再循环系统中水平管式降膜蒸发器的性能研究

马慧齐，李应林，林柳

（南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京 210042）

0 引言

降膜蒸发器的换热机理非常复杂，因为缺乏经验，目前还不清楚其是否可以普遍应用于水平管式降膜蒸发器的设计原理。因此通过研究采用制冷剂引射再循环结构的降膜蒸发器性能，为其设计和运行提供理论指导[1-3]。

降膜蒸发器的制冷循环系统中，将来自储液器的饱和制冷剂液体再循环至蒸发器中降膜，通常的做法是运用机械泵作为液体循环结构部件，最早由GIULIANI 等[4]提出。BESAGI 等[5]和CHEN 等[6]提出在制冷剂液体再循环系统中可以运用引射器代替泵。引射器的主要优点是结构简单、避免部件的移动。

近年来，引射器及其应用在制冷循环中得到了广泛的研究。然而，对使用引射器实现制冷剂液体再循环的研究相当有限。

RADCHENKO[7]研究了一种运用R22 作制冷剂的制冷循环系统，采用引射器对8 个冷冻站的板式冷冻箱进行进料。DOPAZO 等[8]通过对采用引射器再循环液氨的板式蒸发器进行实验性能评价，实验结果表明，液-液型引射器的引射率在2.1～2.67，蒸发量在9.48 kW～18.37 kW。LI 等[9]通过实验研究了引射器再循环系统在R134a 作制冷剂的水平管式降膜蒸发器中的影响，实验结果表明，在最佳再循环系数为1.3 的条件下，蒸发量和能效比COP分别提高了4.8%和2.4%。MINETTO[10]通过实验研究了引射器再循环系统在CO2作制冷剂的圆管板翅式蒸发器中的影响，实验证明能效比COP提高了13%。LAWRENCE 等[11]在采用微通道蒸发器和R410A 作制冷剂的实验中，将运用引射器的再循环系统，分别与标准的两相引射循环系统以及无引射器的基础循环系统对比分析。在水平管式降膜蒸发器中，引射器的再循环系统可以帮助增加制冷剂喷淋流量，因此在水平管式降膜蒸发器的制冷系统中经常可以见到。由于制冷剂液体受重力作用自上而下流动，蒸发过程中液态制冷剂逐渐减少从而导致蒸发器下部液体流速的降低，使得水平管式降膜蒸发器的底部管束可能出现“干斑”现象[12]。LORENZ 等[13]提出了临界雷诺数为300，低于临界值时管束的降膜蒸发换热系数低于单管的降膜蒸发换热系数。此外，当雷诺数足够小时，底部管束相比于上层管束更易出现“干斑”现象。RIBATSKI 等[14]运用光滑管束以及ROQUES 等[15]运用强化换热管束均观察到出现“干斑”现象的区域只存在自然对流换热，从而使得管束的换热系数突然下降。

迄今为止，对采用制冷剂引射再循环系统降膜蒸发器的性能研究还很少。因此，本文的研究目的是通过理论模型分析引射器再循环系数对降膜蒸发器性能的影响，为此类降膜蒸发器的设计提供一定理论依据。

本文的概述如下：首先通过建立降膜蒸发器的数学模型，编制相关仿真软件，然后根据数值模拟结果进行对比分析，从而得出结论。

1 建立数学模型

1.1 工作原理

当制冷系统运行时，来自冷凝器出口的高压液态制冷剂流入高压储液器中，从高压储液器的出口流出，进入引射器的高压入口，和引射器通过高压液体抽取来自降膜蒸发器底端储液包收集的低压液体制冷剂混合，由引射器的混合出口流出通过蒸发器的制冷剂入口进入一级布液器完成制冷剂分配，即为采用制冷剂引射再循环系统的水平管式降膜蒸发器，如图1所示。

图1 一级再循环降膜蒸发器示意图

1.2 管束单元模型

本文数学模拟是建立在如下假设的基础上的：

1）此水平管式降膜蒸发器是与外界绝热的；

3）为方便计算假设此降膜蒸发过程为稳态；

4）布液器布液均匀；

5）忽略气态制冷剂的剪力作用。

采用有限差分法处理建立的降膜蒸发器模型，将换热管沿管排水平方向，依据每排最多的布管数将管束分为Nj列，沿管排垂直方向，将壳体内管束分为NP个管程，将换热管沿冷冻水管内流动方向等分为Ni 部分。图2中j、p分别代表管排水平方向和管程数量的单元序号。图3中i代表单根管子沿冷冻水管内流动方向的单元序号。图4表示蒸发器管束中任意一根管子的单元模型。

图2 管束中的管程和管列示意图

图3 单根换热管沿流向的单元布局图

图4 管束中任意管子的单元模型布局图

1.3 换热计算方法

根据能量守恒定律，水平管换热单元的热流密度为：

式中：

qo——单元热流密度，W/m2；

Ao——单元长度管子的外表面面积，m2；

dx——沿冷冻水流动方向的单元体长度，m；

mcw——冷冻水的质量流量，kg/s；

Cp,cw——冷冻水的定压比热，kJ/(kg·K)；

tu,cwi和tu,cwo——单元体的冷冻水进口和出口温度，℃。

2 再循环对降膜蒸发器换热性能的影响

图5所示为在不同再循环系数下制冷剂的蒸发量和综合平均降膜因子的变化情况。

图5 不同再循环系数下的制冷剂蒸发量和综合平均降膜 因子的变化情况

由图5可以观察到，综合平均降膜因子ϕ随着再循环系数Rl的增加而单调增加，当ϕ刚达到1时，Rl=1.5。即，若试图完全消除强化换热管束表面存在的“干斑”现象，则再循环系数Rl的数值需大于1.5。

然而，从图5我们也可发现，当再循环系数Rl＜1.2 时，制冷剂蒸发量随着Rl的增加而迅速升高；当再循环系数Rl＞1.2 时，制冷剂蒸发量随着Rl的增加而缓慢升高。这表明合适的再循环系数Rl约为1.2，对应的综合平均降膜因子约为0.78。

图6所示为在不同再循环流量下制冷剂的蒸发量和再循环系数的变化情况。

图6 不同再循环流量下的制冷剂蒸发量和再循环系数的 变化情况

由图6可见，随着制冷剂液体再循环流量的增加，制冷剂液体的再循环系数急速增大；与此同时，当再循环流量为0.67kg/s～1.0kg/s 范围内制冷剂蒸发量首先急剧上升，然后在1.0kg/s～1.3kg/s 范围内制冷剂蒸发量缓步上升。这意味着对于给定换热管束的降膜蒸发器应该具有合适的制冷剂液体再循环流量值，使得降膜蒸发器换热性能更高且避免制冷剂的过量浪费。

图7所示为188 根强化换热管组成的一级再循环水平管式降膜蒸发器，不同再循环流量下实际制冷量和冷冻水出口温度的变化情况。

由图7可以看出在(0.67～1.30)kg/s 范围内液体再循环流量的增加导致了冷却水出口温度的轻微下降，而且随着制冷剂液体再循环流量的增加，蒸发器的制冷量先急剧增大，然后缓慢上升。这说明制冷剂液体流量的过量供给对于进一步提高降膜蒸发器制冷量是无效的，这是因为换热管外壁面产生的“干斑”，随着制冷剂液体再循环流量的增加而逐渐减少。

图7 不同再循环流量下实际制冷量和冷冻水出口温度的 变化情况

3 结论

1）如果想要完全消除强化换热管束表面存在的“干斑”现象，则再循环系数的数值需大于1.5；

2）降膜蒸发器的最佳再循环系数约为1.2，对应的综合平均降膜因子约为0.78；

3）对于给定换热管束的降膜蒸发器应该具有合适的制冷剂液体再循环流量值，使得降膜蒸发器换热性能更高且避免制冷剂的过量浪费。