基于分布参数模型的水平管式降膜蒸发器模拟

第45卷第7期 2009年7月

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.45 No.7 Jul. 2009

DOI：10.3901/JME.2009.07.284

基于分布参数模型的水平管式降膜蒸发器模拟

翟玉燕 黄兴华

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

摘要：建立水平管式降膜蒸发器蒸发换热的分布参数模型，考虑换热性能沿管子轴向、管排方向的变化，以及传热管发生干斑现象时对降膜蒸发的影响。对一降膜蒸发器的性能进行模拟分析，并考察管束布置、制冷剂液膜质量流量、管程布置以及满液位置对降膜蒸发器性能的影响。结果表明，计算结果和试验结果吻合良好，通过合理的设计管排方式和满液位置，可以减少或避免干斑现象的发生，提高降膜蒸发器性能。 关键词：降膜蒸发器　干斑　分布参数模型 中图分类号：TG156

Prediction of the Performance of Falling Film Evaporator with Horizontal

Tube Bundle Based on a Distributed Parameter Model

ZHAI Yuyan HUANG Xinghua

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)

Abstract：A distributed parameter model is developed for predicting the performance of a horizontal-tube falling-film evaporator. In this model, the variation of heat transfer performance along the tube length and array, as well as the effect of the dry patch on the performance are considered. The model is applied to predicting the performance of a commercial falling film evaporator, and the influences of bundle layout, pass layout, refrigerant mass flow rate and the flooded level of refrigerant on the evaporator performances are studied. The results show that the simulation result agrees well with the experimental data, and it is possible to decrease or avoid the dry patch area on the tube bundle and therefore improve the evaporator performance by rationallly designing the layout of the tube bundle and the flooded level of the refrigerant.

parameter model Key words：Falling film evaporator Dry patch Distributed

0 前言降膜蒸发相比其他形式的蒸发如满液式有许

多优点：传热效率高、制冷剂充注量少和节省管材等。鉴于此，降膜蒸发越来越广泛应用于制冷空调、食品加工、化工和海水淡化等行业。由于降膜蒸发传热机理复杂，蒸发器性能受布液方式、管排布置和管型、液膜流态、气流分布和表面湿润状况等因素的影响[1-5]，目前对此类蒸发器还缺乏有效的设计计算方法，工程上大多采用集总参数法，即采用一个平均换热系数表示整个蒸发器的性能。这种方法计算精度低，误差较大。

在水平管降膜蒸发器研究方面，BOUROUNI20080711收到初稿，20090408收到修改稿

等[3]建立了海水淡化系统中水平管降膜蒸发器的分布参数模型，模型为单管程，每排有一根管子。SULTANA等[4]建立了吸收式制冷系统中水平管束降膜吸收器的分布参数模型。ROQUES[2]对水平管束降膜蒸发换热进行了较为系统的试验研究，研究了光管、Turbo-BII HP管、GEWA-B管和一种高热流管在R134a制冷剂中降膜蒸发的性能，采用加强模型拟合了制冷剂降膜蒸发换热系数。ROQUES还研究了降膜蒸发中发生干斑的条件及其对换热的影响。在国内方面，水平管降膜蒸发器的模拟研究还很少[6]。

本文建立降膜蒸发器分布参数的计算模型，管外降膜换热系数采用ROQUES和THOME的关联式计算，通过模拟一降膜蒸发器对模型进行了考核，并基于此模拟蒸发器，研究了垂直管间距、管程布

2009年7月 翟玉燕等：基于分布参数模型的水平管式降膜蒸发器模拟 285

置和满液位置等因素对蒸发器性能的影响。

1 水平管式降膜蒸发器理论模型

水平管降膜蒸发器中，制冷剂通过布液器滴淋到换热管上，在上面发生降膜蒸发，水在管内流动，蒸发所产生的蒸汽通过管束间的气流通道汇集到蒸发器两侧，从顶部流出。根据管程布置方式的不同，降膜蒸发器有水平布置和垂直布置之分。由于制冷剂流量沿管排方向逐渐减少，位于蒸发器底部的管子容易缺液而产生干斑，通常在降膜蒸发器底部存有一定量的制冷剂液体，底部几排管子沉浸在制冷剂中，换热方式为满液式换热，这样可以减少或避免部分管子出现干斑现象，从而强化换热[7]，如图1中颜色较深部分所示。

向的单元序号，k表示为管排水平方向的单元序号。图3中的阴影表示一个单元体。沿轴向一个管程共有Nx个网格，对有Np个管程，水平布置和垂直布

置的蒸发器，管长方向总网格数分别为Np×Nx，Nx。

图2 蒸发管束示意图

图3 管束轴向截面图

根据传热单元法，单元体的热负荷为

Qij=(qmcp)cwε (Tcwi–Tri) (1)

式中，Qij为单元热负荷；qm为流体质量流速，qmcp为水当量；Tcwi、Tri分别为水及制冷剂的入口温度；ε为单元换热器效能

图1 蒸发器示意图

ε =1–exp(–nNTO) (2) nNTO为传热单元数

由于冷水温度沿轴向变化，制冷剂流量沿管排变化，降膜蒸发器的性能沿管子轴向和管排均有变化；另外，在同一排水平管中，因各管子在管束中相对位置不同，换热性能也可能有所不同，因此，本文所建立分布参数模型考虑了降膜蒸发器性能沿管长方向，管排垂直方向和水平方向的变化，是一个三维模型。模型简化假设如下。

(1) 布液器布液均匀。

(2) 气液界面处于热力学 …… 此处隐藏：10076字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……