沟槽竖管蒸发式冷凝器的开发与效果分析

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，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。

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——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2.5 m/s，湿球温度22.8 ℃，喷淋量0.058 kg/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（3 m/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。

1.2 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：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。

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22 mm、壁厚2 mm的管子上均匀布置48条纵向沟槽，试验结果表明用这样的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21 mm，壁厚2 mm，沟槽底部间距0.5 mm，槽深1 mm，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，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。

蒸汽在管内流动过程中冷凝，冷凝液膜由于沟槽管的作用积聚在沟槽底部，顺着纵向沟槽流入底部的冷凝液联箱。由于蒸汽流动和冷凝液膜流动方向相同，相应地能减薄液膜厚度，利于传热。

由于不用考虑蒸汽转向时为减少局部阻力和管材应力所需的曲率半径，故管排可以布置得更为紧凑。竖直管的长度对液膜的厚度变化有直接影响。相关文献中介绍最佳换热管高度为0.8～0.9 m[15]。

2.2 水膜热阻控制效果的分析

2.2.1 几何模型 图5给出了两种形式的几何模型：图5a为竖管蒸发式冷凝器的二维几何模型，尺寸为6 mm×100 mm；图5b为水平管蒸发式冷凝器的二维几何模型，尺寸为40 mm×145 mm，管径为25 mm。

2.2.2 边界条 图5a中，设定左侧边界为wall，右侧边界为symmetry，上面边界设为mass-flow-inlet，下面设为pressure-outlet；图5b中，设定左右边界及中心管子壁面为wall，上面边界设为mass-flow-inlet，下面设为pressure-outlet。

2.2.3 网格与求解模型的选择 对于竖直管模型，由于结构较为规整，故采用Quad单元格式，Map网格类型，网格质量较好。对于水平管，采用Pave网格形式，最差网格质量为0.48，满足要求。对于自由界面的模拟，采用VOF模型。

2.2.4 模拟结果及分析 竖管和水平管两种布置方式在不同喷淋量下的液膜分布如图6、图7所示。从图6可以看出，喷淋量在0.05 kg/s时，由于流量较小，竖直板上不能形成连续的液膜，在喷淋量增大到0.07 kg/s时可形成连续的液膜，在0.15 kg/s时，液膜连续但相对0.07 kg/s时液膜较厚。

从图7可以看出，水平管喷淋量在0.07 kg/s时不能形成均匀液膜，增加到0.20 kg/s时，只有喷淋水流速较小的上层管排能形成连续液膜，到了下层管排，由于流速的增大，喷淋水飞溅，不能很好地湿润管壁；流速继续增大时，虽然液膜可以连续，但液膜较厚，会形成较大的水膜热阻，在下部管排的飞溅更为明显。

通过以上分析可知，竖直管壁外的水膜不但较易均匀分布而且所需流量较小，在喷淋量为0.07 kg/s时即可获得连续液膜；而水平管壁上的水膜分布不均匀，且要获得连续水膜所需流量较大，在喷淋量为0.70 kg/s时液膜连续性仍差于竖管。综合比较，竖管布置方式不仅可以获得较均匀的水膜，而且水膜较薄，热阻要比水平管形式热阻小，水膜分布特性优于水平管。

2.3 冷凝热阻控制效果分析

2.3.1 光滑竖管与光滑水平管冷凝换热能力比较 光滑竖管内的冷凝特性和竖直平板上的冷凝特性相同，其冷凝换热系数为：

αv=1.13=■■ （1）

式中，αv为竖管冷凝换热系数，W/（m2·K）；Δt为制冷剂侧冷凝温降，℃；B为集合物性参数，W3·N/（m6·K3·s）；l为管子的高度，m。

水平管内的冷凝换热系数因制冷剂的不同而有不同的形式。对于氟利昂类制冷剂，其水平管内平均冷凝换热系数计算公式为：

αh=0.555■■ （2）

对于氨作为制冷剂，管内冷凝换热系数计算公式为：

αh=2 116Δt-1/6d-1/4 （3）

式中，αh为水平管冷凝换热系数，W/（m2·K）；Δt为制冷剂侧冷凝温降，℃；d为冷凝管内径，m。

若制冷剂为氨，假设Δt=0.5℃，管内径取21 mm。则水平管的平均冷凝换热系数为：

αh=2 116×0.5-1/6×0.021-1/4

=6 239 W/（m2·K）

竖管在取相同换热系数时，其高度计算公式为

l=■■■ （4）

氨的B可以根据物性参数计算，也可从参考文献[16]中查取。通过计算得到l=5.8 m。即在竖管高度为5.8 m时，水平管和竖管的冷凝换热系数相同。但在实际应用中，竖管的高度l一般在1 m左右。分析公式（1）可知，竖管高度l同换热系数成反比，l越小，αv越大。当竖管高度为1 m时，其冷凝换热系数为αv=9 710 W/（m2·℃）

Δ1=■=55.6%

因此可以得知，在通常情况下，竖管冷凝换热系数要大于水平管，在竖管高1 m时，其冷凝传热系数要比水平管高55.6%。用竖管代替水平管可以强化冷凝换热。

2.3.2 光滑竖管和内沟槽竖管冷凝换热能力比较 由于沟槽管的表面形状各异，且表面形状对液膜张力影响很难用数学的方法精确计算，对于沟槽竖管中冷凝换热系数的计算比较困难，只能用试验的方法来验证沟槽对冷凝换热的增强效果。此处仅以所设计的沟槽管为例，通过合理的条件简化来定性分析光滑管和沟槽管在竖直布置时的传热效果。

此处做如下假设：槽顶部因凝结液膜变薄而增加的换热系数和槽底部因凝结液膜增厚而减少的换热系数可以相互抵消[13]；因开设沟槽而对管壁增加的热阻可以忽略不计；制冷剂物性初始参数相同；管长1 m。

由公式（1）可知，在初始参数相同的条件下两种管型的换热系数相同，光滑管内侧的换热面积为

F′=π·di·l=0.065 94 m2

设z为沟槽的斜边，则沟槽管内侧的换热面积为

F″=（π·di-44×1+z×2×44）·l

=0.127 54 m2

Δ2=■=93.4%

从以上计算可以看出，设计的沟槽管比光滑管的换热面积增加了93.4%，仅从面积增加考虑，沟槽管换热能力是相同管径光滑管的1.934倍，这对传热是有利的。

相关试验表明，槽顶部因凝结液膜变薄而增加的换热效应远比槽底因凝结液膜增厚而减少的换热效应大得多[13]。因此沟槽管的换热能力要比光滑管强得多。说明所设计的沟槽管具有可行性。

2.3.3 光滑水平管和内沟槽竖管冷凝换热能力比较 由上文的计算结果可知：光滑竖管对于光滑水平管换热能力增加量Δ1=55.6%，沟槽竖管对于光滑竖管换热能力增加量Δ2=93.4%。则沟槽竖管对于光滑水平管的换热能力增加量

Δ=（1+Δ1）·（1+Δ2）-1=2.01

可见，仅从换热面积角度衡量，沟槽竖管的冷凝换热能力是光滑水平管的3.01倍。若计入格列高里戈效应带来的增强效果，实际冷凝换热能力要远高于此值。试验结果为蒸发式冷凝器整个传热过程传热系数的提高奠定了基础。

3 小结

通过对热阻的分析得到结论：蒸发式冷凝器性能提高的有效手段是控制水膜热阻和冷凝热阻，并在此分析基础上提出了沟槽竖管这一新型换热元件。

对竖管和水平管两种形式的数值模拟结果显示，竖管的水膜分布比水平管更加均匀、更薄，热阻更小，且实现连续水膜所需喷淋量较小，相对节约了水泵功耗。

在管型相同条件下，竖管布置方式的冷凝换热系数要比水平管的高。管内径为0.021 m、管长1 m时，沟槽竖管的冷凝传热能力是光滑水平管的3.01倍，对整体换热能力的提高奠定了良好基础。

参考文献：

[1] 黎志敏，曾亦兵，罗德亮. 关于蒸发式冷凝器的设计与维护的两点建议[J].中国化工设备，2007（2）：20-24.

[2] HWANG Y， RADERMACHER R， KOPKO W. An experimental evaluation of a residential-sized evaporatively cooled condenser[J]. International Journal of Refrigeration，2001，24（3）：238-249.

[3] MANSKE K A，REINDL D T，KLEIN S A.Evaporative condenser control in industrial refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration， 2001， 21（7）：676-691.

[4] 刘宪英，葛 虹，孙纯武，等. 蒸发式冷凝器应用于房间空调器的试验研究[J].暖通空调，1997，27（5）：31-34.

[5] 刘洪胜，孟建军，陈江平，等. 家用中央空调机组用蒸发式冷凝器的开发[J].流体机械，2004，32（10）：53-56.

[6] HAJIDAVALLOO E. Application of evaporative cooling on the condenser of window air conditioner[J]. Applied Thermal Engineering，2007，27（11-12）：1937-1943.

[7] 张建一，秘文涛.氨制冷装置用蒸发式冷凝器的实际能耗研究[J].制冷学报，2007，28（5）：36-39.

[8] 唐广栋. 蒸发式冷凝器盘管表面与气液两相流耦合强化传热传质研究[D].广州：华南理工大学，2007.

[9] 蒋 翔，朱冬生，唐广栋，等.来流速度分布对蒸发式冷凝器性能的影响[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006，34（8）：55-60.

[10] 林宗虎.强化传热及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，1987.

[11] THOMAS D G. Enhancement of film condensation heat transfer rates on vertical tubes by vertical wires[J]. Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals，1967，6（1）：97-103.

[12] MORI Y，HIJIKATA K，HIRASAWA S， et al. Optimized performance of condensers with outside condensing surfaces[J]. Journal of Heat Transfer，1981，103：96-102.

[13] 阎皓峰，甘永平.新型换热器与传热强化[M]. 北京：宇航出版社，1991.

[14] 邓颂九，谭盈科.新型纵槽管冷凝器[J].华南工学院学报，1978， 6（4）：70-83.

[15] 吴治将，朱冬生，赵 强，等.立式蒸发式冷凝器的性能研究与强化实验[J].华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（2）：112-116.

[16] 张祉佑.制冷原理与设备[M].北京：机械工业出版社，2002.

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