降膜式蒸发器喷淋布液均匀性数值研究
孙文卿141902009
摘要：本章结合蒸发式冷凝器喷淋管和喷嘴布液的结构特点，建立喷淋系统的物理模型，采用FLUENT 软件，分别对不同总喷淋量、不同喷嘴直径、是否加装压力平衡管、等因素变化组合计算工况下喷淋管内的流体流动进行了数值模拟，并用平均相对误差量化比较和研究了影响喷嘴出口流量均匀性的主要因素。

关键词：降膜蒸发器、喷嘴布液、压力平衡管
引言
水平管降膜蒸发器是一种正在研究和发展中的高效换热部件，其降膜流动和传热传质性能的规律还不十分清楚，故其应用和推广受到较大的制约。

本文的核心研究内容是设计水平管降膜蒸发器的结构，并寻求其喷淋系统均匀布液的规律，据此建立几何模型和单元数值仿真模型，初步探索水平管降膜流动和蒸发传热传质性能。

1、水平管降膜蒸发器的特点
相比于满液式蒸发器，水平管式降膜蒸发器有很多优点：
（1）制冷剂的充注量少
制冷剂的充注量要比满液式蒸发器节约25%左右，一方面降低了制冷剂的投入和维护成本，另一方面也大大降低了制冷剂泄漏的概率，从而使制冷剂的筛选范围扩大。

（2）传热性能好
由于溶液沿管壁呈传热效果较好的膜状流动，液膜很薄，且有波动性质，有利于液膜与管壁间的传热。

并且在液固、气液界面上都可能发生相变，所以降膜蒸发表现出很高的换热性能。

（3）传热温差损失小
因为降膜蒸发器没有液位静压引起的沸点升高而带来的温差损失。

避免了蒸发器壳体的直径较大时液体静压力对蒸发温度的影响。

另外对于密度较大的制冷剂，静压高度的影响会更加显著。

（4）结构更加紧凑
较高的传热性能允许蒸发温度升高，改善了系统的循环效率；另外高的传热系数可以减小蒸发器体积，节省空间投入成本。

（5）改善去油效果
因为水平管式降膜蒸发器中润滑油沉积在蒸发器底部，直接经由回油泵抽出即可。

（6）需装置液体分布器
为了使制冷剂沿换热管轴向、环向均匀连续布膜，需在换热管的上方装置液体分布器。

其结构直接影响到液体的分布及成膜质量。

因而，液体分布器是水平管降膜蒸发器的关键部件之一，其设计显得尤其重要。

2、喷淋布液均匀性数值研究
水平管降膜蒸发器孔口出流均匀性对传热传质效果有直接影响。

若蒸发管束上制冷剂液体分布不均，则液膜较厚处的热阻较大，液膜较薄处可能会干壁。

换热管上制冷剂液体布膜均匀性除了受来流液柱分布的影响外，还会受到惯性力、重力、液固附着力和液体表面张力的影响。

其中惯性力以液体质量流量形式表现出来。

液体质量流量越大，则液体表面张力的影响越小。

液固附着力以液固接触角形式表现出来。

液固附着力越大，液膜越容易铺展开。

表面张力越大，液体越容易聚集成滴，液膜均匀性越差。

矩形布液器的孔口出流主要是液柱重力流动，在受液管排上的液体铺展主要靠液固附着力来进行，容易出现液体还未铺满就流下去的现象。

而工业上常见的喷嘴出流主要是小液滴锥形区域喷射流动，在受液管排上的覆盖面较大，即使流量较小，也容易均匀布膜。

本章将对喷淋管和喷嘴布液的喷淋问题进行数值模拟，以了解喷淋管和喷嘴布液的若干规律，为水平管降膜蒸发器改用喷淋管和喷嘴布液的技术研发提供参考。

3、物理模型
加装压力平衡管后的喷嘴式喷淋系统的物理模型如图所示。

在泵的动力输送下，制冷剂液体经y 方向的竖直供液管及z 方向的水平分配管流到x 方向图中已编号的 5 根喷淋管内。

其中，第1，3，5 根喷淋管下方各均布15 个喷嘴，第2，4根喷淋管下方各均布16 个喷嘴。

在每根喷淋管上方，由5 个均布的压力平衡孔连通喷淋管与所加装的压力平衡管。

喷淋系统的详细结构尺寸见表所示，其中喷嘴直径d 依研究计算工况变化。

4、喷淋工况
喷淋工况按以下因素变化组合：总喷淋量取Q=100 m3/h，200 m3/h，300 m3/h，400 m3/h，500m3/h，喷嘴直径取d=8 mm，12 mm，16 mm，20 mm，再取有无压力平衡管2 种情况，共40 种数值计算工况。

4.1喷淋管布置对喷嘴流量均匀性的影响
数值计算完成后，提取各工况(Q=100 m3/h，d=8 mm，无平衡管Q=500m3/h，d=20 mm，有平衡管两种代表性工况)下 1 号、2 号和 3 号喷淋管的喷嘴出口体积流量数据，由此分析各种因素变化对喷嘴流量均匀性的影响。

图4-2(a)取的工况为：总喷淋量最小（Q=100 m3/h）、喷嘴最小（内径d=8 mm）且无压力平衡管。

可以看出三根喷淋管的喷嘴流量分布曲线基本重叠在一起，可以认为喷淋管1，2 和3 中喷嘴流量分布大致相同。

图4-2(b)取的工况为：总喷淋量最大（Q=500 m3/h）、喷嘴最大（内径d=20mm）且有压力平衡管。

可以看出图中三根喷淋管的喷嘴流量分布曲线同样是基本重叠在一起的。

图4-2(a)与4-2(b)取为两种极端工况，但从各图中 3 条曲线的重叠性来看，无论工况如何，三根喷淋管喷嘴流量分布规律之间基本无差别。

又由五根喷淋管的结构对称性推知，水平分配管可将来自竖直供液管的液体基本均匀地分配到五根喷淋管内。

4.2总喷淋量对喷嘴流量均匀性的影响
喷嘴直径d=8 mm，无压力平衡管和d=16 mm，有压力平衡管，在Q=100m3/h，200 m3/h，300 m3/h，400 m3/h，500m3/h 五种总喷淋量下3 号喷淋管的喷嘴出口体积流量数据，以分析总喷淋量对喷嘴流量均匀性的影响。

图4-3(a)所示为d=8 mm，无压力平衡管，5 种总喷淋量下，喷淋管3 各喷嘴流量的分布曲线。

可以看出，任何一条曲线都近似水平，说明在d=8 mm 时，任何一种总喷淋量下，各喷嘴流量基本相等。

图4-3(b) 所示为d=16 mm，有压力平衡管，5 种总喷淋量下，喷淋管3 各喷嘴流量的分布曲线。

图中的五条曲线从下到上，随着Q 的增大，曲线中部下凹逐渐加剧。

图说明，喷嘴直径增大到d=16 mm 后，总喷淋量较小时，喷嘴流量还比较均匀。

但当总喷淋量越来越大时，喷嘴流量均匀性越来越差。

5、总结
影响降膜式蒸发器的换热性能因素有很多，其中，布液器的形式就是其中的关键因素，通过本文的探讨，水平管可以均匀的布液，喷嘴直径增大到d=16 mm 后，喷嘴流量的均匀性受流量的影响较大。

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