張 政，林 仕，姚 寧，劉 曦，莊焜煜，李學(xué)來

（福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建福州350116）

1 引言

水平管降膜蒸發(fā)器作為一種高效的換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、溫差小、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、石油冶煉、海水淡化等行業(yè)［1－3］。近年來降膜蒸發(fā)技術(shù)開始應(yīng)用到制冷系統(tǒng)中，但它存在著制冷劑分配不均和干斑等缺點(diǎn)，限制了水平管降膜蒸發(fā)器在制冷行業(yè)的廣泛應(yīng)用。若能克服這些缺點(diǎn)，降膜蒸發(fā)器在制冷行業(yè)將有更廣闊的發(fā)展空間。液體分布器是降膜蒸發(fā)器中的關(guān)鍵部件，性能良好的液體分布器有助于制冷劑液膜的均勻分布［4－6］。水平管降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)換熱特性很大程度上取決于液體分布器的結(jié)構(gòu)和性能［7－9］，因此探究不同因素對(duì)液體分布器布液性能的影響規(guī)律，對(duì)于提高水平管降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于液體分布器布液效果的影響因素進(jìn)行了大量的研究。Chyu等［10］對(duì)噴淋式的液體分布器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，研究了噴淋高度、噴嘴角度、噴嘴間距等因素對(duì)于蒸發(fā)性能的影響，發(fā)現(xiàn)水平管降膜蒸發(fā)器的換熱性能主要與噴嘴形式和換熱管的排布方式有關(guān)。但是在流量較小的情況下，噴嘴結(jié)構(gòu)的液體分布器在換熱管上會(huì)出現(xiàn)干斑現(xiàn)象，從而影響換熱性能。Parken等［11］發(fā)現(xiàn)在同等條件下，多孔結(jié)構(gòu)的液體分布器比窄縫式的布液效率高20%。張寧等［12］用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的液體分布器內(nèi)部流體流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)中間開孔的液體分布器有助于布液均勻性的提高。王小飛等［13］對(duì)不同規(guī)格的底部開孔式液體分布裝置進(jìn)行了性能研究，發(fā)現(xiàn)液體分布器的開孔孔徑和孔間距對(duì)出口流型轉(zhuǎn)換有較大影響。Lei等［14］發(fā)現(xiàn)換熱管上的液膜厚度隨著液體分布器高度的增加而減小。趙斌等［15］對(duì)單層孔板式液體分布器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不均勻度隨著介質(zhì)粘度和流量的增大而減小。陳海燕［16］通過實(shí)驗(yàn)研究了一種滴淋式液體分布器布液效果的影響因素，發(fā)現(xiàn)邊緣效應(yīng)和射流對(duì)布液效果有較大影響。Gandhi等［17］用數(shù)值模擬的方法，研究了液體分布器布液不均勻性的影響因素，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流動(dòng)介質(zhì)會(huì)影響布液效果。綜合來看，前人對(duì)液體分布器性能的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究主要從液體分布器的結(jié)構(gòu)形式、布液高度、流動(dòng)介質(zhì)等幾個(gè)方面進(jìn)行，但是缺乏液體分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如布液孔徑和孔間距對(duì)于布液效果影響規(guī)律的研究。而且出于技術(shù)保密或知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)考慮，相關(guān)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少公布。因此，深入研究有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液體分布器布液性能的影響規(guī)律，對(duì)于高性能液體分布器的開發(fā)設(shè)計(jì)有重要意義。

針對(duì)降膜蒸發(fā)器中常見的液膜分布不均勻的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型孔板結(jié)構(gòu)的液體分布器，實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)液流量、布液孔間距、孔徑、分流區(qū)間距、溫度等因素對(duì)于布液效果的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了各參數(shù)對(duì)布液不均勻度的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果對(duì)液體分布器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。

2 液體分布器的設(shè)計(jì)

液體分布器的設(shè)計(jì)目的是為了優(yōu)化流動(dòng)通道，以此來保證液體在換熱管上軸向和周向的均勻分布。本文針對(duì)水平管外降膜實(shí)驗(yàn)，提出了一種新型液體分布器的設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)孔板液體分布器的主要區(qū)別在于它采用了雙層孔板的結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)如下：第一層是分流板，改變液體在液體分布器中的流動(dòng)速度，進(jìn)行液體的初次分布；第二層是布液板，設(shè)置布液出口，用于二次布液。為了防止布液孔的堵塞，分流孔孔徑均小于布液孔的孔徑，且分流孔共有三排。液體分布器的截面圖如圖1所示。

圖1 液體分布器截面圖

布液板中最主要的設(shè)計(jì)參數(shù)是布液孔數(shù)量、直徑和布液孔間距。實(shí)際應(yīng)用中常采用多排布液孔，但每排布液孔的流動(dòng)情況類似。為了進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)、便于觀察和測(cè)量各噴淋孔流量，故采用單排布液孔的設(shè)計(jì)。若布液孔出口速度太大，會(huì)影響液膜的形成，一般要求出口速度控制在 1.2m／s以下［18］。液體分布器的布液板上設(shè)有5個(gè)布液孔，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，出口速度滿足本文要求。出口孔徑可按下式估算：

式中，q為總的體積流量，m3／s；N為布液孔數(shù)量；v為各個(gè)孔口的平均流速，m／s。

對(duì)于滴狀流與柱狀流模型，開設(shè)布液孔的間距對(duì)降膜流動(dòng)的布液效果有著重要的影響。通常，開設(shè)布液孔的間距近似于兩相鄰孔間的液柱間距λ，如圖2所示。λ的大小和泰勒不穩(wěn)定性有關(guān)，由于本實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)介質(zhì)為水且流量較小，流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)可以忽略氣泡，因此可采用文獻(xiàn)［19］的計(jì)算公式：

式中，σ為表面張力，N／s；ρ為密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；n為常數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)流經(jīng)水平橫管時(shí)，通常取n＝2；當(dāng)換熱管上的液膜較厚時(shí)，取n＝3。式中λ代表液柱間距，m。

圖2 液柱間距λ

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，主要由液體分布器、換熱管、水箱、離心泵、閥門、流量計(jì)、集液桶組成，本文以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)流程如下：水箱中的水由離心泵動(dòng)力輸送，經(jīng)主路控制閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)，液體被輸送到液體分布器中，通過液體分布器均勻地噴淋到水平換熱管上，在換熱管表面形成液膜后流入水箱，完成一次循環(huán)。在圖3中，主路控制閥可以對(duì)整體流量進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)；而旁路控制閥可以控制回流流量，從而對(duì)整個(gè)管路的流量進(jìn)行粗調(diào)。管內(nèi)流量經(jīng)稱重法進(jìn)行了校量，誤差在1%以下。實(shí)驗(yàn)前調(diào)整液體分布器使其嚴(yán)格水平，系統(tǒng)運(yùn)行30min后，即可保證液體分布器內(nèi)部流道濕潤(rùn)和流動(dòng)穩(wěn)定。之后采用集液桶收集液體分布器中每個(gè)孔的流量，根據(jù)各孔流量大小來分析液體分布器布液的均勻程度。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為衡量液體分布器布液效果的好壞，本文引入布液不均勻度 （ξ）［20］進(jìn)行評(píng)價(jià)，ξ數(shù)值越大，表明液膜分布越不均勻，布液效果越差。每個(gè)布液孔的噴淋量的算術(shù)平均值用Qi來表示 （i代表孔編號(hào)），Q表示Qi的平均值。

液體分布器的單孔平均噴淋量Q由下式計(jì)算：

液體分布器的噴淋量樣本方差S由下式計(jì)算：

布液不均勻度ξ可用液體分布器的噴淋量樣本方差除以此列布液孔的單孔平均噴淋量來計(jì)算。在不同流量下，ξ的計(jì)算公式如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 液體分布器的流量特性

將初步設(shè)計(jì)的液體分布器編為1號(hào)，其分流板和布液板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了探究不同因素對(duì)布液效果的影響，采用控制變量法設(shè)置了多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的液體分布器進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖4 液體分布器分流板和布液板結(jié)構(gòu)圖

表1 液體分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用圖3所述的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)1號(hào)液體分布器進(jìn)行布液效果測(cè)定，可得到不同進(jìn)液流量下的單孔流量，如圖5所示。

圖5 液體分布器單孔流量隨進(jìn)液流量的變化情況

從圖中可以看出，各孔流量都隨著進(jìn)液流量的增加而增加，二者大致呈線性關(guān)系。其中，當(dāng)進(jìn)液流量為400ml／min時(shí)，單孔流量有較大的波動(dòng)，其中波動(dòng)幅度百分比18.7%，布液不均勻度數(shù)值為0.54。隨著流量增加至600ml／min，各布液孔的單孔流量趨于均勻，不均勻度降為0.22。這是因?yàn)檫M(jìn)液流量較小時(shí)，液體分布器中流動(dòng)通道未完全被水充滿，尚留有空氣流對(duì)其擾動(dòng)，所以各孔流量波動(dòng)較大。而隨著流量的增加，流動(dòng)通道逐漸被水充滿，此時(shí)加載到各個(gè)布液孔的壓力基本相同，各孔流量趨于一致。

4.2 布液孔間距對(duì)布液效果的影響

為了探究布液孔間距對(duì)于布液效果的影響，采用不同布液孔間距的液體分布器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三種液體分布器的不均勻度對(duì)比如圖6所示。

圖6 布液孔間距對(duì)不均勻度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)液流量的增加，三條曲線的差距逐漸縮小，說明布液孔間距對(duì)不均勻度的影響隨著進(jìn)液流量的增加而減小。三種液體分布器的不均勻度的最大值均出現(xiàn)在進(jìn)液流量為400ml／min時(shí)，在一定范圍內(nèi) （λ≥24mm），液體分布器的不均勻度隨著進(jìn)液流量的增加而一致減小。當(dāng)布液孔間距λ＝20mm時(shí)，不均勻度先隨著進(jìn)液流量的增大而緩慢下降，當(dāng)流量達(dá)到1200ml／min后，不均勻度隨著進(jìn)液流量的增大而增大。這可能是由于布液孔間距較小，在匯流作用下，最中間的布液孔附近的壓強(qiáng)較大，出現(xiàn)射流現(xiàn)象，引起單孔流量增大，整體不均勻度增加。

4.3 布液孔孔徑對(duì)布液效果的影響

為了探究布液孔孔徑的變化對(duì)于布液效果的影響。以不同孔徑的液體分布器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其他條件不變，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。三種液體分布器在不同流量下的不均勻度對(duì)比如圖7所示。

從圖7可以看出，在400～1600ml／min的流量范圍內(nèi)，不同布液孔孔徑的液體分布器的不均勻度均隨著流量的增加而減小，而且三條曲線之間的差距逐漸減?。辉谙嗤M(jìn)液流量下，不均勻度隨著孔徑的增大而減小。這說明布液孔孔徑的增加有利于布液效果的提高，這是因?yàn)榭讖阶兇髸r(shí)，布液孔的截面積變大，液體從布液孔流出的阻力損失較小，液體在靜壓作用下更容易從布液孔內(nèi)流出。

圖7 布液孔孔徑對(duì)不均勻度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4 分流區(qū)間距對(duì)布液效果的影響

為了探究分流板上分流區(qū)間距對(duì)于布液效果的影響，以不同分流區(qū)間距的液體分布器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其他條件不變，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。三種液體分布器在不同流量下的不均勻度對(duì)比如圖8所示。

圖8 分流區(qū)間距對(duì)不均勻度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖8可以看出，在流量相同的情況下，布液不均勻度隨著分流區(qū)間距的增加而減小，這是因?yàn)榉至骺拙嚯x布液孔越近，液體受到的沿程阻力損失就越小，對(duì)流速的降低效果就越不明顯，從而影響布液效果。隨著流量的增加，三種液體分布器的不均勻度均逐漸減小并趨于平穩(wěn)，說明流量的增加會(huì)削弱分流區(qū)間距對(duì)不均勻度的影響。

4.5 溫度對(duì)布液效果的影響

溫度會(huì)改變流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)力粘度和密度，并進(jìn)而影響布液效果。圖9為1號(hào)液體分布器在不同溫度下布液不均勻度的變化圖。

圖9 溫度對(duì)不均勻度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖9可以看出，液體分布器的不均勻度隨著溫度的增加會(huì)有輕微的下降，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，水的粘度降低，分子間的作用力減弱，更容易形成均勻的出流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明溫度的升高有助于布液效果的提高，但提高幅度有限。

4.6 布液不均勻度量綱分析及關(guān)聯(lián)式

經(jīng)過分析，影響布液不均勻度ξ的主要參數(shù)有進(jìn)液流速u、進(jìn)液口直徑D、分流區(qū)間距l(xiāng)、布液孔間距λ、布液孔孔徑d、重力加速度g、介質(zhì)動(dòng)力粘度μ、介質(zhì)密度ρ。根據(jù)白金漢定理，相關(guān)的無量綱數(shù)可以表達(dá)為：

選取的基本量綱為：長(zhǎng)度量綱 ［L］，時(shí)間量綱 ［T］，質(zhì)量量綱 ［M］。將上述參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理：

［ξ］ ＝ ［L］0［M］0［T］0

［u］ ＝ ［L］［T］－1

［D］ ＝ ［L］

［l］ ＝ ［L］

［λ］ ＝ ［L］

［d］ ＝ ［L］

［g］ ＝ ［L］［T］－2

［μ］ ＝ ［L］－1［M］［T］－1

［ρ］ ＝ ［M］［L］－3

得到量綱矩陣：

R（A） ＝3，Ay＝0有8－3＝5個(gè)基本解。通過求解得：

此時(shí)無量綱數(shù)可以表達(dá)為：

采用數(shù)學(xué)軟件將上述參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不均勻度的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式：

該關(guān)聯(lián)式的適用條件如表2所示。

表2 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式適用條件

將實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式的值進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。通過63組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除了2號(hào)液體分布器的兩組數(shù)據(jù)由于射流現(xiàn)象與預(yù)測(cè)值產(chǎn)生了較大偏差以外，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)的誤差均小于30%，其中50組數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值的誤差小于20%，說明該預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式可較好的適用于本液體分布器的布液不均勻度分析。其中90%的數(shù)據(jù)值小于1，說明該液體分布器的整體布液效果較好。

圖10 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)降膜蒸發(fā)器中液體分布不均勻的問題，本文自行設(shè)計(jì)了一種新型孔板式液體分布器，并通過實(shí)驗(yàn)探究了不同因素對(duì)于布液效果的影響。所得結(jié)論如下：

（1）所提出的新型結(jié)構(gòu)的分流板和布液板可大幅提高液體分布器的布液性能，在進(jìn)液流量為400ml／min～1600ml／min的范圍內(nèi)，液體分布器的平均不均勻度最低可達(dá)0.074。

（2）在實(shí)驗(yàn)條件下，液體分布器的不均勻度隨著進(jìn)液流量的增加而減小，然后趨于穩(wěn)定。說明進(jìn)液流量的增加有助于提高布液效果。布液孔間距對(duì)不均勻度的影響隨著進(jìn)液流量的增加而減小；不均勻度隨著布液孔孔徑和分流區(qū)間距的增大而減小；溫度通過影響介質(zhì)粘度和密度影響布液效果，不均勻度隨溫度的升高而降低。

（3）所提出的布液不均勻度無量綱關(guān)聯(lián)式具有較高的準(zhǔn)確度，可為液體分布器布液不均勻度的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。