1、第1 4卷第4期 2 0 1 4年4月 剖洚 室调 REFRIGERATION AND AIR C0NDITIONING 冷水机组用降膜式蒸发器研究进展综述 王利 苏秀平 (江森自控楼宇科技设备(无锡)有限公司) 摘 要 降膜式蒸发器以其高效的换热性能、有效减少制冷剂充注量等优点，被逐步应用于冷水机组。与 其相关的研究受到行业越来越多的关注，成为相关领域的一个研究热点。本文分析当前降膜式蒸发器应用 于空调冷水机组面临的技术挑战，包括制冷剂分配和换热性能影响因素，并给出改进降膜式蒸发器性能的 研究方向。 关键词降膜式蒸发器；冷水机组；制冷剂分配；换热性能 Summary on research
2、progress of fallingfilm evaporator used in water chiller Wang Li Su Xiuping (Johnson Controls Building Efficiency Technology(Wuxi)Co，Ltd) ABSTRACT Fallingfilm evaporators have been gradually used in the water chillers due to the advantages of higher heat transfer performance and requiring less refri
3、gerant charge The relevant researches have drawn more and more attention of HVAC R industry and become a hot topic in the related research fieldTechnology challenges of fallingfilm evap orator used in water chiller faced by researchers，including refrigerant distribution and effect factors of heat tr
4、ansfer performanceThe research directions are also analyzed to im prove the performance of fallingfihn evaporator KEY WORDS fallingfilm evaporator；water chiller；refrigerant distribution；heat transfer performance 随着对冷水机组能效和减小制冷剂充注量的要 求的提高，降膜式蒸发器逐渐在冷水机组中得到应 用。水平管降膜式蒸发器广泛应用于化工、海水淡 化、石油冶炼及吸收式冷水机组等领域和设备。
5、 目前，大型冷水机组中常用的壳管式蒸发器 主要以满液式蒸发器为主。满液式蒸发器的基本 原理是换热管浸没在制冷剂液体中，制冷剂在管 外侧蒸发吸收流经管内水的热量。而降膜式蒸发 器通常在制冷剂入口有制冷剂分配器，制冷剂液 体通过制冷剂分配器均匀的分配到换热管表面， 在换热管表面形成一层向下流动的薄膜，与管内 冷冻水进行换热。未完全蒸发的制冷剂沉积在换 热器底部，或以满液式蒸发的形式继续蒸发换热， 或经由泵输送到换热器顶部循环。蒸发的制冷剂 气体经换热器顶部的出口进入压缩机的吸气口。 图1所示为降膜式蒸发器示意图。 收稿日期：2014-03一I9 作者简介：王利，技术部经理，主要研究方向为强化换热、
6、制冷系统仿真。 图I 降膜式蒸发器结构示意图 第4期 王利等：冷水机组用降膜式蒸发器研究进展综述 与满液式蒸发器相比，降膜式蒸发器具有如 下优点： 1)更高的传热性能。即同样的蒸发温度条件 下，可以减少换热管的数量，降低换热器成本。 2)大幅降低制冷剂充注量。在当前面临制冷 剂减排压力的情况下，可以实现制冷剂的减量 使用。 但降膜式蒸发器在大型冷水机组中的使用还 不成熟，仍有许多技术问题 需解决，主要包括： 1)制冷剂分配问题。制冷剂能否均匀地分布 在换热管表面对于换热效率至关重要。 2)制冷剂在管束间的流动状态变化对换热性 能的影响。 3)换热器性能预测模型。目前对降膜式蒸发 器的设计大多采
7、用集总参数法，即采用一个评价 换热系数表示整个换热器的性能。 笔者将围绕上述3个换热器设计和应用的问 题，对降膜式蒸发器的研究进展进行综合评述，并 分析降膜式蒸发器未来发展和应用的研究方向。 1制冷剂分配 降膜式蒸发器与满液式蒸发器比较，制冷剂 充注量明显降低。如何保证制冷剂液体均匀分配 在换热管上，并实现持续均匀稳定流动对保障良 好的传热性能至关重要。制冷剂分配器设计是目 前制约降膜式蒸发器在冷水机组中广泛应用的主 要因素之一。国内外众多研究人员经过多年研 究，已经取得了一些理论成果，并公布了相当数量 的专利。 制冷剂分配器依据制冷剂的状态分为2种：两 相混合制冷剂分配器和纯液态制冷剂分配器
8、。对 于纯液态制冷剂分配器，需要在蒸发器外部对制 冷剂进行气液分离，分离后的纯液态制冷剂进入 制冷剂分配器进行分配。由于该设计需要气液分 离器，系统上更为复杂，成本较高，在冷水机组中 很少采用。目前的制冷剂分配器大多为气液两相 制冷剂分配器(流经膨胀阀进入降膜式蒸发器分 配器的制冷剂为气液两相混合状态)。由于两相 流速、物性、通道几何尺寸、形状、热负荷等的不 同，两相界面会出现不同的几何形状。气液两相 流根据流动的特点可分为泡状流、弹状流、分层 流、块状流、环状流等不同形式。因此，采用两相 制冷剂分配器，实现制冷剂液体在蒸发器换热管 长度和圆周方向上均匀分布的技术更为复杂。 在理论研究方面，C
9、hyu MC等 利用圆形 喷嘴分析了水平管表面不同位置的制冷剂分配情 况，研究了喷嘴高度、喷嘴间距、喷淋角度及管径 等因素对制冷剂分配和换热性能的影响。研究发 现，换热性能主要受喷嘴形式和管束排列的影响。 其圆形喷嘴理论分析结果可以应用到单排圆形或 方形喷嘴排列形式，如图2所示。并结合吸收式制 冷系统进行了试验对比分析，其理论预测体积流 量与测试值误差在13 。 (a)三角形排列 积 合面积 (b)正方形排列 图2圆形喷嘴阵列 王小飞等 对制冷剂分配器出口流型进行了 试验研究。研究发现，液体分布装置出口流型转 换与管问流型转换过程相似，经历了片状流、柱状 流、滴状流以及它们之间的过渡流型。发现
10、液体 分布装置的开孔孑L径、孔中心距对分配器出口流 型转换有较大影响：相同孔中心距下，孔径变大使 得流型转换的边界流量变小；而相同孑L径下，大孔 中心距会使流型转换边界流量变大。开孔规格对 柱状流、片状流之间的转换影响相对于其他流型 的影响要大。 与理论研究相比，更多的研究人员发布了多 项专利。从专利的分析来看，主要有2种：滴淋式 分配器设计和喷淋式分配器设计。 Hartfield JP和Moeykens SA等 发布 的专利为滴淋式分配器设计的典型代表。依据 第4期 王利等：冷水机组用降膜式蒸发器研究进展综述 I Yang等口们利用分布参数模型对不同管型 的降膜式蒸发器进行了模拟，研究制冷剂
11、分配不 均对蒸发器性能的影响。研究发现：TurboEHP 换热管与TurboB及Turbo BII相比具有更高的 降膜蒸发传热系数。当制冷剂分配不均匀时，换 热管表面发生干斑概率增大，进而影响换热性能。 4 降膜式蒸发器研究发展趋势 目前由于降膜式蒸发器在大型冷水机组的使 用刚刚起步，因此众多研究人员主要集中在分配 设计、管束间流态转化及对换热性能的影响等。 与满液式蒸发器比较，仍需11E以下几个方面克服 技术上的挑战： 1)制冷剂分配器设计 制冷剂分配器性能的好坏直接决定了降膜式 蒸发器的性能。制冷剂分配不均匀将可能造成部 分换热管发生干涸，降低换热效率，因此分配器设 计是降膜式蒸发器关键技
12、术之一。目前虽有很多 专利，但对两相流分配机制的研究还不充分，尤其 是对大型蒸发器需要的分 器研究更少。因此， 需要在机制的研究上引入可视化等手段观测分析 两相流动分配，为分配器设计提供理论依据。 2)管束排布方式的影响 目前对布管方式主要借鉴满液式蒸发器的设 计，但由于管束间的流动形式与满液式蒸发器明 显不同，制冷剂分配均匀性、于涸现象的发生等与 布管方式也有密切的关系，因此，需要对布管方 式，如换热管排列方式、管间距等对流型的影响， 如何消除或降低干涸现象的影响等加以深入 研究。 3)新型强化换热管的开发 随着对降膜蒸发强化传热机制认识的深入， 需要结合降膜蒸发强化传热机制开发适合降膜蒸
13、发的高效传热管。 水平管束降膜式蒸发器作为一种高效节能换 热设备正逐步在制冷空调行业推广应用。影响换 热效果的因素众多，虽然众多研究人员对此做了 大量研究工作，但由于气液两相流的复杂性，研究 的结果有所不同，并且针对制冷空调行业应用特 点的研究甚少。因此希望高校、研究机构和制冷 空调设备企业积极开展相关的基础研究，为降膜 式蒸发器的推广应用提供有力支撑。 参考文献 r 1 Chyu M C，Zeng XNozzle prayed flow rate distribu tion on a horizontal tube bundleJAHSRAE Trans actions Research，1
14、995，101：443453 2t4,飞，吕凯，范华亮，等液体分布装置出口流型转 换实验研究EJ热科学与技术，2()10，9(2)：1491 54 3Hartfield J P，Moeykens S A，Larson J WFalling film evaporator having twophase distribution system：US， 6167713P E4Hartfield J P，Moeykens S AFalling film evaporator with vaporliquid separator：US，556l987EP f5 Moeykens S A，Larson
15、J WFalling film evaporator for a vapor compression refrigeration chillers：US， 62931 12P 6Moeykens S AFalling film evaporator having an im proved twophase distribution system：US，6830099 Ee 7Dingel B E，Larson J WFlow distributor and baffle system for a failing film evaporator：US，6868695Pj 8杨丽，段永红，王文，等
16、压缩制冷降膜式蒸发器的制 冷剂分配器：中国，CN20071 00404645 EP 9刘华，张正国，高学农，等降膜蒸发器的布液装置：中 国，CN 102410773 BEP 11 罗毅用于降膜式蒸发器中的简易分配器：中国，CN 2()3()83213 UEP 11冯国明，邹顺达一种滴淋降膜式蒸发器分液均布装 置：中国，CN203011014 UEP 12 夏雨亮，李璐峰，王武平降膜式蒸发器的制冷剂分 配器：中国，CN 2(12885362 uP 13李明霞，陈传宝，朱海勇，等一种降膜式螺杆冷水 机组：中国，CN 203I32193 UEP 1 4Paul De Larminat，Luc Le
17、Cointe，John Francis Judge，et a1Falling film evaporator：US，7849710 厂口 L 1 5Jeb SCHREIBER，Jay A Kohler，John C Hansen，et a1 VAPOR COMPRESSION SYSTEM：US，0178790P 16Paul De Larminat，Jeb Schreiber，Jay A Kohler，et a1Heat Exchanger：US，03I9395P 1 7 Jeb Schreiber，Jay A Kohler，Paul De Larminat，et a1 VAP()R COM
18、PRESSION SYSTEM：US，03261osEP 1 8何茂刚，王小飞，张颖，等水平管降膜蒸发器管外液 体流动研究及膜厚的模拟计算J热科学与技术， 2007，6(2)：31 9325 19 陈金波水平管外降膜流动特性的数值研究D大 连理工大学，2011 2() 费继友，李连生水平管降膜式蒸发器管间流动模式 的研究J制冷与空调，2006，6(4)，102104 21焦彦红水平管降膜蒸发器喷淋均匀性分析及小流 量降膜数值模拟D华中科技大学，2012 22Killion J D，Garimella SPendant droplet motion for 102 剖痔 室谰 第14卷 E23
19、E24 E253 E26 27 E28 E29 3o3 absorption on horizontal tube banks，International Journal of Heat and Mass TransferJ2004，47： 44034414 31 Roques J FFalling film evaporation on a single tube and a tube bundleDSwitzerland，EPFL，2004 Habert MFalling film evaporation on a tube bundle with plain and enhanced t
20、ubesDSwitzerland，EP FL，2(09 Christians MHeat Trflnsfer and Visualization of Falling Fi1m Evaporation on a Tube BundleD Switzerland，EPFL，2()1() Vishwanath SubramaniamComputational Analysis of BinaryFluid Heat and Mass Transfer in Falling Films and DropletsDUSA，2008 Moeykens S A，Pate M BSpray Evaporat
21、ion Heat Transfer of R一134A on Plain TubeJASHRAE Transactions，1994，1()()：173184 Fujita Y，Tsutsui MExperimental Investigation of Falling Film Evaporation on Horizontal TubesJ Heat TransferJapanse Research，1 998，27(8)： 60961 8 Chang T BEffects of nozzles configuration on a shell。and-tube spray evapora
22、tor with liquid catcher rJAppl Therm Eng，20)6，26：814823 Awad M M，Negeed E RHeat transfer enhancement of falling film evaporation on a horizontal tube bun dleCProceedings of the International water 32 33 34 E35 E36 Technology ConferenceIWTC1 3，Hurghada，Egypt， 2009：1461-1478 Chang T B，Lu C C，Ii J CEnh
23、ancing the heat transfer performance of triangular-pitch shell-and- tube evaporators using an interior spray technique JApplied Thermal Engineering，2009，29： 25272533 K6rolu B，Bogan N，Park CEffects of Tube Row on Heat Transfer and Surface Wetting of Microscale PorousLayer oated，HorizontalTube，Falling
24、Film EvaporatorrJJ Heat Transfer，2013，135： K6rolu B，Lee K S，Park CNanomicroscale sur face modifications using copper oxidation for en hancement of surface wetting and fallingfilm heat transferJInt J Heat Mass Transfer，201 3，62：794 804 Bogan N，Park CInfluences of solution subcooling， wall superheat a
25、nd porouslayer coating on heat transfer in a horizontaltube，fallingfilm heat ex changerJInt j Heat Mass Transfer，2014，68：141 150 翟玉燕，黄兴华基于分布参数模型的水平管式降膜 蒸发器模拟J机械工程学报，2009，45(7)， 284290 Yang L，Wang WThe heat transfer performance of horizontal tube bundles in large falling film evapora tors EJInt J Ref
26、rigeration，2011，34(1)：303316 e 必业 鲁业盥 业业业妊业啦 出业 e业 妇 业啦 e 业业业 e业 妊业业 e 业 (下接第125页) E5Moeykens S A，Kelly J E，Pate M BSpray evaporation 6 72 8 heat transfer performance of R1 23 in tube bundles JASHRAE Trans，1996，102(2)：259272 Chyu M C，Bergles A EAn analytical and experimen tal study of failing film e
27、vaporation on a horizontal tubeJTrans ASME J Heat Transfer，1987，109 (4)：983990 ZhenHua Iiu，QunZhi Zhu，YuMing ChenEvapora tion heat transfer of failing water film on a horizontal tube bundleJHeat transfer-Asian Research，2002， 31(1)：4255 Cooper M GSaturation nucleate pool boilinga simple correlationJI
28、nt Chem Eng Symp Ser，1984，86： 785792。 E9杨丽，王文，白云飞水平管降膜式蒸发器传热优化研 究J工程热物理学报，2(09，3()(11)：1913-1916 1()杨丽，王文，白云飞水平管降膜蒸发器的管束列数 优化数值模拟J上海交通大学学报，2010，44(1)： 1011(15 11J F Roques，V Dupont，J R Thome，et a1Falling film transitions on plain and enhanced tubes EJJournal 0f Heat Transfer，2002，124：491499 1 2 郑美玲，王文管侧流量分布均匀性对水平管降膜蒸 发器换热的影响J机械工程学报，201 1，22： 14()一145
