e d i c t e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fo u r sw e l li nt h i ss t u d y m o r e o v e r t h e l i q u i df i l mt h i c k n e s sm o d e l so ft h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o no fh o r i z o n t a it u b e sb v p o l a rc o o r d i n a t ew e r eu s e da n da st h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h el i q u i df i l mt h i c k n e s so f r e f r i g e r a n t so nt u b e sd e c r e a s ef i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s ew i t ht h ea n g l ea n di n c r e a s e m o r ea n dm o r es l o w l yw i t ht h el i q u i df i l mr e y n o l d s e x p e r i m e n t so ff l o o d e de v a p o r a t i o na n df a l l i n gf i l me v a p o r a t i o nw e r ec o n d u c t e d i nt h r e et y p e so fe n h a n c e ds i n g l et u b e s ：t j x - 2 、t d ra n ds e r r a t e dt u b e s i ti s n o t e d t h a tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ff l o o d e de v a p o r a t i o no ne n h a n c e dt u b e si s h i g ha ta h i g hh e a tf l u xa n da tah i g hd e n s i t yo fp o r o u ss t r u c t u r e t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t o ff a l l i n gf i l m e v a p o r a t i o no ne n h a n c e dt u b e sd e p e n d so ns p r a ym a s sf l o wr a t e b e s i d e sh e a tf l u x t h e r ei sa no p t i m a ls p r a ym a s sf l o wr a t ew h i c hi s a p p r o p r i a t ef o r t h e s y s t e ma tar a n g eo fh e a tf l u x t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ff a l l i n gf i l m e v a p o r a t i o nd e p e n d so n b o t ht h ed e n s i t yo fp o r o u ss t r u c t u r ea n dt h ed e n s i t yo f e n h a n c e ds t r u c t u r ea n di n c r e a s e sw i t ht h e m f i n a l l y ，ah o r i z o n t a lt u b eb u n d l ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o rw a sd e s i g n e df o rt h e e x p e r i m e n ta p p a r a t u si nt h i ss t u d y a n dt h el i q u i dd i s t r i b u t o ro ft u b eb u n d l es t y l ew a s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h el i q u i dd i s t r i b u t o rs i z ew a s d = 2 0 m ma n dh = 2 5 r a m ，t h es p r a yh e t e r o g e n e o u sd e g r e ea n dt h em e a no u t e rv e l o c i t y o ft h es p r a yh o l ew e r er e l a t i v e l ys m a l l e ra n dt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ew a s b e r e r t h es t a t i cp r e s s u r ei nt h es p r a yt u b ei n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fs p r a yh o l e k e yw o r d s ：d e c r e a s i n g & t e c h n o l o g y , f l o o d e de v a p o r a t i o n f a l l i n gf i l m e v a p o r a t i o n ，e n h a n c e dt u b e s 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一旱三百比 制冷空调行业中制冷剂的发展经历了c f c s ( 氯氟烃) 、h c f c s ( 氢氯氟烃) 、 h f c s ( 氢氟烃) ，最后为近自然工质或自然工质的发展过程，c f c 表示碳氢化合 物中的氢原子完全被氯、氟原子置换，h c f c s 表示氢原子部分被氯、氟原子所 置换，h f c s 表示氢原子只有一部分被氟原子所置换，且不含有氯原子，而近自 然工质只含有少量的氟原子。由于臭氧层的破环和温室效应等一系列的环境问 题，联合国环境规划署( u n e p ) 于1 9 8 7 年9 月在加拿大蒙特利尔召开了保护臭 氧层的国际会议，并通过了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协议书，该协议 书提出要控制8 种c f c 类物质，即c f c 1 l 、c f c 1 2 、c f c 1 1 3 、c f c 11 4 、c f c 11 5 、 h a l o n 1 2 l l 、h a l o n 一1 3 0 l 和h a l o n - 2 4 0 2 ，随后在蒙特利尔协议书的基础上提出了 多个修正案，不仅将h f c s 并入淘汰行列，还对缔约国受控物质控制进程提出了 具体要求：规定发达国家应于1 9 9 6 年1 月1 日起百分之百禁止生产和使用c f c s ， 2 0 2 0 年全面废止h c f c s 类物质，发展中国家应从2 0 1 0 年起全面停止生产和消 费c f c s ，并在2 0 3 0 年全面停止h c f c s 的使用。1 9 9 7 年的京都议定书开始 以法规的形式限制温室气体的排放，2 0 0 7 年蒙特利尔议定书第19 届大会上 规定：对于发展中国家，将2 0 1 3 年r 2 2 等h c f c s 的消费与生产水平冻结为基 准水平，消减进度为：2 0 1 5 年消减1 0 ，2 0 2 0 年消减3 5 ，2 0 2 5 年消减6 7 5 ， 2 0 3 0 年完全淘汰但保留2 5 的维修量。虽然2 0 0 9 年1 2 月召开的哥本哈根气候 大会没有达成具有法律约束力的协议，但全球气候问题已经刻不容缓【卜2 1 。 图1 1h c f c s 制冷剂消减进度图【3 第一章绪论 当前，制冷剂的替代主要针对r 2 2 和r 1 3 4 a ，对于制冷剂r 2 2 ，前期替代品 为r 4 1 0 a ，虽然r 4 1 0 a 具有单位容积制冷量较大、传热性能及流动性能较好等 优点，但同温度下的压力值比r 2 2 高出约6 0 ，同时具有较高的g w p 值，为 此r 2 2 的替代开始转向r 2 9 0 、r 3 2 、n h 3 和r 1 6 1 等低g w p 的制冷剂。其中， 替代品r 3 2 的研究居多，r 3 2 价格便宜，o d p 为零，g w p 值为6 7 5 ，单位制冷 量为r 2 2 的1 5 倍，充灌量也仅为r 2 2 机组的6 0 ，所以相同制冷量下相对于 r 2 2 的g w p 减排比例达到了7 7 6 ，综合环境性能较好【3j 。 表1 - 1r 3 2 与r 2 2 空气源热泵机组性能对比【4 】 工况制冷剂制冷( 热) 量功率l ( wc o p 充灌量k g i ( w 名义制冷 i 也21 9 66 82 8 88 r 3 22 1 6 67 2 l3 0 05 2 r 3 2 相对r 2 2 1 0 5 6 0 4 2 3 5 名义制热 r 2 22 1 47 32 9 38 r 3 22 3 77 7 13 0 75 2 r 3 2 相对r 2 21 0 7 5 6 4 8 3 5 对于制冷剂r 1 3 4 a 的替代，主要围绕r 1 2 3 4 y f 、r 1 2 3 4 z e 、c 0 2 及r 1 5 2 a 展 开。其中r 1 2 3 4 y f 禾dr 1 2 3 4 z e 具有与r 1 3 4 a 相近的制冷性能，r 1 2 3 4 y f 可以直接 充注于r 1 3 4 a 的汽车空调系统，且两者能效水平相当，其中r 1 2 3 4 y f 具有极好的 环境性能，o d p 为0 ，g w p 值为4 ，全生命周期碳排放低。与r 1 3 4 a 相比，两 者毒性相当，也具有较好的循环性能。但该物质明显的缺点之一是它具有可燃性。 表1 - 2r 1 2 3 4 y f - 与r 1 2 3 4 z e 的基本参数【4 】 制冷剂r 2 2r 1 3 4 a r 1 2 3 4 y f r 1 2 3 4 z e 相对分子质量 8 6 51 0 21 1 41 1 4 o d p0 0 5 5000 g w p1 8 1 01 4 3 046 大气寿命 11 8 年 4 4 年 l l 天1 8 天 安全性分类 a la la 2 la 1 1 2 减量延续技术 我国是制冷大国，是世界上最大的h c f c s 物质生产国和消费国，据统计， 2 0 0 7 年我国h c f c s 物质的产量占到全球的7 0 左右，消费量占到全球的5 0 左 第一章绪论 右【5 j 。对于h c f c s 类制冷剂，在我国现有制冷剂的基数上要求立刻更替是不切 实际的，应按相关法规有序消减，在大力研发替代品的同时，对h c f c s 制冷剂 仍要削减性地延续使用，也即减量延续技术，这与替代技术互为补充。减量延续 技术即在现有制冷设备上，通过系统优化和设计新型装置，在不减少系统制冷量， 甚至有所增加的基础上，减少制冷剂的充灌量。基于目前我国制冷行业面临着巨 大压力的条件下，减量延续技术的提出，将具有重要的现实意义，这既对于我国 制冷产业在过渡时期的发展起着重要的保护作用，又能很好地履行环境保护的国 际义务，减轻西方对中国h c f c s 问题的压力】。 通过统计分析可知，在相同换热面积下，对于大型制冷设备，采用降膜式蒸 发器代替满液式蒸发器，其充灌量要少3 0 ，目前在我国中大型冷水热泵机组中， 大部分都在使用满液式蒸发器，如果未来替换为降膜式蒸发器，则能够在不减少 制冷量的前提下，大大节省制冷剂的使用量。 1 3 本课题的研究内容及意义 本课题基于以上背景，开展水平管外满液蒸发与降膜蒸发的实验研究，着重 研究强化管外满液蒸发与降膜蒸发的换热特性，主要研究内容包括： 1 ) 水平管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析。通过对强化管外满液蒸发国内外 的研究进展分析，建立换热模型，在不同参数条件下对换热模型进行求解， 并与实验数据对比； 2 ) 简要叙述强化管外降膜蒸发的研究进展，对降膜蒸发的影响因素进行分析， 建立极坐标条件下的管外液膜厚度模型，并进行求解； 3 ) 水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的实验研究。对三种不同外表面结构和管 径的强化管分别进行满液蒸发与降膜蒸发实验，以光管实验数据为基础，分 析换热管外表面结构对换热的影响。 本课题在减量延续技术的指导下，通过对满液蒸发与降膜蒸发的性能分析， 探求两者的换热机理与为推广减量延续技术打下基础。 1 4 本章小结 本章首先对课题的背景进行了研究，在当前严峻的环境压力下，制冷剂的替 代已经刻不容缓，减量延续技术可以作为当前形式下对替代技术的补充，而经统 计，在大型冷水机组中，水平管降膜蒸发器对节省制冷剂的用量存在较大的潜力。 进而提出了本课题的研究内容和重要意义。 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 在进行满液蒸发与降膜蒸发时，随热流密度的变化，管外制冷剂都会呈现出 经自然对流或表面蒸发到核态沸腾蒸发的过程，但因蒸发方式的不同，达到不同 状态时的热流密度可能会不同。很明显，不论是哪种形式的蒸发，沸腾蒸发时的 换热系数肯定大于表面蒸发时的值，在实际中，应尽可能的使换热管外的制冷剂 处于沸腾蒸发。 在上世纪六七十年代，由于能源危机的爆发，节能意识的深入人心，使得强 化换热技术越来越受到人们的重视，大量的商用强化管也是在这个时期应运而 生，这一时期，人们对这些新产品的强化效果作了大量的实验研究，对强化管的 研究进入到一个高峰期。近年来，伴随着制冷剂的替代和能源危机的进一步恶化， 新型强化管的开发及各类型强化管在新型制冷剂中的强化效果成为了研究的重 点，势必会把对强化管的研究推向另一个高峰。 本章将对水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发时沸腾换热的一些机理性问题 进行探讨与分析。为后续实验提供理论指导。 2 1 满液蒸发沸腾换热理论分析 加热表面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾，也即 池沸腾。沸腾产生的汽泡能够自由浮升，穿过自由表面进入容器上空的汽空间。 目前研究强化管外制冷剂沸腾现象的文献大部分都是以池沸腾的形式来进行的， 因为在进行池沸腾时，液态制冷剂不发生流动，此时的沸腾可以认为是静态沸腾， 当然这里的静态是相对于流动沸腾来说的，静态沸腾要比动态沸腾容易观察其现 象，容易捕捉汽泡的活动，运行工况安全。 由于沸腾换热机理复杂、过程剧烈，具有不同于单相流体换热的特征，导致 关于沸腾换热的研究起步比较晚，进而其强化技术的研究开展的也比较迟。早在 2 0 世纪3 0 年代，著名传热学家j a k o b 曾经对在喷沙、刻划浅槽表面上的沸腾换 热作了研究，虽然这种表面能使核沸腾传热得到强化，但强化效果只能维持一天 或几天。直到1 9 5 5 年，才开始有人重新研究粗糙表面对于强化沸腾的作用【6 】。 特别是2 0 世纪5 0 年代末关于汽化核心首先是在表面上的一些小凹坑上形成这一 基本观点的确立，使得1 9 7 3 年能源危机爆发以后，强化传热技术越来越受到人 们的重视，关于功能表面强化沸腾换热的研究全面开展起来。 4 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 2 1 1 几种类型的功能强化管 所谓功能表面是指人工强化了的表面，旨在在较低的过热度条件下达到沸 腾，并且增加沸腾时的汽化核心数量。理论分析和实验证明，表面具有内凹坑或 微小孔口及窄缝的结构最容易产生汽化核心，因而强化沸腾换热的基本方法就是 在壁面上加工出各种凹坑【7 i 。下面将介绍一下目前常用的功能表面管。 1 ) 表面多孔管 在普通金属管表面上敷上一层多孔金属层，形成表面多孔管，因为表面上有 很多的小孔，所以在沸腾时能够形成很多的汽化核心，大大降低了液体沸腾汽化 所需的过热温度，能够显著的强化沸腾换热。多孔管具有以下性能：能显著的 强化沸腾换热，多孔管的沸腾换热系数可比光滑管提高2 7 倍【7 】。可以在很小的 温差下维持沸腾( 几分之一度) ，从而大大减少传热的不可逆损失；多孔表面管 的临界热负荷比普通管高很纠8 | 。 制造表面多孔层的方法有很多，主要有：烧结法、火焰喷涂法、电镀法及机 械加工法等。目前己投入规模生产的方法主要是烧结法和机械加工法。 a ) 烧结法 烧结法是指在光滑的金属管基体表面上镀、涂含有金属颗粒的粘合剂，当镀 层达到理想厚度时，将其表面晾干，然后将干燥后的表面放置烧结炉内用高温火 焰灼烧，使温度升高到能够将金属颗粒溶化并且使粘合剂气化挥发，这样金属颗 粒就和金属管基体烧结为一体，在基体表面上形成一层多孑l 金属层。 烧结型表面多孔材料的研究始于1 9 5 6 年8 月，美国人m i l t o n 进行了烧结多 孔薄层应用于各类换热机构的研究，并于1 9 6 8 年申请了烧结型表面多孔材料方 面的第1 个专利【9 | 。烧结表面多孔管中的代表一h i g h f l u x ( 高流热管) ，是美 国联合碳化物公司在2 0 世纪6 0 年代的末期首先推出并最早商品生产的强化沸腾 管。多孔层的厚度一般要求在0 2 5 一l m m 之间，孔隙率5 0 6 5 ，孔径1 1 5 0 r a m 之剧引。烧结型表面多孔管的传热系数比普通光管的传热系数至少提高1 0 倍【10 1 。 1 霄，| j ! 伴2 烧结多4 l i , 3 内凹穴4 气泡5 液体 图2 1 金属粉末烧结多孔表面示意图( h f ) 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 b ) 机械加工法 机械加工表面多孑l 管是用机械加工的方法在金属管壁上开出不同形状的孔。 一般常用的机械加工法有：用特殊设计的刀具在专用机床上直接对金属管外表面 进行加工，这种方法可加工出各种形状的翘片、小孔隙及各种形状的螺旋形隧道； 用轧制或滚压法在金属管外表面进行直接加工，这种方法可加工出具有低螺纹形 翅片、低肋形翅片或各种形状的表面花纹管5 1 。下面列举几种常见的商用机械加 工表面多孔管。 g e w a t ( t 型肋片管) 在8 0 年代早期由西德的w i e l a n d w e r k ea g 公司生产了t 型肋片管，其商品名称是g e w a t 。 将肋片管经过机械加压把肋片顶部压成t 型，在 管外形成凹槽。其强化沸腾换热的机理就在于管 外存在内扩展的凹腔，凹腔将作为稳定的汽化核 心，而且起沸时的壁面过热度较光管降低很多。 与常用的低翅片管相比，传热系数约提高3 0 f7 1 。 t u r b o 系列管 图2 2g e w a t 示意图 t u r b o b 管是美国w o l v e r i n e 公司研发的一种高效蒸发管，t u r b o b 管在结构 上具有t 形结构表面，它是一种管子内外都强化的高效管，管外有环形微小槽道， 上面开有缝或孔，小孔的密度可达每平方厘米3 0 0 4 0 0 个。管内均是滚轧出的与 轴线成一定角度的螺旋槽，在管壁内形成了凸出的螺旋线。对r 1 3 4 a 的沸腾实验 表明，t u r b o b 管的总换热系数是光管的3 5 倒7 1 。根据管外功能表面结构的不 同，t u r b o b 管又可分为t u r b o bi i 管和t u r b o b i i i 管。 图2 3t u r b o b 、t u r b o bi i 管的实物图 t h e r m o e x c e l e 管( 日立e 管) t h e r m o e x c e l e 管是2 0 世纪7 0 年代后期由日本的日立公司开发的一种 机械加工表面强化管。加工过程是先在管表面加工出螺旋状翅片，再把薄翅片压 平，将沟槽封住，压倒的翅片下是细窄的环形通道。 6 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 日立e 管具有独特的表面结构，在其表 面下有环形坑道并有许多小孔与外面相通。 坑道内的蒸汽以汽泡的形式离开，但在坑道 里总是遗留有少量蒸汽作为汽核。因此可使 沸腾连续。从强化效果上看，日立e 管的传 热性能同h f 管相似，同光滑管相比，同样热 流量时日立e 管所需过热度大约只有光滑管 的1 1 0 左右【10 1 。 e c r 4 0 管 2 0 世纪8 0 年代，日本的古河公司通过机 械加工手段，先在管子表面上加工成螺旋状肋 片，然后再加压，在肋片管外侧表面形成双重 凹陷多孔结构的表面增强型肋片管，称为 e c r 4 0 管。 c ) 火焰喷涂法 图2 4 日立e 管的表面结构 图2 5e c r 4 0 管示意图 1 9 7 5 年，美国盖茨橡胶公司的d a h l 等人采用火焰喷涂技术实现了在管材和 板材上覆盖金属多子l 层。其方法是将具有 较高结合强度的镍包铝复合粉末，利用特 定的火焰喷涂枪通过氧乙炔火焰高速地喷 射到经严格处理且预热过的基体管子外表 面上，使复合粉末与基体表面冶金结合成 较牢固的结合层。然后喷涂配好的铝粉和 辅助造孔的高分子材料添加剂，控制火焰 温度，烧掉多余的添加剂，这样即可得到 具有较高孔隙率的金属多孔涂层【11 | 。 2 ) 螺旋槽管 螺旋槽管是用滚轧冷加工的方法， 在管壁上加工出各种不同外凹内凸结 构的螺旋形槽的异形管。自1 9 6 6 年由 美国橡树岭国立实验室的l a w s o n 等人 发表了第一篇有关螺旋槽管的研究报 告以来，这种管子引起了广泛地重视， 目前在单相流体流动、管内沸腾和管外 图2 - 6 火焰喷涂法加工的多 孔表面( c s b c ) 示意图 图2 - 8 螺纹槽管示意图 冷凝换热中有着广泛应用【12 1 。在2 0 世纪7 0 年代螺旋管也用于强化沸腾换热。其 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 管外沸腾换热系数比光管高4 0 左右【7 1 。尽管其强化效果不o d _ k 述管型，但因其 加工方便，成本低等优点，在海水淡化、船舶制冷等工业部门得到广泛应用。螺 旋槽管的管内传热系数是光滑管的1 5 2 0 倍，管外传热系数大约为光滑管的1 5 倍，整体传热性能较光滑管提高2 4 倍。 2 1 2 强化管外池沸腾的研究现状 以上所列举的各种强化管均在实际中得到了广泛应用，强化管的类型不同， 最适宜应用的场合也不同，对于同一种管型，又因强化表面的结构不同，包括多 孔层的厚度、多孔密度、孔型、孔大小等，其沸腾剧烈程度或成核现象不同。更 多的学者对这一方面进行了大量的研究。 g r i f f i t h 与w a l l i s 1 4 】指出空穴的口径决定了开始沸腾时的过热度，而形状决定 了沸腾开始后的稳定性；m a r t o 等人5 】对g e w a t 管进行了研究，指出间隙宽 度为0 2 5 m m 时换热性能最优，且最优间隙宽度与热流密度无关；m e m o r y 等人 16 】证明，对于工质r l l 4 ，翅片管池沸腾时的换热系数是光滑管的3 4 倍，而带 有凹角空穴的换热管强化程度可达到1 0 以上；刘文毅等 1 7 】对光管和日立e 管在 替代制冷剂r 1 2 3 中的沸腾换热作了实验研究。得出强化管的强化倍率为 4 5 6 4 1 8 ，且在低热流密度下强化效果较好；刘启斌掣1 8 】以r 1 2 3 为工质，对 t u r b o b 管和改进的t u r b o b 型管进行了实验研究，改进的t u r b o b 管的外肋呈 ”型，得出改进型管的换热性能较好；刘贞贞与赵镇南【l9 】以水和乙醇为介质， 对具有不同开口度的机械加工表面强化管进行了实验研究，得出开口度为o 3 m m 时最佳；杨光耀等【2 0 j 以r 1 3 4 a 为工质，研究了单位长度管外翅片的数量、外翅 滚切压溃后形成的孔穴形状、密度、开口大小、均匀程度对管外换热的影响，指 出增加蒸发管外单位长度的翅片数量、外翅滚切后压溃形成的孔穴密度，可提高 其综合换热性能；同时，外翅滚切压溃后形成的孔穴形状、开口大小、均匀程度 对管外换热也有较大影响等；段芮等【2 l j 以r 2 2 为工质，对管外为e c r 4 0 结构的 换热管进行了研究，指出主翅齿高、内翅螺旋角大的换热管较其他管由于增大了 总传热面积，表面增加了更多的凹陷即增加了气化核心数量，其换热系数也有所 增加等。 由以上文献我们可以得知：对于同种制冷剂，强化管较光管、低翅管能够较 大幅度的提高沸腾侧换热系数，但由于强化管外表面结构的复杂性，不同尺寸与 密度的管外结构，其强化倍率也会有所不同，因此目前很难用统一的换热关联式 来进行表述，目前虽然部分学者已经得出有借鉴性意义的结论，但对于不用操作 条件或应用场合，其结果也可能会不同，可重复性差。当前随着制冷剂替代任务 的严峻性，也提出了很多用于替代的新型制冷剂，虽然新型制冷剂在对环境的影 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 响上较常规制冷剂具有环境友好性，但在强化管外的沸腾换热不见得优于常规制 冷剂，这跟制冷剂的物性有关，应进一步强化外表面或者开发新型强化管。 2 1 3 满液蒸发换热计算 为了探究换热管外进行满液蒸发或池沸腾换热时，换热性能随制冷剂物性或 外界参数的变化，为此建立满液蒸发的理论模型，如下所述： 1 ) 管内水侧换热模型 换热管外进行满液蒸发时，管内冷冻水通过管壁将热量传递给管外制冷剂， 使其开始蒸发，管内换热系数公式选用格尼林斯基公式【2 2 1 ： r r e - 1 0 0 0 ) p r 红：c 兰l 二_ 1 一 (21)i “7 1 + 1 2 7 f 上12 ( p r3 一1 ) 式中：为光管的达西摩擦系数，表达式为：= ( 0 7 9 1 n r e 1 6 4 ) ；c 为强化系数， 对于不同管内强化结构，其值有所不同，需经实验来测定，光滑管时为l 。 2 ) 管外蒸发换热模型 对于制冷剂侧换热系数，n i s h i k a w a 等 2 3 1 以r 1 3 4 a 为工质进行试验后，提出： h o - 筹嘛02 ( 1 刊南9 0 8 2 ， 式中：p 。、疋为临界压力与临界温度；如为表面粗糙度( d i n4 7 6 2 1 ：1 9 6 0 ，为轮 廓的最大峰高) ；p ，为对比压力，是工况压力与临界压力的比值：q 为热流密度： m 为工质相对分子质量。 c o o p e r 2 4 1 提出的管外沸腾换热关联式为： = 唧o6 7 1 2 - n 2 1 0 鼬( 一l o g p ，) 删m - 0 5 ( 2 3 ) 式中：c 为经验常数，当换热管为铜管时c = 9 5 ，当为不锈钢管时，c = 5 5 ；其他 变量同上。 r i b a t s k i 2 5 j 等人通过对多种制冷剂( r l1 、r 1 2 、r 2 2 、r 1 2 3 、r 1 3 4 a ) 在对 比压力为0 0 0 8 0 。2 6 的范围内进行了池沸腾换热实验，研究了壁体材料和表面粗 糙度对核态池沸腾换热的影响( 铜、黄铜、不锈钢三种材料，平均表面粗糙度的 范围为0 0 2 3 3 微米) ，提出了以下关联式： h o = = l q “所o4 5 ( 一l 0 9 1 0 p ，) - o8 0 r a o2 m 却5 m = 0 9 0 3 2 ( 2 4 ) 式中： 表示材料表面参数，f v = 1 0 0 ( 铜管) ，a = 8 5 ( 不锈钢管) ， = 1 1 0 ( 黄铜 管) ；r 。为表面粗糙度( i s 0 4 2 8 7 1 ：1 9 8 4 ，为管外轮廓的算术平均偏差) 。 9 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 文献2 6 中指出，使用c o o p e r 公式会使实验数据的预测值过高，这主要是由 于目前的资料评价或预测是基于表面粗糙度砌，而c o o p e r 公式是基于表面粗糙 度如，两种表面粗糙度是基于两个不同的国际标准，g o r e n f l o 2 7 1 提出了以下转换 关联式得到了广泛应用。 r a = 0 4 r ，) ( 2 - 5 ) r i b a t s k i 2 5 】对1 0 个不同领域的1 0 种不同的商用铜管样品进行实验，得出平 均表面粗糙度的值为0 6 + 0 2 1 a m ，并将表面粗糙度带入式2 4 并与w e b b 和p a i s 2 8 的实验数据进行对比，其吻合度在2 0 以内；g h e r h a r d tr i b a t s k i 和j o h nr t h o m e 2 9 以r 1 3 4 a 为工质对t u r b o c s l 、g e w a b 、t u r b o b i ih p 三种强化管外的池沸腾换 热进行了研究，并与r 口= 0 6 j t m 时的式( 2 - 4 ) 进行了对比，其结果具有一定的 吻合度。因此，为了方便后面计算，我们可以取强化管外的表面粗糙度r a = o 6 u m 。 因此，可得总传热系数为： 肛i 矿蒜 q 。6 h od lh ?九d t 式中：r w 为污垢热阻，由于实验中应用的换热管为新铜管，且安装前用丙酮清 洗，本文将此项忽略。 3 ) 计算结果与分析 我们以r 1 3 4 a 为工质，换热管为1 8 6 7 x 1 1 6 m m 的紫铜管，表面粗糙度r a = o 6 p r o ，管内冷冻水进口温度为1 2 ，出口为7 ，流速为2 m s ，管内强化系 数为3 6 2 4 。计算结果如下： a ) 管外换热系数随蒸发温度的变化 图2 - 9 为制冷剂侧换热系数随蒸发温度的变化，蒸发温度的范围为1 0 1 0 ， 从图中可以看出，管外换热系数随蒸发温度的增加而增大，这是由于蒸发温度的 增加，使得制冷剂的表面张力下降，形成气泡所需的能量减小，换热管外更多的 凹穴将成为汽化核心，沸腾较容易发生，通过对比各公式可以看出，n i s h i k a w a 公式与c o o p e r 公式比较接近，而r i b a t s k i 公式所得换热系数较小。 i o 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 图2 - 9 管外换热系数随蒸发温度的变化 b ) 管外换热系数随热流密度的变化 图2 1 0 为管外换热系数随热流密度的变化，此时蒸发温度固定为6 ，热流 密度为1 0 - 6 0 k w m 2 ，从图中可以看出，管外换热系数随热流密度的增加而增大， 这是由于热流密度的增加，使得换热管的壁面温度增大，进而换热管壁面与制冷 剂之间的过热度增大，使得更多的潜在汽化核心开始活化，沸腾现象更加剧烈， 因而换热系数有所提高。图2 1 0 中还将部分实验数据与己知关联式进行了对比， 可以看出，实验数据的结果与r i b a t s k i 公式比较接近，由于r i b a t s k i 公式是专门 针对卤代制冷剂而提出的，因此可以证明本次试验所得数据的可靠性。 图2 - 1 0 管外换热系数随热流密度的变化 c ) 总传热系数的变化 图2 1 1 、2 一1 2 为总换热系数随蒸发温度、热流密度的变化，其情况与管外换 热系数的变化相同，这是由于管内换热情况保持不变，总换热系数主要受管外换 热系数的影响。 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 图2 11 总换热系数随蒸发温度的变化 图2 1 2 总传热系数随热流密度的变化 2 2 降膜蒸发换热理论分析 早在1 8 4 8 年，人们就已经开发出水平管束降液膜换热器，1 8 8 8 注册了降膜 蒸发器的专利。但随后的研究比较少，直至1 9 7 0 年，随着能源危机的爆发、多 效降膜蒸发器的开发和新的节能技术的应用等，使得降膜蒸发器的研究活跃起 来。1 9 9 0 年以前，水平管降膜蒸发的应用仅局限于海洋热能转化系统、医药卫 生、化工等领域，实际上是作为一种冷凝器来使用，也可以说成是一种水平管降 膜蒸发技术的应用。直到1 9 9 0 年以后c f c 制冷剂被逐步禁用才再次引起了人们 的关注，并在制冷系统上开始应用 3 0 - 3 2 j 。 第二章水平强化管外满液蒸发与降膜蒸发的理论分析 蒸气出口 布i 蠢器、 排气通道 o o o o o o o o o o oo o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 制冷剂入口 、蒸发管 l 三= 2 汹擒秉统 图2 1 3 水平管降膜蒸发器原理图 水平管降膜蒸发是由相对低的温度驱动力或相对低的热流量在水平管外壁 面上引起的表面蒸发。在降膜蒸发过程中，液体在水平管外壁面上布成膜状，没 有液体静压和过热区的影响，这样可以减小蒸发的有效驱动温度。由于在管外布 成的液膜比较薄，属于薄膜蒸发过程，同时因为薄膜的流动有利于蒸汽与液相尽 快分离，所以管外降膜的传热系数比较高，并且随着热流量的增加和驱动温度的 升高，传热系数还会进一步增大。同时，由于可以实现在较小温差下进行传热， 表面过热度下降，管表面的结垢情况也得以改善 3 3 】。 制冷系统用的水平管降膜蒸发器与常用的满液式蒸发器相比具有很大的优 势。主要表现在：传热系数高。水平管降膜蒸发器内主发生的是降膜蒸发，属 于薄膜蒸发，即节流后的制冷剂从蒸发器顶部的喷淋装置喷射到水平管的外表面 上，并在重力的作用下在管外部绕流成膜，同时吸取管内冷冻水的热量，在管子 的外表面上形成气泡，实现沸腾换热。因为换热过程在一层很薄的、热阻比较小 的液膜上进行，传热的行程短，而且过程剧烈，使得膜侧换热系数大大增加，即 使在传热温差比较小时，传热过程也能够顺利进行，进而提高了整个蒸发器的换 热性能，减小了换热器的体积，节省了成本；制冷剂充灌量少。降膜式蒸发器 可比满液式蒸发器节省3 0 的制冷剂量，即降低了制冷剂的初投入和维护成本， 又降低了制冷剂泄漏几率，使替代制冷剂的选择范围扩大；管外制冷剂流体的 压力降小，并且无由液位产生的静压头。这样使得管外的制冷剂的温差损失小、 沸点稳定，便于参数的控制和实验的操作；良好的回油性。由降膜蒸发的原理 可知，未蒸发的、含油量高的制冷剂液体沿着管壁一直流至蒸发器的底部，如蒸 发器有再循环降膜装置，可使底部的制冷剂含油量进一步提高，可抽取该处