水平管降膜式蒸發(fā)器在冷水機組中的應(yīng)用研究

杜國良 房鎮(zhèn)

摘 要：為研究水平管降膜式蒸發(fā)器在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用效果，以冷水機組為實驗對象，通過ANSYS CFX仿真計算和實驗驗證的方法，對降膜式冷水機組的運行穩(wěn)定性和換熱性能進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明：當(dāng)降膜式冷水機組吸氣擋板孔口流速V1小于5.7 m/s、布液器側(cè)部流速V2小于0.51 m/s時，機組可穩(wěn)定運行，吸氣不帶液;當(dāng)?shù)瘟芸组g距為12 mm時，機組性能達(dá)到最高點。

關(guān)鍵詞：降膜式蒸發(fā)器;冷水機組;性能;ANSYS CFX

0? ? 引言

水平管降膜式蒸發(fā)器利用制冷劑管外蒸發(fā)達(dá)到與管內(nèi)工質(zhì)換熱的目的，即冷媒介質(zhì)在蒸發(fā)管內(nèi)流動，與蒸發(fā)管外流過的制冷劑液體進(jìn)行換熱，使其蒸發(fā)，實現(xiàn)熱量的傳遞。相比滿液式蒸發(fā)器，降膜式蒸發(fā)器具有更高的傳熱系數(shù)，可以減少換熱管數(shù)，從而縮小換熱器體積，節(jié)省成本。此外，降膜式蒸發(fā)器底部液位較低，回油方便[1-3]。

J. R. Thome等[4-5]對降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和換熱過程進(jìn)行了實驗研究，并提出了傳熱系數(shù)的預(yù)測方法。楊培志等[6]采用MATLAB軟件，研究了光管及Turbo-BII管外降膜蒸發(fā)換熱系數(shù)、熱流密度及蒸發(fā)因子等參數(shù)。阮并璐等[7]采用FLUENT兩相流VOF模型，對降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

水平管降膜式蒸發(fā)器在冷水機組中的應(yīng)用存在以下兩個缺點：

（1）影響機組運行的穩(wěn)定性。冷水機組采用降膜式蒸發(fā)器時，高吸氣流速易夾帶液滴，導(dǎo)致壓縮機進(jìn)行濕壓縮，從而折損壽命。

（2）制冷劑分配不均勻影響換熱效率。降膜式蒸發(fā)器滴淋孔間距及制冷劑流量影響換熱管上的液膜分布，滴淋孔間距過大、制冷量過小會導(dǎo)致?lián)Q熱管出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，浪費換熱面積;滴淋孔間距過小、制冷量過大會導(dǎo)致液膜堆積過厚，進(jìn)而影響換熱效果和冷水機組性能。

降膜式蒸發(fā)器核心部件為布液器，筆者以我司開發(fā)的水平管降膜式蒸發(fā)器為研究對象，采用R134a制冷劑，利用ANSYS CFX模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，對不同結(jié)構(gòu)降膜式冷水機組的運行穩(wěn)定性和換熱性能進(jìn)行研究。

1? 水平管降膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)原理

水平管降膜式蒸發(fā)器主要由布液器、氣液分離器、蒸發(fā)管、筒體以及回油管路組件構(gòu)成，如圖1所示。布液器為橫向分層縱向隔段結(jié)構(gòu)，起到均勻布液和氣液分離的作用。節(jié)流后的制冷劑進(jìn)入布液器，氣態(tài)制冷劑通過氣液分離器排出，液態(tài)制冷劑通過布液器底部的滴淋孔均勻滴淋到換熱管上，在換熱管上形成一層流動的液膜，與管內(nèi)的冷水進(jìn)行換熱，制冷劑汽化后被吸入壓縮機完成壓縮循環(huán)。

2? 降膜式冷水機組運行穩(wěn)定性研究

當(dāng)水平管降膜式蒸發(fā)器應(yīng)用于冷水機組中時，機組長時間平穩(wěn)運行的關(guān)鍵是要保證壓縮機吸氣不帶液滴。若壓縮機吸氣帶液，會導(dǎo)致制冷量下降、排氣溫度過低、油分離效果差等后果。吸氣擋板制冷劑氣體流通速度和布液器側(cè)部流速是影響機組是否帶液的重要因素，制冷劑流速過大，易夾帶滴淋液滴形成濕壓縮;制冷劑流速過小，則導(dǎo)致機組殼體較大，成本增高。

2.1? ?降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部ANSYS CFX流場計算

采用常規(guī)理論計算的方法只能計算出吸氣不帶液的孔口平均流速，而在實驗過程中筆者發(fā)現(xiàn)，靠近吸氣口瞬時流速最大，導(dǎo)致帶液，且蒸發(fā)器內(nèi)氣體流場的瞬時速度值很難測得。筆者通過利用ANSYS CFX軟件計算不同流通面積的吸氣擋板流通特性[8-11]，可以更科學(xué)地分析各吸氣孔口流速。以實驗用的降膜式蒸發(fā)器為計算模型，如圖2所示。計算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，邊界條件設(shè)置為蒸發(fā)器進(jìn)口壓力362 kPa、質(zhì)量流量6.6 kg/s，與后續(xù)實驗條件一致。數(shù)學(xué)模型遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒定律。機組吸氣口局部視圖如圖3所示。吸氣擋板上開有20 mm×50 mm的矩形流通孔口和6 mm的圓孔（圓孔位置開在吸氣口附近的吸氣擋板處），通過控制矩形孔口的個數(shù)（52～82個）來控制孔口流速，分別計算不同數(shù)量矩形孔口吸氣擋板的內(nèi)部流場。其中58個矩形孔口吸氣擋板流場云圖如圖4和圖5所示，V1為沿蒸發(fā)器長度方向各吸氣擋板孔口實驗平均流速，V1′為CFX計算瞬時值，V2為沿蒸發(fā)器長度方向布液器側(cè)部實驗平均流速，V2′為CFX計算瞬時值。V1和V2為影響降膜式蒸發(fā)器穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)之一。

如圖5所示，測點V2′與滴淋液體距離最近，抽吸液滴使得吸氣帶液的風(fēng)險最大。由于降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部液滴大小、縱向分布均勻度無法測量，通過ANSYS CFX仿真計算可以提取瞬時流速V1′和 V2′，并通過實際樣機測試，得出不帶液的最大流速。

CFX計算的吸氣擋板孔口瞬時流速V1′如圖6所示，圖中下部為吸氣擋板模型，吸氣擋板孔口A、B、C、D四點的流速測量位置如箭頭所示。壓縮機吸氣口附近的孔口B點流速接近蒸發(fā)器兩端A點流速的6倍，最大值可達(dá)11.5 m/s。D點由于有氣液分離器出氣口，流速比A點和C點大，平均值為8 m/s。通過減少壓縮機吸氣擋板上C點附近面積為6 mm的小圓孔，可有效緩解流速過高問題，流速平均值降為6 m/s，大幅降低了壓縮機吸氣帶液風(fēng)險。

CFX計算的布液器側(cè)部瞬時流速V2′如圖7所示，與圖6相比，流通面積的增大使其流速明顯下降。受壓縮機吸氣口和氣液分離器出氣口的影響，B′點和D′點流速最大約為1.3 m/s，蒸發(fā)器端部A′點和6 mm小圓孔所對應(yīng)的C′點流速最小，約0.3 m/s。V2′流速越低，壓縮機吸氣帶液風(fēng)險越小，但在布液器結(jié)構(gòu)不變的情況下，V2′流速的降低會導(dǎo)致質(zhì)量流量和制冷量的降低。

2.2? ?降膜式蒸發(fā)器吸氣帶液實驗

選用5臺450 RT的降膜冷水機組作為實驗對象，對水平管降膜式蒸發(fā)器進(jìn)行運行穩(wěn)定性實驗研究。各機組質(zhì)量流量相同且不變，通過調(diào)整吸氣擋板孔數(shù)量和布液器結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)V1和V2值，被測試機組如圖8所示。

在冷凝器進(jìn)出水30/35 ℃、蒸發(fā)器進(jìn)出水12/7 ℃的工況下，測試結(jié)果如表1所示。吸氣擋板流通面積越?。ň匦慰卓谠缴伲?，機組吸氣帶液的風(fēng)險越大。當(dāng)測量點處平均流速增加到V1=5.7 m/s、V2=0.51 m/s時，機組開始出現(xiàn)排氣過熱度較低、蒸發(fā)溫度和制冷量降低、吸氣帶液現(xiàn)象。此時，結(jié)合ANSYS CFX計算云圖（圖6、圖7）可知，在此運行條件下，吸氣帶液的吸氣口附近孔口最大瞬時流速為V1′≈11.5 m/s，V2′≈1.2 m/s，當(dāng)瞬時流速小于此數(shù)值時，機組可穩(wěn)定運行。

圖9為吸氣擋板孔口數(shù)量為52個時的實驗情況。在蒸發(fā)器7 ℃出水時，通過視液鏡可清晰看見吸氣帶液現(xiàn)象。因此在設(shè)計初期，應(yīng)根據(jù)制冷劑質(zhì)量流量調(diào)整布液器結(jié)構(gòu)和吸氣擋板矩形孔流通面積（開孔數(shù)量），降低壓縮機附近流場的流速，進(jìn)而降低吸氣帶液風(fēng)險，達(dá)到機組平穩(wěn)運行的目的。

實驗機組運行布液效果如圖10所示，在滴淋孔間距為12 mm、V1=5.0 m/s、V2=0.47 m/s的條件下，制冷劑布液均勻，機組運行穩(wěn)定，且具有較高的傳熱系數(shù)。在此次實驗中，吸氣擋板孔口最佳開孔數(shù)為66個，此時機組運行穩(wěn)定，換熱效率最高。若開孔數(shù)過多，制作工藝的難度和復(fù)雜性也會提高，制作成本將隨之增加。最佳流速設(shè)定后，即確定了吸氣擋板流通面積。由于制作工藝不同，吸氣擋板的孔口尺寸也會有所不同，吸氣擋板的最佳開孔數(shù)會隨著其他參數(shù)的改變而變化。

3? 降膜式冷水機組性能研究

如何將制冷劑均勻地分配到蒸發(fā)管束上，這是水平管降膜式蒸發(fā)器的核心技術(shù)，與機組的性能密切相關(guān)。筆者在最佳吸氣擋板矩形孔口數(shù)的基礎(chǔ)上，通過測量滴淋孔不同間距下的蒸發(fā)壓力和制冷量、COP等數(shù)據(jù)，得出機組最佳性能時滴淋孔間距和液膜分布情況。

按照制冷劑流速的不同，液滴滴到換熱管上共有3種狀態(tài)模式，可用Reynolds數(shù)和Galileo數(shù)表示[8]。

滴狀流：

ReΓ≤0.074GaL0.302

柱狀流：

0.074GaL0.302≤Re?！?.448GaL0.236

膜狀流：

1.448GaL0.236≤ReΓ

式中：ΓL為單位管長一側(cè)流體質(zhì)量流量;μL為動力粘性系數(shù)。

為防止換熱管出現(xiàn)制冷劑干涸或堆積現(xiàn)象，實驗中制冷劑滴淋應(yīng)盡量調(diào)節(jié)至柱狀流狀態(tài)。此外，布液器尺寸和內(nèi)部質(zhì)量流量需合理匹配，使布液器內(nèi)的液體保持層流狀態(tài)，Re≤2 300，以達(dá)到良好氣液分離的效果。

3.1? ?降膜式蒸發(fā)器滴淋孔間距對蒸發(fā)傳熱效果的影響

布液器滴淋孔橫向間距為固定值，等于管間距;而沿管束方向的縱向間距是影響制冷劑分配均勻性的重要因素之一，布液器滴淋孔縱向間距示意圖和實物圖如圖11和圖12所示。

滴淋孔間距過大，部分蒸發(fā)管會出現(xiàn)干涸、干燥現(xiàn)象，從而浪費換熱管面積，導(dǎo)致機組制冷量下降;滴淋孔間距過小，管束上的液膜會堆積加厚，降低傳熱系數(shù)[12-13]。實驗機組采用450 RT降膜螺桿冷水機組，具體實驗工況如表2所示。

3.2? ?不同滴淋孔間距冷水機組性能對比實驗

研究在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下，當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)水量保持一定，蒸發(fā)出水溫度為7 ℃時，不同的滴淋孔間距對機組制冷量、蒸發(fā)溫度、COP及傳熱系數(shù)的影響。部分負(fù)荷取75%、50%和25%三種工況，實驗結(jié)果如圖13—圖16所示。由圖13可知，在滿負(fù)荷工況下，冷水機組的最大制冷量為1 524 kW，為機組額定值的97.1%，最大值出現(xiàn)在滴淋孔間距為12～13 mm處。此外，在滿負(fù)荷工況下，機組最低制冷量出現(xiàn)在滴淋孔間距8 mm處，通過分析可知，此時液膜覆蓋重疊，降低了傳熱系數(shù)。機組在部分負(fù)荷工況下，其制冷量隨滴淋孔間距的變化趨勢同滿負(fù)荷工況下類似，在滴淋孔間距13 mm增大到14 mm時，機組制冷量下降速率較快。

蒸發(fā)溫度隨滴淋孔間距的變化趨勢如圖14所示，滴淋孔間距由8 mm增大到14 mm時，蒸發(fā)溫度呈先升高后降低的趨勢。在部分負(fù)荷為25%，滴淋孔間距為12 mm時，蒸發(fā)溫度最高為5.5 ℃。在其他負(fù)荷工況下，蒸發(fā)溫度最高點也出現(xiàn)在12 mm左右。

機組COP與傳熱系數(shù)變化如圖15和圖16所示。由圖15可知，在各負(fù)荷工況下，冷水機組COP最大值出現(xiàn)在滴淋孔間距11～12 mm處，其中，滿負(fù)荷工況下，COP最大值為5.7。根據(jù)測得的制冷量、對數(shù)傳熱溫差和換熱面積換算出不同工況下的傳熱系數(shù)，如圖16所示。在滿負(fù)荷工況下，機組傳熱系數(shù)為7 865～8 425 W/（m2·K），各負(fù)荷下最大值出現(xiàn)在滴淋孔間距11～12 mm處，同上述COP趨勢相近。

綜上實驗結(jié)論，在滴淋孔間距為12 mm時，液膜分布均勻，蒸發(fā)管不存在干涸或液膜覆蓋的情況，機組能效高。

4? 結(jié)論

通過上文分析，筆者得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)吸氣擋板孔口平均流速增加到V1=5.7 m/s，布液器側(cè)部流速V2=0.51 m/s時，機組開始出現(xiàn)吸氣帶液現(xiàn)象，CFX計算此時最大瞬時流速為V1′≈11.5 m/s，V2′≈1.2 m/s。因此，在設(shè)計初期，應(yīng)充分考慮布液器結(jié)構(gòu)，預(yù)留出寬裕的吸氣空間，這對機組的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

（2）實驗機組在滿負(fù)荷工況下最大制冷量為1 524 kW，可達(dá)到額定值的97.1%，傳熱系數(shù)為8 425 W/（m2·K），COP為5.7，相比滿液式冷水機組，制冷劑充注量減少30%，換熱面積減少25%，優(yōu)勢明顯。

（3）實驗機組性能最高點出現(xiàn)在滴淋孔間距12 mm處，性能最低點出現(xiàn)在滴淋孔間距8 mm處。當(dāng)?shù)瘟芸组g距由8 mm增大到12 mm時，機組性能逐漸提高，此后滴淋孔間距處于12～14 mm時，機組性能快速降低。

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收稿日期：2021-01-20

作者簡介：杜國良（1983—），男，山東汶上人，高級工程師，研究方向：制冷傳熱技術(shù)及冷水機組系統(tǒng)設(shè)計。

房鎮(zhèn)（1985—），男，山東煙臺人，助理工程師，研究方向：冷水機組系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用。