沟槽竖管蒸发式冷凝器开发和效果研究

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1、沟槽竖管蒸发式冷凝器开发和效果研究　　摘要：通过对热阻的分析得知，对蒸发式冷凝器进行强化传热的主要方法是控制和减小管外水膜热阻和管内冷凝热阻，在此基础上提出了沟槽竖管这一新型换热元件；通过数值模拟证明了竖直管可以有效改善水膜分布；理论计算的结果表明开设沟槽管内冷凝换热系数是原来的3.01倍。关键词：蒸发式冷凝器；沟槽竖管；水膜热阻；冷凝热阻中图分类号：TB657文献标识码：A文章编号：0439-8114（2013）13-3171-04常见的冷凝器按冷却方式可分为三类：蒸发式冷凝器、风冷式冷凝器及水冷式冷凝器[1]。蒸发式冷凝器同其他形式的冷凝器相比，

2、具有节能节水的显著优势，其耗水量仅为水冷式的5%～10%，若用于冷库制冷系统，节能可达11%～70%[2-6]，在美国、加拿大等发达国家已经得到了广泛的应用。相关文献曾对美国和加拿大的62家冷库的制冷装置进行了统计调查，调查结果显示，蒸发式冷凝器的应用占了81%，远超过了其他冷凝器所占份额的总和[7]。可见，对蒸发式冷凝器的结构进一步开发有助于冷库节能效果的提高。12根据换热元件形式的不同，可将蒸发式冷凝器分为管式蒸发式冷凝器和板式蒸发式冷凝器两大类。目前常见的管式蒸发式冷凝器多为水平管式，综合考虑板式和管式的优缺点，提出了一种新型的蒸发式冷凝器——

3、沟槽竖管蒸发式冷凝器。1沟槽竖管蒸发式冷凝器开发的理论基础1.1热阻分析蒸发式冷凝器管内为制冷剂，管外为流动的水膜和空气。若不考虑管外的污垢热阻及管内的油垢热阻，蒸发式冷凝器中制冷剂膜状凝结时总热阻由管内冷凝液膜热阻、管壁热阻、水膜热阻及水膜和空气交界面上的界面热阻所构成。图1为一定试验条件（测试条件：风速2.5m/s，湿球温度22.8℃，喷淋量0.058kg/s）下的4种热阻比例图[8]。数据表明，在蒸发式冷凝器中管壁热阻很小，界面热阻、水膜热阻及冷凝热阻所占份额相当。界面热阻随着风速的增大而减小，但在蒸发式冷凝器系统中，风速是有最佳范围的（3m/

4、s左右）[9]，增大风速不仅会增大系统的压降，增加风机的耗功，而且会导致液泛，甚至撕裂连续水膜，出现干壁现象。因此风速不宜过大，对界面热阻的控制受到了局限。水膜热阻和冷凝热阻的总和几乎占了总热阻的2/3。水膜热阻由水膜的厚度决定，冷凝热阻则由冷凝液膜厚度决定。通过合理调整布水方式和喷淋量、应用一定的技术手段及时排出冷凝液来降低这两个热阻是可以实现的。对蒸发式冷凝器进行强化传热、结构优化应从这两方面入手。121.2水膜热阻的控制水膜热阻的减小主要靠液膜厚度的减小和均匀分布来实现。冷凝液膜热阻的减小可通过减薄冷凝液膜、及时排出冷凝液来实现。这为强化传热提

5、供了方向。蒸发式冷凝器中，采用椭圆管的换热效果要优于水平圆管，其主要原因是椭圆管改善了水膜在管外的分布情况。对椭圆管进一步改进，其极限形状就是密闭的竖直板式空间。板式换热元件在长时间使用时，温差应力、振动等因素可能会导致出现密封性问题，引起制冷剂的泄露。所以提出一种新型布置方式——竖直布置的无缝冷凝管。这种方式可减小焊缝长度，保证密封性。同水平管形式相比，竖直冷凝管有如下优点：压降会降低；水膜分布更均匀；较少地出现干壁现象，防止结垢；没有水平管因促进冷凝液流动所需的倾角，一定程度上可减小换热器结构尺寸。1.3冷凝热阻的控制竖直冷凝管强化传热的原则是：

6、尽量减薄黏滞在换热表面上的凝结液膜。可用各种带有尖峰的表面使冷凝液膜拉薄，促使已凝结的液体从换热表面尽快脱离。现有的竖直管无源强化传热技术主要包括以下几种形式[10-12]：采用粗糙表面、应用纵槽管、纵向绕设金属丝线、应用螺旋槽管。12美国橡树岭国家实验室以氟利昂为工质，结合地热利用对竖直强化冷凝管作了比较系统的研究，得出以下结论：最佳的冷凝管是纵槽管，然后是螺旋槽管和绕线管。纵槽管的凝结换热系数可达光管的5.5倍，如果使用排液盘还可以进一步提高[13]。邓颂九等[14]曾在外径22mm、壁厚2mm的管子上均匀布置48条纵向沟槽，试验结果表明用这样的

7、沟槽管代替光滑冷凝管，其传热系数可提高1.4倍。2新型蒸发冷凝器的提出及分析2.1沟槽竖管蒸发式冷凝器根据上面的分析，提出一种应用于蒸发式冷凝器的新型换热元件——沟槽竖管。在竖直管内开设三角形纵向沟槽。沟槽竖管管排的形式如图2。沟槽管的截面如图3所示。管子内径21mm，壁厚2mm，沟槽底部间距0.5mm，槽深1mm，总共布置44个沟槽。图4为多组管排组合布置方式示意图。在管排的顶部和底部均设置联箱，上部联箱同压缩机出口相连，底部联箱布置U型液封防止串气，同系统储液器相连。蒸汽通过管排顶部的联箱均匀分布到竖直布置的沟槽管内；水膜在管外沿着管排竖直流动，

8、因为空气流动除了在联箱处有绕流外，其他部位扰动很小，故其分布较为均匀。12蒸汽在管内流动过程中冷凝，冷凝液膜