量流量、管程布置以及满液区位置等参数改变对蒸发器性能的影响。 5.1 管束布置
5.1.1 管子排列方式
管子的排列方式为顺排和叉排。其余参数与模拟样机相同。由表2中的计算结果可以看出，两种排列方式下换热量的相对误差为0.09%。由于相同空间中顺排所能布下的管数少，而且顺排时所要求管间距相对较大，一般设计水平管式降膜蒸发器时建议采用叉排。
5.1.2 不同位置管子换热性能比较
此处取上述模拟蒸发器中6根有代表性的管子：两管程第1排、第7排(降膜区)以及第8排(满液区)的左边第1根(图1中实心管)。
由表3中降膜换热因子值可看出，位于降膜区4根管子呈现不同程度的干斑现象。其中第1管程
为考核模型，本文针对某公司制造的降膜蒸发器样机进行了模拟，其试验制冷量为556 kW。图1为管束排列示意图，具体参数为：水平布置，两管程(左右管束对称)；Turbo-EHP管；管束等三角形排列，垂直管间距43.0 mm；总管排数13，管子总数156；满液位置在第8排，满液区管子数占总管数的40%；制冷剂R134a。该换热管的其他参数见表1。
较严重，尤其是位于下部的第7排。但换热量等性能参数值却远大于第2管程。产生上述现象是由于沿管排方向制冷剂流量逐渐减少，而第1管程管侧流体温度较高，管内外侧流体之间温差较大。由图5可以获知第1管程第7排中沿管内流体流动方向干斑分布。前3 个单元均有干斑出现，其中第3个单元干斑现象较弱。
图4 程序计算流程图
4 模型考核及分析
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表3 不同位置管子换热性能比较
机 械 工 程 学 报 第45卷第7期
管排 管 1 程 7 1 8 管 1 程 7
器几乎不存在干斑现象，所以图6中当横坐标值大
制冷量 换热系数 降膜换热因子 热流密度
于1.0时坐标点位于一水平线。而横坐标值小于1.0–2–1–2
Q/ kW Ko/(kW m K) qo/(kW m) 临界Kffth实际Kff
时纵坐标值急剧下降。此现象表明有干斑产生时，
4.28 4.36 23.83 0.628 0.626
制冷剂流量对蒸发器换热性能影响很大，流量越大4.17 4.21 23.20 0.580 0.631
4.75 5.02 26.46 – – 则换热性能越好；无干斑发生时，制冷剂流量对换2.46 4.20 13.70 0.713 0.712热性能没有影响。
2.46 4.20
4.74
13.70 0.713 0.71215.02
–
–
2 8 2.70
图5 沿一单根管子长度方向的降膜换热因子
图6 制冷剂质量流量变化对蒸发器性能影响
5.1.3 垂直管间距
表4为通过改变垂直管间距而计算得到的蒸发器性能。计算中，其他参数包括管程布置、满液区管子数等保持不变(管束在管板上的排布方式可能需要相应改变)。
表4 不同垂直管间距对蒸发器性能的影响
垂直管间距 换热量 pt / mm 43.0 38.2 28.6
Q/ kW 548.2
热流密度 qo/(kW m–2)
降膜换热因子 临界 Kff, th
实际 Kff
实际情况下蒸发器的换热性能要劣于图6所示的模拟结果，因为模拟计算时认为满液位置保持不变。实际运行中如果制冷剂质量流量过少，会导致满液位置不断降低，引起干斑现象更加严重；流量过多，则导致满液位置不断升高，使部分降膜区转化为满液区，换热性能下降。 5.3 管程布置和满液位置
所模拟的蒸发器采用水平布置，为研究管程改变对蒸发器性能的影响，考虑了管程垂直布置，包括冷水下进上出和上进下出两种情况。保持管排布置形状不变，在下进上出情况中，将图1中下面7排设为第1管程，上面6排设为第2管程，第1、第2管程管子数分别为80、76。而两个管程序号互换就是上进下出情况。为考虑满液位置影响，定义满液因子为满液部分管子数占总管数的百分比。考察5种情况，即满液因子α =0.1，0.2，0.4，0.5。垂直管间距取23.8 mm。
表5给出了综合考虑管程布置和满液位置的计算结果。由表5可见，对于各种管程布置，降膜蒸发器换热量以及总传热系数均随满液位置升高而增加，原因为在所考察的满液位置变化范围内，管束中均有干斑现象发生，因此适当提升液位可以降低干斑发生范围，提高换热性能。但满液部分管子也不能过多，一般在无干斑发生时，降膜换热性能要优于满液式换热，随着满液位置上升，降膜区面积减少，总体换热性能将下降。由此可知降膜蒸发器中满液位置应存在最佳值。另外，满液位置过高也使所需制冷剂增多，经济性和环保性降低。所以为充分发挥降膜式换热器的性能，需对管程布置和满液位置进行优化设计。
19.65 0.671 0.667
0.998 0.983 1.326 1.295
561.2 20.08 0.835 0.826 576.9 20.59 1.162 1.139
33.4 570.2 20.37 23.8 582.0 20.76
从表4可以看出，垂直管间距对蒸发器性能有
一定影响，当管间距由43.0 mm减小到23.8 mm时，换热量可以提高6.2%。通过临界降膜换热因子值可知，设计水平管式降膜蒸发器时Turbo-EHP管的垂直管间距应尽量小于33.4 mm，这样换热性能才会优于满液式。但需注意管间距也不能太小，应满足换热器设计要求。
5.2 制冷剂液膜质量流量(降膜区)
通过改变模拟蒸发器制冷剂滴淋的质量流量，对蒸发器换热性能参数进行对比分析。如图6所示为2种垂直管间距(23.8 mm和28.6 mm)下制冷量随制冷剂质量流量的变化趋势。横坐标所指模拟样机
纵坐标所指的模拟制冷剂质量流量qmfs=3.516 kg/s，
由表样机制冷量Qs为相应垂直管间距下的计算值。
4可知制冷剂流量为3.516 kg/s时，2种管间距蒸发
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
表5 不同布置下的计算结果
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管程布置 水平布置 下进上出 上进下出
换热量 Q/kW 总传热系数 Ko/(kW m–2 K–1) 降膜换热因子Kff
α =0.1 556.6 518.4
α =0.2576.1542.4
α =0.4 580.3 546.7
α =0.5572.3 544.4
α =0.14.56 4.55
α =0.25.01 4.99 4.89
α =0.45.03 5.10 4.93
α =0.55.02 5.08 4.89
α =0.1 1.19 1.08 1.11
α =0.2 1.23 1.25 1.22
α =0.41.29 1.37 1.23
α =0.51.30 1.40 1.20
570.3 580.7 582.0 578.9 4.98
图7、8表示在满液因子为0.2，管束水平布置情况下，计算得到的蒸发器实际和临界降膜换热因子以及管外热流密度沿管排垂直方向的分布。图8为蒸发器降膜区实际和临界降膜换热因子沿管内流体流动方向分布。由图7 可见临界降膜换热因子随热流密度增大而减小。如前所述，当实际降膜换热因子小于临界值时出现干斑现象，另外降膜换热因子表示降膜蒸发换热系数相对于满液式换热系数的强化倍数，其值大于1.0表示有强化效果，小于1.0表示由于干斑出现或管束布置不合理，导致换热性能不如满液式。