内翅板蒸发式冷凝器降膜流动与传热特性

龚 毅　刘 旭　杨雅浓　吴学红　赵 敏

(郑州轻工业学院能源与动力工程学院　郑州　450002)



内翅板蒸发式冷凝器降膜流动与传热特性

龚 毅刘 旭杨雅浓吴学红赵 敏

(郑州轻工业学院能源与动力工程学院郑州450002)

为了增强蒸发式冷凝器板外气液两相流动与传热，基于数值模拟方法对比分析了几种新型的板片结构，研究了板片构型、喷淋水喷淋密度、空气入口速度等因素对气液两相流流体流动及传热性能的影响。结果表明：半圆波纹板有较长的水膜稳定时间和较大的换热面积，换热性能较好；不同板片结构的蒸发式冷凝器具有不同的最佳喷淋水喷淋密度，最佳喷淋密度区间范围为0.48 ～0.93 kg/(m·s)；空气入口速度一定时，半圆波纹板的壁面温度随喷淋密度增大而增大，气液界面温度随喷淋密度增大而减小；当空气入口速度小于2.5 m/s时，空气入口速度的适当增大能够有效减薄半圆波纹板板外水膜厚度，强化换热。

蒸发式冷凝器；半圆波纹板；喷淋密度；强化换热

蒸发式冷凝器是采用降膜蒸发技术冷凝内部制冷剂的换热器，其换热性能取决于气液两相流流动特性。因此，研究蒸发式冷凝器内部气液两相流的流动特性和影响换热性能的主要因素，对于工程应用具有重大意义。

国内外的研究主要集中于操作条件的改变和主要影响因素对蒸发式冷凝器换热性能的影响。Bolotin S等[1]和Wang T等[2]分析了影响蒸发式冷凝器冷却性能的因素，确定了空调系统中蒸发式冷凝器的应用工况和操作条件。Kabova Y等[3]采用数值方法研究了微通道内的液膜蒸发，分析了气流速度对蒸气浓度和气-液界面的影响。Li Y等[4]研究了波纹板式蒸发式冷凝器板外气液两相流在顺风、逆风时的传热传质情况，模拟并测试了液膜厚度随流量变化情况。Kharangate C R等[5]研究了垂直圆管中水膜的受热蒸发，计算得到了涡流扩散系数、沿着蒸发方向的传热系数、流速以及液膜温度。Monnier H等[6]、Mascarenhas N等[7]分别研究了液膜的特性对水膜蒸发时的动量、热量和质量传递的影响，并分析了气-液界面的波动状况。Gao G等[8]和Haroun Y等[9]分别模拟了不同规整填料和雷诺数下的两相流动过程，并观察了液相流动形态。Ho C-D等[10]模拟计算了降膜反应器中的两相流动，分析了液膜的流体力学特征(包括液膜厚度、速度分布、剪切力和压降等)以及压力、表面张力、液体黏度和气体流量等对液体流量的影响。Albert C等[11]采用 VOF 方法对气-液界面传质进行模拟，分析了液膜参数(液膜厚度、液膜速度等)对传质的影响和传质强化的机制。张建一等[12]分析比较了蒸发式与水冷式冷凝器的循环水量和能耗。王志远等[13]搭建了蒸发式冷凝器传热性能测试实验台，研究了蒸发式冷凝器管外水膜的传热性能，分析了冷却水量和风量对管外水膜传热系数的影响。简弃非等[14-15]和石仲璟等[16]分别搭建了喷淋蒸发板式冷凝器的传热性能的实验平台，研究了空气湿度、板片间距、喷水量和风量等对蒸发式冷凝器板外水和空气侧的传热性能的影响。许松林等[17]应用VOF方法模拟了气液两相并流垂直液膜流动，研究了气液相雷诺数和壁面剪切力对液膜流动的影响，分析比较了不同截面液膜的厚度随时间的变化情况。朱冬生等[18]模拟和实验研究了在板式蒸发式冷凝器气液两相的逆流、并流两种流动形式下喷淋水流量、风速及风向对水膜流动的影响。董俐言等[19]建立了热质交换过程的二维数学模型，分析了板式蒸发式冷凝器中喷淋水温度、空气温度和空气含湿量等参数的分布规律，研究了空气流速、干湿球温度、喷淋密度和冷凝温度对板式蒸发式冷凝器热流密度的影响。现阶段关于板片结构的研究多集中在降膜式蒸发器等化工设备上，而在蒸发式冷凝器的研究中有关板片结构的研究并不多，且多为单一板型结构研究。

本文以课题组开发的国家专利内翅板换热器(CN103913080A)为基础，研究气液两相流动特性以及空气入口速度对换热性能的影响，开发新型的板片结构，并获得不同的板片结构的最佳喷淋密度。图1所示为内翅板换热器结构示意图。

1制冷剂入口 2制冷剂出口 3水槽 4换热板片图1 内翅板换热器示意图Fig.1 Diagram of the internal fin-plate heat exchanger

1 物理与数值模型

1.1 物理模型

本文建立了5种板片结构物理模型，分别为平板(模型一)、45°锯齿板(模型二)、60°锯齿板(模型三)、梯形板(模型四)和半圆波纹板(模型五)。这5种模拟尺寸均为605 mm×420 mm，如图2所示。

图2 五种板片结构示意图Fig.2 Diagram of five kinds of plate patterns

1.2 数学模型和边界条件

依据物理模型，以半圆波纹板为例，建立了二维物理计算模型，如图3所示，喷淋水入口设置为质量流量入口，出口为自由流动出口，空气入口为速度入口，出口为自由流动出口。

图3 计算模型和边界条件Fig.3 The computational model and boundary conditions

1.3 控制方程

模拟采用VOF算法，其相应的控制方程如下：

1)质量守恒方程

(1)

Sm为离散相到连续相的质量源项

2)动量方程

(2)

式中：p为静压；gi为i方向上的重力体积力；Fi为动量源项；τij为应力源项。

3)能量方程

(3)

式中：cp为比热容；T为温度；λ为导热系数。

4)体积分率连续性方程

(4)

其中，

5)物性关系

ρ=αiρi+(1-αi)ρi

(5)

μ=αiμi+(1-αi)μi

(6)

1.4 计算方法

根据气液两相逆流液膜流动不稳定的特点，计算采用了VOF模型、能量方程、可实现k-ε湍流模型；近壁面处采用增强壁面处理方法；压力-速度耦合项采用PISO算法；压力项为Body Force Weighted算法；界面追踪方法采用几何重构技术监测气-液界面位置。各亚松弛因子皆设为0.2，时间步长选取0.000 1 s，考虑重力影响。

计算分2步进行：第一步，设置流场区域为空气，设定喷淋水入口质量流量和较低的空气速度；第二步，待水膜流动稳定后，改变空气速度并设定壁面热流密度，计算空气速度和壁面热流密度对水膜的成型和传热性能的影响。

由于水膜流动的不稳定性，水膜出口质量流量不可能为恒定不变，会随着水膜流动进行上下波动。水膜流动是否达到稳定的判定依据为：液相出口质量流量在单位时间内平均值恒定不变，即可认为达到稳定状态。

2 计算结果及分析

2.1 板片结构对水膜流动的影响

初始条件喷淋密度为0.95 kg/(m·s)，空气入口为0.1 m/s时，对上述5种模型进行模拟分析。图4所示为喷淋水以相同喷淋密度沿不同板片结构流动时的水膜流动云图。表1所示为不同板片结构的换热面积和水膜稳定时间。

图4 水膜流动云图Fig.4 The nephogram of water film flow

模型换热面积/m2水膜稳定时间/s稳定时平均水膜厚度/mm平板0.2540.80.6645°锯齿板0.359无法形成连续水膜无法形成连续水膜69°锯齿板0.2932.31.2梯形板0.2841.91.05半圆波纹板0.3992.361.15

由图4和表1可以发现，虽然喷淋水入口质量流量相同，但由于板片结构不同，水膜在板片上的实际流动行程也不同，这就造成了水膜流动稳定时间的不同。水膜流动稳定时间越长，气液两相接触时间越长，使得传热传质能够更好地进行。在上述5种板片结构中，45°锯齿板水膜流动在0.8 s时有向中心偏移趋势，且水膜流动与板壁处存在空隙，这会严重影响水膜与板内制冷剂之间的换热。而其余4种模型均能够完全润湿壁面，水膜稳定时间依次为0.8 s，1.9 s，2.3 s和2.36 s。综合分析换热面积、水膜稳定时间和水膜平均厚度这几个因素，半圆波纹板为5种模型中最优板片结构。

2.2 不同板片结构下的最佳喷淋密度

喷淋密度决定水膜流动形态和水膜厚度，进而影响蒸发式冷凝器的换热性能。换热板片结构相同时，喷淋密度越大，水膜稳定时间越短，但会造成水膜厚度增加，相应的水膜热阻变大，降低换热性能。一般来说，换热板片结构相同时，水膜厚度越薄，热阻越小，换热性能越好。

表2为不同板片水膜稳定时的最佳喷淋密度。图5所示为在不同喷淋密度下的水膜在不同结构板片上的流动云图。由图5可以看出，虽然板片结构相同，但由于喷淋密度不相同，水膜流动情况也不相同。以半圆波纹板为例，喷淋密度范围为0.83～0.91 kg/(m·s)时，水膜会在不同时刻向中心偏移或断裂，形成干斑区域。这是因为，喷淋密度较小时，水膜流动较慢，当空气阻力大于水膜重力时，喷淋水在下落过程中堆积，且易受板片结构的影响，向中心偏移或断裂，且随时间推移，堆积液滴会阻塞空气通道。喷淋密度越小，发生偏移越早。当喷淋密度为0.93 kg/(m·s)时，水膜完全覆盖换热板片的时间为2.38 s。

表2 不同板片水膜稳定时的最佳喷淋密度

图5 在不同喷淋密度(kg/(m·s))下，水膜沿不同结构板片上的流动云图Fig.5 The nephogram of water film flow along different plates at different spray density (kg/(m·s))

以半圆波纹板为例，分析喷淋密度对换热性能的影响，图6和图7所示为喷淋密度分别为0.93 kg/(m·s)和0.95 kg/(m·s)时对壁面温度和气-液界面温度的影响。由图6可以看出，喷淋密度为0.93 kg/(m·s)时的壁面平均温度相比于0.95 kg/(m·s)较低，这意味着在相同热流密度下，喷淋密度为0.93 kg/(m·s)时的板片热量传递更多，换热性能更好。由图7可以看出，喷淋密度越大，气-液界面平均温度越低。这是因为在热流密度一定、空气入口速度较小时，空气对水膜的剪切力作用较小，对水膜的削薄程度也较小，此时水膜厚度随喷淋密度增大而增大，使得水膜热阻增大，水膜吸收壁面传递热量大于气液界面吸热量，导致气液界面处平均温度降低。

图6 喷淋密度对壁面温度的影响Fig.6 The influence of spray density on wall′s temperature

图7 喷淋密度对界面温度的影响Fig.7 The influence of spray density on interface′s temperature

因此，综合不同喷淋密度下水膜流动情况及对壁面温度、气-液界面温度的影响，采用较低的喷淋水质量流量可以有效强化换热性能。从4种板型水膜流动云图及以上分析，在满足喷淋水完全润湿壁面的情况下，最小的喷淋水质量流量对应的喷淋密度即为所要确定的最佳喷淋密度。

2.3 空气入口速度对气液两相流流动的影响

本文以下将研究与分析空气入口速度对气液两相流动的影响。以半圆波纹板为例，在喷淋密度为0.93 kg/(m·s)，水膜流动稳定之后，改变空气速度，分析不同空气入口速度下的气液两相流流动特性。

图8和图9所示为不同空气进口速度对壁面温度和气-液界面温度的影响。图10所示为空气入口速度为2.5 m/s时在3.16 s时刻截取的部分水膜流动云图。由图8可以看出，壁面平均温度随空气入口速度增大呈现先减小后增大趋势。由图9可以看出，气-液界面平均温度随空气入口速度增大而增大。由图10可以看出，空气入口速度为2.5 s时，水膜在3.16 s时部分区域出现“干斑”现象。这是因为当空气速度不小于2.5 m/s时，部分区域水膜断裂，形成“干斑”，使换热板壁直接暴露在空气中，造成“干斑”区域温度过大，壁面温度相应增大，且由于水膜无法完整形成，界面温度并无意义，“干斑”区域冷凝形式由蒸发冷变为空冷，降低了换热性能。当空气入口速度小于2.5 m/s时，在气液剪切力的作用下，水膜厚度随空气入口速度增大而减小，使水膜热阻减小，强化传热性能。

图8 空气入口速度对壁面温度的影响Fig.8 The influence of air inlet velocity on wall′s temperature

图9 空气入口速度对界面温度的影响Fig.9 The influence of air inlet velocity on interface′s temperature

图10 空气入口速度为2.5 m/s时3.16 s时刻的水膜流动云图Fig.10 The nephogram of water film flow of 3.16 s at 2.5 m/s

对于半圆波纹板，当空气入口速度小于2.5 m/s时，空气入口速度的适当增大可以增加水膜波动程度和加快水膜更新速度，带走水蒸气和热量，有效强化蒸发式冷凝器的换热性能。

3 结论

本文模拟分析了内翅板蒸发式冷凝器5种板片结构模型的水膜流动情况，研究了喷淋密度和空气入口速度对壁面温度及气-液界面温度的影响，得出了以下结论：

1)通过对比分析平板、45°锯齿板、60°锯齿板、梯形板、半圆波纹板的水膜流动情况和换热面积，得出半圆波纹板为最佳的板片结构；

2)通过研究4种板型的喷淋密度对气液两相流流动特性的影响，分析了喷淋密度对水膜流动、壁面温度和气液界面温度的影响，得到了不同板型存在不同的最佳喷淋密度，且平板、60°锯齿板、梯形板、半圆波纹板的最佳喷淋密度依次为0.71 kg/(m·s)，0.48 kg/(m·s)，0.55 kg/(m·s)和0.93 kg/(m·s)；

3)通过以半圆波纹板为例研究了空气入口速度对气液两相流流动特性的影响，分析了壁面温度和气-液界面温度的变化情况，当空气入口速度小于2.5 m/s时，空气入口速度的适当增大可以增加水膜波动程度，带走水蒸气和热量，有效强化蒸发式冷凝器的换热性能。

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About the corresponding author

Wu Xuehong，male, doctor, associate professor， School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry, +86 371-63624373，E-mail：wuxh1212@163.com. Research fields: energy saving technology of refrigeration and cryogenic device，Energy utilization and environmental controls, et al.

Characteristics of Falling Film Flow and Heat Transfer in Internal Fin-plate Evaporative Condenser

Gong YiLiu XuYang YanongWu XuehongZhao Min

(School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, 450002，China)

In order to improve the heat transfer and fluid flow performance of external gas-liquid two phase flow of plate in the evaporative condenser, the new surfaces of plate are comparatively analyzed. The effect of the different kinds of surface structure，spray density of water and air inlet velocity on the characteristics of gas-liquid two-phase flow and the performance of heat transfer are investigated. The results show that: the semicircle wavy plate has longer time of water film forming and larger heat transfer area and better performance of heat transfer; different plate structures of the evaporative condenser have different optimal spray density of spray water, and the optimal spray density are from 0.48 kg/m·s to 0.93 kg/(m·s); when the air inlet velocity is constant, the wall temperature of semi-circle wavy plate is increased and the temperature of gas-liquid interface is decreased with the increasing of spray density; when the air inlet velocity is less than 2.5 m/s, the increasing air inlet velocity can effectively reduce thickness of water film of external semicircle wavy plate and enhances heat transfer.

evaporative condenser; semicircle wavy plate; spray density; enhanced heat transfer

0253- 4339(2016) 04- 0020- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.020

国家自然科学基金(51476148)资助项目。 (The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51476148).)

2015年10月21日

TK172; TK124

A

简介

吴学红，男，博士，副教授，硕士生导师，郑州轻工业学院能源与动力工程学院，(0371)63634373，E-mail:wuxh1212@163.com。研究方向：制冷与低温设备节能技术、能源利用与环境控制等方面的研究。