王學(xué)會 袁曉蓉 吳 美 高贊軍 徐英杰 韓曉紅 陳光明

(浙江大學(xué)制冷低溫研究所 杭州 310027)

滿液式蒸發(fā)器在工作時，制冷劑走殼程，而冷卻水走管程，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的制冷劑氣體經(jīng)過管道直接被壓縮機吸入。由于其傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于氨制冷系統(tǒng)中。但是滿液式蒸發(fā)器的制冷劑的充注量大，對于價格較為昂貴的氟利昂，這個特點變得尤為突出;同時它工作時制冷系統(tǒng)的回油比較困難，需要專門的回油機構(gòu)和控制系統(tǒng)。近年來，隨著人們能源危機意識的增強，迫切的需要一種新型、環(huán)保、節(jié)能的換熱裝置來提高制冷系統(tǒng)的換熱效率。降膜式蒸發(fā)器作為一種高效的換熱裝置，它已經(jīng)在海水淡化、化工、制藥、乳制品等行業(yè)取得廣泛的應(yīng)用。雖然降膜式蒸發(fā)器出現(xiàn)的很早，早在1888年就已經(jīng)注冊，但是在20世紀70年代以前研究的較少，此后的研究也主要是集中于海洋熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(OTEC)上，其目的主要是利用降膜式蒸發(fā)器實現(xiàn)海水的淡化，直到20世紀90年代才開始將降膜式蒸發(fā)器應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域并進行相關(guān)的研究［1－2］。降膜式蒸發(fā)器的換熱主要是通過液膜在蒸發(fā)管道外表面汽化來實現(xiàn)的，由于液膜的厚度比管道的直徑小，傳熱過程中的熱邊界層較薄;同時工質(zhì)是在重力的作用下向下流動的。因此總的來說，降膜式蒸發(fā)器相比滿液式蒸發(fā)器具有顯著的優(yōu)點:1)具有較高的換熱系數(shù):實驗表明，降膜式蒸發(fā)換熱的傳熱系數(shù)比池沸騰高［1］。由于降膜式蒸發(fā)器具有較高傳熱系數(shù)這一特性，蒸發(fā)器的尺寸可以做的很小，這在一定程度上節(jié)約了制作成本，也更便于實現(xiàn)裝置的小型化。同時由于制冷劑前后壓力降低的很小，制冷劑在流動過程的阻力損失也會很小。2)較少的制冷劑充注量:由實驗結(jié)果可知，在相同冷量的條件下，制冷劑的充注量可以減少約25%［3］。雖然降膜式蒸發(fā)器具有以上諸多的優(yōu)點，但由于其獨特結(jié)構(gòu)和傳熱的復(fù)雜性，各個幾何參數(shù)和工況參數(shù)對其性能的影響還沒有完全清楚。降膜式蒸發(fā)器最大的問題在于如何合理的設(shè)計布液器，使得工質(zhì)能夠盡可能均勻的分配在傳熱管道上，因為若管道出現(xiàn)部分干涸現(xiàn)象，蒸發(fā)器的傳熱性能就會大大降低。同時管道參數(shù)的選擇，制冷劑流量的選擇、氣體通道的布置等是否合理都會對性能產(chǎn)生較大的影響。作者在介紹其工作原理的基礎(chǔ)上，討論了布液器、管束、制冷劑等參數(shù)對其性能產(chǎn)生的影響，同時，考慮到經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式在實際應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢，在文中也總結(jié)了前人提出的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和其適用的范圍，最后又介紹了一些理論模型方面的研究成果，以期為今后的研究提供參考。

1 水平降膜式蒸發(fā)器工作原理

典型的水平降膜式蒸發(fā)器的工作原理圖如圖1所示，它由布液器、蒸發(fā)管道、回油管路、排氣通道等組成［2，5］。其工作原理可以表述為:經(jīng)過節(jié)流裝置的制冷劑在制冷劑入口處進入蒸發(fā)器，然后經(jīng)過布液器中的噴嘴，均勻的滴落到蒸發(fā)管道的外側(cè)。制冷劑在管道的外表面呈膜狀流下，在管道的外側(cè)吸熱汽化，沿管道的周向與管道內(nèi)部的流體進行熱交換。所形成的氣態(tài)制冷劑從管道的間隙中從下向上運動，從蒸發(fā)器的蒸汽出口離開蒸發(fā)器進入壓縮機。而剩余的液態(tài)制冷劑則堆積在蒸發(fā)器的底部形成液池。降膜式蒸發(fā)換熱具有與池沸騰換熱不同的特點，Christians等［4］采用 R134a和 R236fa作為工質(zhì)，分別測試了Turbo-B5(為一種雙側(cè)強化換熱管道，與下文中的Turbo-EHP、Turbo-B、Turbo-BⅡ、Turbo-CAB 等同屬于已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的雙側(cè)強化換熱管，但是具體幾何參數(shù)不同)和Gew-B5型管道的降膜式換熱和池沸騰換熱的性能和換熱特點。從實驗研究結(jié)果中可以看出，并沒有發(fā)現(xiàn)降膜式換熱傳熱系數(shù)隨著熱流密度增大而降低，而是傳熱系數(shù)在一定條件下趨于一個穩(wěn)定值，當雷諾數(shù)小于其對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)時，傳熱系數(shù)幾乎是單調(diào)降低的。他還指出在低熱流密度時，，降膜式蒸發(fā)換熱具有比池沸騰更高的傳熱系數(shù)。由以上的工作過程也可以看到，降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑是在重力的作用下滴落的，因此在換熱過程中的壓力損失很小，幾乎可以忽略不計。雖然降膜式蒸發(fā)器的工作原理易于理解，其傳熱的性能受到很多參數(shù)(如布液器參數(shù)、管道參數(shù)、制冷劑參數(shù)等)的影響很大，但是由于內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，這些參數(shù)對其性能的影響還不完全清楚，該部分內(nèi)容將在下一個部分中詳細討論。

圖1降膜式蒸發(fā)器的工作原理圖［2］Fig．1 Working principle diagram of falling film evaporator

2 影響水平降膜式蒸發(fā)器性能的主要因素

降膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)雖然很簡單，工作原理也容易理解，但是由于內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜性，同時汽態(tài)工質(zhì)與液態(tài)工質(zhì)的相互影響很大，各個參數(shù)對其性能的影響較為復(fù)雜。目前已經(jīng)有很多學(xué)者針對降膜式蒸發(fā)器進行了實驗研究，實驗的參數(shù)主要包括:布液器、蒸發(fā)管、制冷劑、氣體通道等。

2.1 布液器

布液器的種類分為單相布液器、兩相布液器和多相布液器。制冷系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是兩相布液器，因為在制冷劑經(jīng)過節(jié)流裝置后已經(jīng)變?yōu)闅庖簝上?，兩相布液器的結(jié)構(gòu)相對單相布液器更為復(fù)雜。制冷劑在經(jīng)過布液器后，能否得到均勻的分布是影響降膜式蒸發(fā)器換熱性能的一個關(guān)鍵因素。如果制冷劑沒有得到均勻的分布，在蒸發(fā)管道某個的位置可能出現(xiàn)干涸的現(xiàn)象，蒸發(fā)器的傳熱性能就會大大降低。

布液器對降膜式蒸發(fā)器性能的影響主要是體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)和高度的影響上。從結(jié)構(gòu)上說，布液器內(nèi)部的噴嘴位置、形狀、角度等參數(shù)能對制冷劑的分布影響很大。Zeng等［6－7］采用標準角度噴嘴和寬角噴嘴探究噴嘴結(jié)構(gòu)對降膜式蒸發(fā)器性能的影響。實驗結(jié)果表明當采用寬角度噴嘴時，經(jīng)過布液器后形成的制冷劑液滴較小，運動速度也較小，同時沿程管道的傳熱系數(shù)變化較大。Parken等［8］指出在相同的工況下，當布液器的結(jié)構(gòu)采用孔板式結(jié)構(gòu)時，降膜式蒸發(fā)器的性能比布液器采用窄縫結(jié)構(gòu)時高出20%左右。就布液器的高度而言，Zeng等［6］指出當布液器采用標準噴嘴和寬角噴嘴時，降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能只是隨著高度的增加有些許提升，但提升的幅度并不明顯。Maronmoalem等［9］通過對滴狀流流型的研究發(fā)現(xiàn)，隨著布液器高度的增加，頂層管道滴落點之間的間距變小，最大的滴落液滴直徑較小，滴落的頻率也減小。Chyu等［10］則發(fā)現(xiàn)當制冷劑的雷諾數(shù)較小或者熱流密度較大時，布液器的高度對蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)影響不大，并認為后者的原因是此時制冷劑的核態(tài)沸騰主導(dǎo)換熱，布液器的高度對沸騰狀況影響較小。Lei等［11］針對降膜式蒸發(fā)器中液膜的厚度進行了研究，實驗結(jié)果表明隨著布液器高度的增加，換熱管道外側(cè)液膜的厚度減小，從而加強了降膜式蒸發(fā)器的換熱性能。Yang等［12］實驗中發(fā)現(xiàn)當布液器的高度小于11mm時，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)都隨著高度的增加而增加。

2.2 管道的直徑

換熱管道的直徑也是影響降膜式蒸發(fā)器性能的重要參數(shù)，它對制冷劑液膜邊界層的發(fā)展和厚度有較大的影響。目前具有代表性的研究為:Parken等［8］的研究表明，當布液器采用窄縫結(jié)構(gòu)時，管徑為2．54 mm的降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)要比管徑為5．08 mm的在對流工況下高出10%左右，而對于沸騰工況(工質(zhì)與壁面進行劇烈的換熱，工質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣泡)，則高出13%。Fletcher等［13］實驗發(fā)現(xiàn)管徑對降膜式蒸發(fā)器的性能影響較大，對于1英寸的傳熱管，傳熱系數(shù)隨著工質(zhì)飽和溫度的升高而增加，但是對于2英寸的傳熱管，傳熱系數(shù)的變化則很小，近乎是一個常數(shù)。Fletcher等［14］還發(fā)現(xiàn)當采用海水作為工質(zhì)時，1英寸的光滑管的傳熱系數(shù)比2英寸的高，且當管道直徑為2英寸時，管道螺旋布置并不能提升傳熱系數(shù)，其傳熱系數(shù)低于光滑管道。Hu等［15］在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)，在整個實驗范圍內(nèi)，小管徑的傳熱系數(shù)比大管徑的高。Maronmolem等［9］研究了管徑對滴狀流液滴滴落頻率的影響，結(jié)果表明隨著管道直徑的減小，液滴滴落的頻率降低，但是單位長度上的滴落點增加。Liu等［5］的研究則指出，在液膜為湍流，雷諾數(shù)小于2000時，管徑對傳熱性能的影響很小，而當雷諾數(shù)大于2000時，，此時小管徑的傳熱系數(shù)更高。

2.3 管道的外表面形狀

與傳統(tǒng)的換熱器相似，改變管道的外表面形狀能夠大幅的提升管道的換熱效果，目前針對降膜式蒸發(fā)器的換熱管的改進方法包括管道內(nèi)表面強化和外表面強化。其中后者居于主導(dǎo)地位。Yang等［16］針對采用不同換熱管道的降膜式蒸發(fā)器進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示Turbo－EHP傳熱管比光管、Turbo－B和Turbo－BⅡ的傳熱性能都更好，Turbo－EHP管道比光管的傳熱能力高出62%。Chien等［17］在降膜式蒸發(fā)器中采用翅片管和網(wǎng)紋管來研究管道外表面形狀對其性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)當降膜式蒸發(fā)器的管道采用網(wǎng)狀管道，工質(zhì)為R245a時的傳熱系數(shù)是池沸騰的3～4倍(飽和溫度為5)和6～7倍(飽和溫度為20)，翅片管的傳熱系數(shù)則低于網(wǎng)紋管的傳熱系數(shù)。Mohamed等［18］的實驗對象為三種帶有凹槽管道的降膜式蒸發(fā)器，實驗結(jié)果表明當管道采用凹槽管道時，液膜流型的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)比光滑管道低，同時沿程液膜的厚度也降低。Li等［19］的實驗表明相比Korodense(波紋狀換熱管道)管道和光管，Turbo－CAB管道具有較低的轉(zhuǎn)變Re數(shù)。Li［20］在另一個實驗研究中發(fā)現(xiàn)，采用具有內(nèi)外表面波紋結(jié)構(gòu)換熱管的降膜式蒸發(fā)器比只有外表面強化的工作熱流密度高。Chyu等［21］實驗研究了GEWA－T(T型翅片管)表面管、Thermoexcel－E(表面帶孔的強化換熱管)和HF(高熱流密度傳熱管)型管道降膜式蒸發(fā)器傳熱能力并與光管進行了比較。結(jié)果表明，此時的降膜式蒸發(fā)器具有比池沸騰更高的傳熱系數(shù)，Thermoexcel－E和HF型管道外表面在較低的過熱度下液膜就可發(fā)生沸騰。GEWA－T表面管則主要是通過增加表面積來提高對流工況(熱流密度較小時，此時的工質(zhì)在與外壁面對流換熱過程中沒有形成氣泡)下降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。Wu等［22］針對四種類型的翅片管陣列進行了研究。結(jié)果表明，四種翅片管均能提高降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能，但是它們的強化效果在不同的工況條件下有所不同。在出現(xiàn)管道局部干涸時，外部徑向螺旋的管道強化傳熱作用更明顯。Chien等［23］指出采用60FPI管道和網(wǎng)紋管道(一英寸上有60個翅片)的降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)比光管的傳熱系數(shù)分別高出 6．3～8．29倍和 1．9～5．0倍。Han等［24］發(fā)現(xiàn)軸向螺旋的管道的傳熱系數(shù)比光管的要出50%～120%，并且受雷諾數(shù)和普朗特數(shù)的影響更大。Liu等［25－26］指出螺旋管道具有優(yōu)良的強化傳熱的特性，在對流工況和沸騰工況下均能較好的提高降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能。在對流傳熱工況下，當工質(zhì)采用水時，傳熱系數(shù)是光管的2～3倍，工質(zhì)為R11時為7～10倍。

圖2幾種強化換熱表面Fig．2 Several enhanced surfaces for heat transfer

2.4 管束的排列

圖3蒸發(fā)管道整體布置和分開布置［16］Fig．3 The seperate and together arrangement of evaporator tubes

管程效應(yīng)是指當在工質(zhì)與換熱管換熱時，隨著換熱過程的進行兩者之間的換熱系數(shù)出現(xiàn)升高的趨勢。在降膜式蒸發(fā)器中管程效應(yīng)同樣也很明顯，合理的布置管道能夠利用管程效應(yīng)提升其換熱性能。Yang等［16］的模擬結(jié)果表明管道的布置對降膜式蒸發(fā)器的性能影響很大，當降膜式蒸發(fā)器的管道整體布置和兩邊分開布置時(如圖3所示)，前者的干涸面積小于后者，傳熱性能也優(yōu)于后者。同時，他還通過研究指出當侵入液面以下的管道的數(shù)目較少時，蒸發(fā)器的傳熱能力增強，但是當數(shù)目達到某一定值時，傳熱能力就不再變化。

Zeng等［7］采用氨為工質(zhì)比較管束三角形布置和正方形布置的降膜式蒸發(fā)器的性能，研究后發(fā)現(xiàn)在較低的飽和溫度時，相比三角形布置方式的管道，正方形布置方式具有更大的傳熱系數(shù)。而在較高的飽和溫度時，三角形布置的管道的傳熱系數(shù)比正方形布置時的高。Lorenz等［27］采用三十排管道的氨－降膜式蒸發(fā)器作為研究對象，實驗結(jié)果表明當制冷劑的雷諾數(shù)約為300時，氨液膜發(fā)生破裂，此時管排的傳熱系數(shù)比單管的低;但是當雷諾數(shù)大于300時，管道全部被制冷劑所濕潤，此時的降膜式蒸發(fā)器的換熱系數(shù)與單管的相當，實驗中并沒有觀察到傳熱系數(shù)隨管排數(shù)的變化。Shen等［28］的研究結(jié)果表明，降膜式蒸發(fā)器的管程效應(yīng)受制冷劑的飽和溫度和進口的速度影響不明顯，但是受制冷劑的噴淋密度的影響很大，特別是當噴淋的流量較小時。同時，沿管程方向上蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)逐漸降低。Parken等［8］的研究指出，對于管排數(shù)為8的降膜式蒸發(fā)器，在對流傳熱的工況下，最頂層的管道具有較高的局部傳熱系數(shù)，在沿管程方向上傳熱系數(shù)逐漸降低。但是對于沸騰傳熱時，局部傳熱系數(shù)大致相等。Han等［24］的研究結(jié)果也表明在對流傳熱工況下，最頂層管道具有最大的熱導(dǎo)率，沿著管程方向則降低。而在沸騰工況下，沿程的熱導(dǎo)率則變化不大。

2.5 制冷劑的流量

制冷劑的流量是個非常重要的參數(shù)，流量過少會導(dǎo)致降膜式蒸發(fā)器工作過程中出現(xiàn)部分管道干涸，換熱管的換熱能力沒有得到充分利用，同時干涸點還會對相鄰的部位產(chǎn)生不利的影響。若流量過多，則制冷劑在降膜換熱的過程中，其預(yù)計換熱量超過蒸發(fā)器的換熱能力，造成制冷劑的浪費。因此制冷劑流量對降膜式蒸發(fā)器性能影響的研究較為廣泛。具有代表性的為:Yang等［16］的數(shù)值模擬結(jié)果顯示隨著制冷劑流量的增加，由于管道干涸面積的減小，蒸發(fā)器總的傳熱能力增強。Zeng等［7］研究后發(fā)現(xiàn)當制冷劑的流量很小時，沿管束方向上單管的傳熱系數(shù)變化很小，當制冷劑流量很大時，由于頂層管束制冷劑的噴濺作用，使得頂層管束的傳熱系數(shù)很高，而下層管道則幾乎不受噴濺的影響。Chien等［17］實驗后指出降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著制冷劑流量的增大而些許增加。Fujita等［29］研究了R11為工質(zhì)時的水平降膜式蒸發(fā)器的性能特點。研究結(jié)果顯示，隨著制冷劑流量的增加，降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)先降低，然后保持在某一常量，隨后又增加。同時他還指出在傳熱系數(shù)下降階段，制冷劑的流態(tài)為層流，而隨后傳熱系數(shù)上升階段的流態(tài)則為湍流。實驗中還發(fā)現(xiàn)，當制冷劑的流量減少時，干涸最先出現(xiàn)在底層管路中。Yan等［30］的研究表明當制冷劑流量較小時，隨著流量的增加，制冷劑液滴的半徑增加，液膜的厚度增加，液膜所涵蓋的面積也會增加。He等［31］研究后發(fā)現(xiàn)降膜式蒸發(fā)器總的傳熱系數(shù)隨著制冷劑流量的增加而增加。Li等［19］的實驗則表明隨著制冷劑流量的增加，降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)先達到一個最大值，然后下降。Li等［20］的研究則指出當液膜的雷諾數(shù)較大時，熱流密度對于降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)的影響很小。Parken等［8］研究數(shù)據(jù)顯示，對于工作在對流工況下的降膜式蒸發(fā)器，其平均傳熱系數(shù)隨著流量的增加而增加，但是對于沸騰工況時，流量對降膜式換熱器的傳熱能力影響不大。Chyu等［21］指出Thermoexcel－E型的管道的傳熱系數(shù)受制冷劑流量的影響不大，而GEWA－T型則受其影響較大。Mu等［32］研究后指出降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著制冷劑流量的增大而增大，當達到某一數(shù)值后，持續(xù)的增加流量，傳熱系數(shù)增加變緩甚至出現(xiàn)下降的趨勢。Chien等［23］的研究表明只有在未發(fā)生局部干涸的條件下，降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)才會隨著制冷劑流量的增加而有所增加。Han等［24］降膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加也有所增加。Liu等［25－26］則指出制冷劑流量對降膜式蒸發(fā)器的性能影響不大。

2.6 管間流態(tài)

當制冷劑由蒸發(fā)器的進口處流入布液器后，經(jīng)過布液器的均勻分布后噴淋到換熱管道上，由于布液器的高度，制冷劑流量，管排間距等參數(shù)的影響，管間出現(xiàn)的制冷劑流型可能是滴狀流、柱狀流和布狀流及其之間的過渡流態(tài)。如圖4所示:管間流型與降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能具有緊密的關(guān)系，目前已有很多學(xué)者針對管間流型的轉(zhuǎn)變提出了定量的判定準則［33－34］，管間流型的判定一般是采用兩個無量綱數(shù)Ga和Re的關(guān)聯(lián)式來表示的，其定義為:

管間的制冷劑流形如圖4所示:圖4(a)為滴狀流，液膜沿管道膜狀流下后，當脫離管道下壁面時，呈液滴狀落下，該種流型一般發(fā)生在雷諾數(shù)較小時。隨著雷諾數(shù)的增大，從同一滴落點落下的液滴逐漸接近，其流形逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢盍鳎鐖D4(b)所示。工質(zhì)的雷諾數(shù)繼續(xù)增大，滴落點之間的間距逐漸縮小，直到連接在一起，這時液膜呈布狀在管道外表面流動， 流型如圖4(c)所示。

圖4制冷劑的流型特征［1］Fig．4 The flow patterns of refrigeration

目前對于工質(zhì)流型的研究較為深入，對其的研究總體來說可分為兩大類:一是從流型的轉(zhuǎn)變著手，重點研究流型轉(zhuǎn)變的準則和內(nèi)部水力特性。二是針對工質(zhì)的某一流型，仔細研究該流型的特點，提出傳熱關(guān)聯(lián)式等。第一類的代表性研究主要有:Yung等［35］認為滴狀流到柱狀流的轉(zhuǎn)變是逐漸過渡的，在過渡區(qū)內(nèi)，沿管道的軸向方向，滴狀流和柱狀流是交替存在的。Wang等［36］通過對扁平管降膜式蒸發(fā)器的研究指出，扁平管對應(yīng)的流型有布狀流，布狀－柱狀流，柱狀流，柱狀－滴狀流，滴狀流。布狀流與柱狀流之間的過渡流型又可分為全布狀流，分裂的布狀流。通過與圓管降膜式蒸發(fā)器流型的轉(zhuǎn)變比較發(fā)現(xiàn)，扁平管時的布狀流到布狀－柱狀流，布狀－柱狀流到柱狀流之間的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)與圓管時相接近;而柱狀流到柱狀－滴狀流，柱狀－滴狀流到滴狀之間的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)比圓管的大。Armbruster等［37］認為滴狀流和柱狀流的形成與氣液界面的泰勒不穩(wěn)定性有關(guān)。根據(jù)這個理論，氣液界面存在著一個最不穩(wěn)定的波長，此種波動能夠快速的發(fā)展，由此可以評估出滴狀流時各滴落點之間的距離，柱狀流兩個液柱之間的距離為不穩(wěn)定波長的整數(shù)倍。表1總結(jié)了文獻中給出的流型判定的準則關(guān)聯(lián)式。

表1 流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變判定準則Tab．1 The transition rule of flow pattern

第二類的研究突出了各個流型的不同特點。Yung等［35］認為當制冷劑的流型為滴狀流時，液滴滴落點的形成是氣液界面不穩(wěn)定波發(fā)展的結(jié)果，并從這個角度出發(fā)得出各滴落點之間的間距為其中(n=2)。通過實驗他還發(fā)現(xiàn)，液滴在滴落過程中，會出現(xiàn)破裂，最大的液滴直徑可以表示為(對于水和乙二醇=3)，而次級液滴的體積約為最大液滴體積的19%。Hu等［15］在研究滴狀流型時觀察到在較小的雷諾數(shù)時，滴狀流的活化點是交替激活的，此時活化點之間的動量交換很小，對換熱的影響也很小，而在較高的雷諾數(shù)時，活化點是同時激活的。隨著雷諾數(shù)的增大，流型從滴狀流，經(jīng)過柱狀流逐步發(fā)展到布狀流，在發(fā)展過程中，頂部管道的局部努塞爾數(shù)沿軸向分布的不均勻性變大。Maronmoalem等［9］通過實驗研究了滴狀流型的特性，結(jié)果表明當Re＜100時，液滴滴落的頻率隨雷諾數(shù)的增大而增大，此時大液滴的體積約為總流量的80%，且其滴落頻率比次級的液滴小。但是當雷諾數(shù)達到150時，兩者的頻率都接近某個常數(shù)。實驗還發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的表面張力對大液滴滴落頻率影響不大，但是對小液滴滴落的頻率影響較大。Chyu等［10］把液膜滴落到下層管道上時的運動和換熱特點的不同，把換熱區(qū)域分為四個部分:滯止流區(qū)、噴濺流區(qū)、熱發(fā)展區(qū)、穩(wěn)態(tài)區(qū)，分別研究了四種流態(tài)的傳熱特點，并給出了劃分四個區(qū)域的參數(shù)值。

2.7 氣液工質(zhì)之間的夾帶

由于降膜式蒸發(fā)器的獨特結(jié)構(gòu)，在其運行過程中，液體制冷劑是向下流動，而汽化后的制冷劑是向上運動，在兩層管道的中間區(qū)域還會有水平方向上的分速度，因此兩者之間的相對流動非常的復(fù)雜。如果氣體通道布置不當，氣液工質(zhì)之間的夾帶現(xiàn)象會相當?shù)拿黠@，從上層管道流下的流體不能夠落到下層管道表面或者偏離角度過大，將導(dǎo)致下層液膜的分布不均勻，甚至局部管道出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，進而對降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能產(chǎn)生影響。目前的主要研究進展有:Yung等［35］研究了降膜式蒸發(fā)器氣液工質(zhì)之間的夾帶現(xiàn)象，他認為氣液之間的夾帶機制有液膜的脫落、液滴的噴濺和液膜的沸騰。并且以這三種機制為基礎(chǔ)，提出了分析滴狀流和布狀流夾帶現(xiàn)象的模型。Shen等［28］實驗過程中發(fā)現(xiàn)，氣體速度在一定的范圍內(nèi)時，有利于降膜式蒸發(fā)器傳熱性能的提升。他認為是由兩個原因所致，一是氣態(tài)工質(zhì)的夾帶帶走了部分不凝性的氣體，再者氣態(tài)工質(zhì)的流動加強了氣液界面的波動，降低了液膜的厚度，從而強化了降膜式蒸發(fā)器的換熱效果。

除了以上總結(jié)的參數(shù)對降膜式蒸發(fā)器的性能影響很大之外，熱流密度，工質(zhì)飽和蒸發(fā)溫度等參數(shù)也對其性能產(chǎn)生一定的影響。通常情況下，這些參數(shù)的影響交雜在一起，很難分辨出某一個參數(shù)的影響，目前尚不能完全清楚這些參數(shù)對降膜式蒸發(fā)器性能的影響，需要更加深入的研究。

3 水平降膜式蒸發(fā)器理論研究進展

除了實驗研究水平降膜式蒸發(fā)器的傳熱性能特點和各參數(shù)對其性能的影響以外，理論研究也取得了很大的進展。由于理論研究能夠從根本上說明各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)及其對蒸發(fā)器傳熱性能的影響，指明性能優(yōu)化的方向，因此理論研究具有不可替代的作用。但是由于降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)特性，目前的理論模型還存在著一些不足。理論研究部分包含傳熱關(guān)聯(lián)式的建立和分析模型的提出。

3.1 傳熱關(guān)聯(lián)式

實驗關(guān)聯(lián)式的建立的主要目的是降膜式蒸發(fā)器的直接應(yīng)用，因此在關(guān)聯(lián)式所推薦的范圍內(nèi)，均能獲得很好的預(yù)期結(jié)果。但是由于目前還缺少降膜式蒸發(fā)器完整的設(shè)計方案，實驗關(guān)聯(lián)式的實驗數(shù)據(jù)相對也比較分散，因此在一定程度上限制了實驗關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用?？傮w來說，水平降膜式蒸發(fā)器的傳熱關(guān)聯(lián)式是通過準則數(shù)(如普朗特數(shù)、雷諾數(shù)、阿基米德數(shù)等)表示出來。在關(guān)聯(lián)式中，努賽爾數(shù)中的特征尺寸選擇為。由于制冷劑的流型對降膜式蒸發(fā)器傳熱性能的影響很大，所以一般都是針對滴狀流、柱狀流和布狀流分別給出傳熱關(guān)聯(lián)式。表2總結(jié)了文獻中的傳熱關(guān)聯(lián)式及其適用的范圍，由表2可以看出目前的研究具有以下幾個特點:1)管道的研究的范圍有限，大部分只是針對某一特定的管徑值，研究其傳熱的性能特點。2)涉及到的工質(zhì)集中于R11，R134a和水等幾種，實驗所得的關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍也很窄。3)制冷劑的雷諾數(shù)研究則涵蓋了從滴狀流到布狀流的所有范圍。

3.2 水平降膜式蒸發(fā)器理論研究模型

由于降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部的獨特結(jié)構(gòu)和傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜性，對其進行理論研究非常的困難。但是通過適當?shù)暮喕僭O(shè)，目前還是取得了很多顯著的研究成果。理論研究的假設(shè)條件一般包括:1)液膜完全濕潤管道表面，且其厚度是均勻的;2)管道壁面的溫度沿軸向和周向都是均勻的，跟位置沒有關(guān)系;3)液膜的厚度相對于管道的直徑很小;4)液膜與管道之間的換熱沒有輻射換熱;5)液膜的狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，處于層流狀態(tài)，其內(nèi)部不存在核態(tài)沸騰點;5)流體的物性值在研究范圍內(nèi)不發(fā)生變化等。目前具有代表性的研究有:阮并璐等［42］采用VOF的方法來模擬降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部的氣液兩相流特性，針對氣液兩相流分別列出質(zhì)量、動量和能量三大控制方程，重點研究了氣流通道的布置對降膜式蒸發(fā)器傳熱性能的影響。模擬的結(jié)果表明:水平布置的氣流通道的氣相工質(zhì)的速度梯度較傾斜布置時的梯度小，流場也更加均勻。他還發(fā)現(xiàn)較寬的氣體通道容易得到更均勻的流場，原因是氣相工質(zhì)不易堆積。王補宣等［43］基于在管道壁面沒有被加熱時自由界面也會發(fā)生可觀的蒸發(fā)量的事實，對液膜表面進行了研究。他指出表面張力是誘發(fā)表面蒸發(fā)的驅(qū)動力，由于此蒸發(fā)量很大，因此在實驗關(guān)聯(lián)式中應(yīng)該考慮蒸發(fā)量對性能的影響。Li等［16］數(shù)值模擬了大型壓縮式制冷系統(tǒng)中的降膜式蒸發(fā)器的性能，換熱管道分別采用光滑管和強化換熱管。在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上同時討論了工質(zhì)流量和液膜分布不均勻?qū)的な秸舭l(fā)器性能的影響。Sharma等［44］理論分析了液膜雷諾數(shù)在400到630之間的降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部傳熱傳質(zhì)特點，分析結(jié)果表明隨著雷諾數(shù)的增加，液膜的厚度增加，傳熱系數(shù)減小。Lei等［11］采用三維的VOF方法對降膜式蒸發(fā)器的換熱過程進行了模擬，得到質(zhì)量、動量和能量的控制方程。他指出液膜的厚度與管道的直徑幾乎無關(guān)。Jani等［41］通過理論分析研究了橢圓管道的參數(shù)對降膜式蒸發(fā)器性能的影響。他指出隨著橢圓的曲率增加，管道的傳熱系數(shù)增加;當管道采用橢圓管道時，工質(zhì)表面張力對蒸發(fā)器性能的影響可以忽略不計。Chyu等［10］根據(jù)液膜從上層管道滴落到下層管道后的流動特點的不同，將流態(tài)細分為噴濺流區(qū)、熱發(fā)展區(qū)和完全發(fā)展區(qū)。并分別分析了三個區(qū)域的傳熱傳質(zhì)特點。Fujita等［45］通過對液膜的力學(xué)分析，得到了柱面坐標系下液膜的動量和能量的方程，分析結(jié)果表明當方程考慮了熱邊界層的發(fā)展時，求解得到的傳熱系數(shù)要比常規(guī)的努塞爾傳熱模型高。他還發(fā)現(xiàn)液膜從層流向湍流的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)小于1400，并且當液膜的狀態(tài)為湍流時，傳熱系數(shù)隨著雷諾數(shù)和普朗特數(shù)的增加而增加。Liu等［5］將流態(tài)分為滯止流和自由流動區(qū)，分別提出了液膜狀態(tài)為層流和湍流時的傳熱模型。分析結(jié)果表明，當流態(tài)為湍流時，氣液界面的波動特性對傳熱具有很大的影響。Tarif等［46］對工質(zhì)為鹽溶液的降膜式蒸發(fā)器進行了模擬分析。

由降膜式蒸發(fā)器的工作過程可以看出，換熱過程的主要熱阻來自液膜，而液膜的厚度是影響熱阻大小的關(guān)鍵因素，因此理論模型的建立往往圍繞液膜的流動特點、液膜與管道的換熱特點展開。但是由于降膜式蒸發(fā)器內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)特性，目前的理論研究還有很多的不足之處，各個參數(shù)對其性能的影響還不能夠通過模型或者仿真直觀的表現(xiàn)出來。今后應(yīng)加強降膜式蒸發(fā)器理論方面的研究，不僅能夠更好的指導(dǎo)實驗優(yōu)化參數(shù)的選擇，還能夠為降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計提供參考。

表2傳熱關(guān)聯(lián)式與適用范圍Tab．2 Heat transfer correlations and their range of applications

4 結(jié)論

降膜式蒸發(fā)器作為一種環(huán)保高效的換熱器目前雖然還沒有在制冷空調(diào)領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，但是其相比其他類型換熱器巨大的優(yōu)勢使得它有很大吸引力和應(yīng)用前景。總結(jié)了影響降膜式蒸發(fā)器傳熱性能的參數(shù)，如布液器的設(shè)計、管束的排布、制冷劑等對其傳熱性能的影響。布液器設(shè)計的好壞是降膜式蒸發(fā)器能否發(fā)揮出優(yōu)勢的關(guān)鍵所在，是設(shè)計降膜式蒸發(fā)器的一個核心問題。管束的排布與管道外壁面的形狀也是極為重要的參數(shù)，已出現(xiàn)多種強化傳熱表面，其中一些已經(jīng)取得了商業(yè)應(yīng)用。理論研究主要是針對液膜與管道的換熱的特點展開，雖然已經(jīng)取得了很多成果，但是也存在這諸多不足之處，缺少一個較為有效的設(shè)計方法。降膜式蒸發(fā)器的應(yīng)用需要更加全面的，更加合理的模型來模擬降膜式蒸發(fā)器的換熱過程。文章從實驗研究和理論研究方面總結(jié)了目前的研究進展，可以為降膜式蒸發(fā)器的進一步研究提供有效的參考。

符號說明

d——直徑，m

h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

g——重力加速度，m/s2

k——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

q——熱流密度，W/m2

s——管間距，m

?！髁?，kg/(ms)

λ——波長，m

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力系數(shù)，N/m

μ——粘度，Pa·s

Ga——伽利略數(shù)

Re——雷諾數(shù)

CHF——臨界熱流密度

Nu——努塞爾數(shù)

Ar——阿基米德數(shù)

Bo——邦德數(shù)

下標

l——液體

p——第一個

i——初始的

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