水平管降膜式蒸发器管间流动模式的研究Ξ费继友1),2) 李连生1) 1)(西安交通大学) 2)(大连交通大学)摘 要 对应用于空气调节和制冷方面的水平管降膜式蒸发器原理进行简述,在分析设计水平管降膜式蒸发器时,需要考虑制冷剂在水平光管上流动模式。
给出影响制冷剂在水平光管上流动模式的关键参数。
关键词 降膜蒸式发器 流动模式 膜雷诺系数Investigation on intervascular flow patterns of horizontal tubefalling f ilm evaporatorFei Jiyou1),2) Li Liansheng1) 1)(Xi’an Jiaotong University) 2)(Dalian Jiaotong University)ABSTRACT Introduces the falling film evaporator used in the air2conditioning and refrigeration fields.The flow patterns of the refrigerants flow outside the horizontal plain tubes should been considered when analyzes and designs the horizontal tube falling film evaporators.Presents the key factors that have effects on the flow patterns of the refrigerants outside the horizontal plain tubes.KE Y WOR DS falling film evaporator;flow modes;film Reynolds number 降膜式蒸发器技术诞生于1848年,在1888年申请了专利[1]。
由于第二次能源危机的爆发,20世纪80年代初期这项技术引起了人们的关注。
其用途主要集中于降膜蒸发在海洋热能转换系统(O TEC)和溴化锂机组的应用上,并且都使用水或者氨水作为工质。
在空气调节和制冷方面,降膜蒸发技术相比满液式蒸发器具有高的传热系数、较低的制冷费用等优点。
而应用于空气调节和制冷方面的水平管降膜式蒸发器只有少数学者涉及到这个领域。
目前只有美国特灵空调公司组织专门的课题组进行这方面的研究。
笔者针对在空调工况下,设计水平管降膜式蒸发器时必须解决的制冷剂在蒸发管上流动模式进行了探讨。
1 水平管降膜式蒸发器的原理图1所示为降膜式蒸发器的原理图。
降膜式蒸发器由布液器、蒸发管、泵和排气通道组成。
流过电子膨胀阀的含油制冷剂通过进液管道流到布液器内,经布液器均匀布液到蒸发管上,在蒸发管上形成一层薄膜和流经管内的冷媒水进行热交换,制冷剂在一定的蒸发温度下蒸发,未蒸发的制冷剂和油沉积在蒸发器的底部,由泵输送到压缩机的回油口,蒸发的制冷剂由蒸汽通道经出气管道回到压缩机的吸气端,完成一个制冷循环。
图1 降膜式蒸发器原理图第6卷 第4期 2006年8月 制冷与空调 REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN G1022104Ξ收稿日期:2006207210 通讯作者:费继友,Email:fjy@2 制冷剂在蒸发管外的流动模式布液器均匀地将制冷剂布液到蒸发管上时,由于瞬时流量的变化从而形成了图2的流动模式。
从图中可以看出制冷剂在传热管上的流动模式分为五种流动模式。
图2 流动模式转换图 1)滴状:蒸发管之间的液体只以明显的滴状形式流动。
如图2中(a )的情形。
2)滴2柱状:当蒸发管之间除了降落的液滴外至少有一个稳定的柱体时,属于这种过渡模式。
柱体可以使蒸发管之间连续起来。
柱体可以沿着蒸发管水平移动,但必须是连续的才为柱体。
3)柱状:这种模式即蒸发管之间液体只有柱状流动。
瞬时流量较低时相邻两管的柱体趋向一条直线,瞬时流量较高时相互交错。
如图2中(b )的情形。
4)柱2膜状:在这个过渡模式中,在蒸发管的不同位置同时存在柱体和液体膜。
至少有一个明显的小液膜才可达到。
小液膜是由两个相邻的柱体结合形成的,其侧面为三角形。
5)膜状:这个模式指蒸发管之间的流体一律是连续的膜。
如图2中(c )的情况。
滴状模式过渡到膜状模式的过程中质量流速递增。
通过提高或降低流速观察这个转变过程时通常会有一些滞后现象。
3 流动模式的过渡转换准则Honda[2],Hu 和Jacobi[3]从制冷剂的种类、蒸发管管径、蒸发管的管心距、制冷剂的流速以及有无顺流气体各方面做了广泛的研究,并通过试验和观察,建立了一个以Reynolds 数和G alileo 数为坐标的流动模式Re Γ2Ga L 图。
柱2膜状和滴2柱状的混合区域是三种主要模式:膜状、柱状和滴状的过渡区域,这五种模式之间过渡的准则可以用式(1)～(4)Reynolds 数和G alileo 数描述。
滴状和滴2柱状:Re Γ=0.074Ga 0.302L (1)滴2柱状和柱状模式:Re Γ=0.096Ga 0.301L (2)柱状和柱2膜状模式:Re Γ=1.414Ga 0.233L(3)柱2膜状和膜状模式:Re Γ=1.448Ga 0.236L(4)修正的G alileo 数定义为:Ga L =ρL σ3μ4L g(5)在这些转化方程中的蒸发管外膜的Reynolds数Re Γ定义为:Re Γ=4ΓL μL。
(6)ΓL 是单位管长一侧液体质量流量,因此两侧总流速为2ΓL 。
图3所示蒸发管直径为19.05mm 光滑管束,流动介质为水的Re Γ2Ga L 流动模式图[4]。
图3 Reynolds 数和G alileo 数为坐标的光滑管流动模式4 管间液膜流动模型在图2中λT 表示管间液膜流动泰勒不稳定波长,在流过水平蒸发管道底部流体液膜中蒸汽和液体的相互作用,以及在光滑水平蒸发管中由于交叉流动而引起的流体诱导作用,λT 是对液膜流动由一个蒸发管排到另一个蒸发管排的圆柱模型的过渡的一个标准,则泰勒不稳定波长为λT [5]:λT =2π(n σg ρL )1/2(7) 在这个表达式中当n =3时,流体液膜相对比较厚(厚液膜泰勒波长);当n =2时,流体液膜相对比较薄(薄液膜泰勒波长)。
图2中由(a )所示滴状模式到(b )所示圆柱模・301・ 第4期 费继友等:水平管降膜式蒸发器管间流动模式的研究 式过渡时,发生转化点为等于单位管长液膜质量流量流速ΓL ,trans 处,即:ΓL ,trans=(0.81πρL d 3p 6λT )(2πσρL λ3T)1/2(8)d p 为液滴的直径且d p =3(σg ρL)1/2。
当蒸发管上液体流动为层流液膜时,局部努塞尔数为[6]:N u Γ,lam =2.2(H D)0.1Re 1/3Γ(9) 当蒸发管上液体流动为紊流液膜时,局部努塞尔数为[6]:N u Γ,turb =0.185(H D)0.1Re 1/3Γ(10) 在式(9)和式(10)中H 为布液器底部到最顶层水平蒸发管的高度;D 为蒸发管的直径。
图2中由(a )所示滴状模式到(b )所示圆柱模式过渡用Re Γ和Pr L 拟和经验公式表示为:Re Γ,trans =1680Pr 0.5L(11)式中Re Γ由式(6)给出。
5 结 论1)由式(1)～(4)和式(6)～(7)可知流动模式受单位管长的流动速率ΓL 的影响,随着流速的递增,流动模式将由滴状模式过渡到膜状模式。
2)不同的介质泰勒不稳定波长λT 值是不一样的,但是,无论应用哪种制冷剂都有一个临界泰勒不稳定波长λT ,超过此值的范围时流动模式将发生转化。
3)在一定的流动速率ΓL 下,随着布液器底部与第一排水平蒸发管之间的距离H 的加大,增加了液体在蒸发管上的冲击速率,改变了流动模式。
4)在一定的流动速率ΓL 下,随着蒸发管直径D 的增加,流动模式将由膜状向滴状过渡变化;随着蒸发管直径D 的减小,流动模式将由滴状向膜状过渡变化。
符号说明:Re Γ———液体膜雷诺系数σ———表面张力(N/m )Pr L ———液体普朗特数ρ———含油制冷剂液体密 度(kg/m 3)Ga L ———液体伽利略系数H ———布液器底部到蒸 发管上层的距离(m )N u ———局部努塞尔数λT ———泰勒不稳定波长 (m )d p ———液滴直径(m )ΓL ———蒸发管单位长度 质量流速(kg/(m ・s ))g ———重力加速度(m/s 2)D ———蒸发管的直径(m )μL ———液体动力粘度 (Nb/m 2)下标:L ———液体trans ———流动模式转换lam ———液体膜层流流动turb ———液体膜紊流流动参考文献[1] Gherhardt Ribatski ,Anthony M Jacobi.Falling 2film evaporation on horizontal tubes a critical review.International Journal ofRefrigeration ,2005,28:6352653.[2] Honda H ,Nozu S ,Takeda Y.Flow Characteristics of Condensation on a Vertical Column of Horizontal Tubes ∥Proc.1987ASME 2J SME Thermal Engineering Joint Conference ,Honolulu ,Vol.1,pp.5172524.[3] Hu X ,Jacobi A M.The Intertube Falling Film :Part 12Flow Characteristics ,Mode Transitions ,and H ysteresis.HeatTransfer ,1996,118:6162625.[4] Roques J F ,Dupont V ,Thome J R.Falling Film Transitions on Plain and Enhanced Tubes.Heat Transfer ,2002,124:4912499.[5] Yung D ,Lorenz J J ,G anic E N.Va por/Liquid Interaction and Entrainment in Falling Film Evaporation.Heat Transfer ,1980,102(1):20225.[6] Owens W L.Correlation of Thin Film Eva poration Heat Transfer Coefficients for Horizontal Tubes.1978ASME Pa per 782WA/HI 267.・401・ 制 冷 与 空 调 第6卷 。