热虹吸蒸发器低温传热的强化机理

文章编号：1671-6612（2008）05-039-04

热虹吸蒸发器低温传热的强化机理

蔡永生1

陆靓燕2

（1.武汉新世界制冷工业有限公司 武汉 430023; 2.武汉工程大学 武汉 430073）

【摘 要】 以传热学理论为依据，全面分析蒸发器低温状态下管内外换热系数的影响因素，确立了热虹吸蒸

发器低温传热的强化机理，并且进一步探讨了提高热虹吸蒸发器换热效率的途径。

【关键词】 载冷剂；热虹吸蒸发器；换热系数；核态沸腾；质量流率 中图分类号 TB61 文献标识码 A

The Enhancement Mechanism of the Low-temperature Heat Transfer of Thermosiphon Evaporator

Cai yong sheng 1 Lu

liang yan 2 ( 1. Wu Han-New World Refrigeration Industrial Co.,LTD 2.Wuhan Institute of Technology )

【Abstract 】Based on the heat-transfer theories, this paper makes an overall analysis on some factors influencing the coefficient of heat transfer inside and outside the tubes of the evaporator under low temperature condition. It formulates the enhancement principle of the Low-temperature heat transfer of thermosiphon evaporator, and also makes more study on the way in which the coefficient of heat transfer can be increased.

【Keywords 】secondary refrigerant ；thermosyphon evaporator ；heat exchange coefficient ；nucleate boiling ；mass flowrate

作者简介:蔡永生(1980—)，男，助理工程师。

收稿日期：2008-04-30

0 引言

工业制冷领域中，由于工艺等原因，经常采用

载冷剂间接冷却的供冷方式。载冷剂以液态在蒸发器与用冷场所的冷却器之间循环。常用的传统载冷剂为水、无机盐水溶液、有机液或有机物的水溶液。工业制冷系统中载冷剂通常要求温度在0℃～40℃，为了满足这一要求，工业载冷剂常用氯化钙、乙二醇、氯化钠、碱水等水溶液。

载冷剂使用温度若降低，其起始凝固温度也会随之降低，这时载冷剂的质量浓度和运动粘度都会因之增大，使得雷诺数Re 大幅度下降，流动阻力增加，并且流动边界层和热边界层增厚，载冷剂单相流的换热系数将大幅度下降，如果雷诺数接近或小于临界值2300，此时换热器的传热效率就可想而知了。

为了提高载冷剂的换热效果，一般采取两种办法：一种是提高流体的流速，即用加大流量的办法增强换热；另一种则是增大换热器的换热面积。前者必将加大流体的流动阻力，增加了流体驱动设备的功率消耗，后者是以浪费设备制造的材料作为代价，用以弥补传热效率的下降，显然这两种方法都是非常不经济的。那么换热器在低温换热时，采取怎样的方法才能够有效的提高换热效率，本文将对此作出论述。

1 载冷剂侧换热分析

我们知道，载冷剂于蒸发器中作单相流动，与壁面另一侧的制冷剂进行换热，其自身温度降低，整个传热过程无相变。在低温下载冷剂的雷诺数Re<104时,查其管内和管外流动的换热系数的关联式如下：

管外换热系数关联式(茹卡乌斯卡斯公式)：

a f =0.35·(λ/d 0)·(S 1/S 2)0.2·Re f 0.6·Pr f 0.36·(Pr f /Pr w )0.25 （1）

式中：a f — 管外换热系数，W/（m 2·K ）

第22卷第5期 2008年10月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning V ol.22 No.5 Oct. 2008.39～42

·40·制冷与空调 2008年

Re f —管外载冷剂雷诺数

Pr f—管外载冷剂平均温度的普朗特数

Pr w—管外壁温度下载冷剂的普朗特数

λ—管外载冷剂导热率，W/m·℃

d0 —换热管外径，m

公式适用范围：(S1/S2）≤2，Re=103～2×105，流

体横掠叉排，排数≥16;

管内换热系数关联式(格尼林斯基公式)：

a i =(λ/d i)·0.012·(Re f0.87-280)·Pr f0.4·(1+(d i/L)2/3)·(Pr f/Pr w)0.1（2）

式中：a i —管内换热系数，W/（m2·K）

Re f—管内载冷剂雷诺数

Pr f—管外载冷剂平均温度的普朗特数

Pr w—管外壁温度下载冷剂的普朗特数

λ—管内载冷剂导热率，W/(m·℃)

d i—管子内径，m

L —换热管长度，m

公式适用范围：Re=2300～106，(Pr f/Pr w)=0.05～20，

Pr f=1.5～500;

对上述公式分析可知：

①无论是管内，还是管外的单相流动紊流换热，载

冷剂的雷诺数Re f和普朗特数Pr f都是影响换热系

数的重要因素，其中雷诺数Re f是主要因素。

②在低温制冷系统中，由于载冷剂使用温度比较

低，质量浓度和运动粘度较大，所以载冷剂的雷诺

数Re f不会太高，换热情况不理想。

③载冷剂在相同速率和温度条件下，它在管内、外

的雷诺数却并不相同，相对应的管内、外换热系数

也并不相同。下面表格中列举了四种不同载冷剂管

内外换热系数的差异。

（计算条件：换热管内径20mm，外径25mm，载

冷剂定性温度-20℃，流速2m/s，管外换热时

(S1/S2)=1.155，正三角形叉排，>16排，忽略(Pr f/Pr w)0.25

的影响；管内换热时，忽略(d i/L)和(Pr f/Pr w)的影响）

表1 载冷剂管内外换热比较

凝固点（℃）

运动黏度υ×10-6（m2·s）普朗特数Pr

导热系数λ（W/m·℃)

管外Re

管内Re -25.7

7.77

53.8

0.51

6435

5148

-26

14.6

118.3

0.45

3424.7

2739.7

-21.2

6.32

47.75

0.515

7911

6329

管外a f W/(m2·K)

管内a i W/(m2·K）

a f /a i 比率

5948.7

2131.8

2.79

4774.2

1273.7

3.75

6513.6

2536.3

2.57

从以上数据对比我们不难看出，低温状况下流

体在管内雷诺数低于管外，有的管内雷诺数甚至已

经接近临界值（Re=2300），其管内换热系数也明

显低于管外换热系数。为了增强换热，我们应该将

载冷剂设置在管外流动，以增强传热效果，这也验

证了在工业制冷的低温工况，蒸发器一般都采用干

式结构。

2 制冷剂侧换热分析

制冷剂在蒸发器里通过气化潜热，实现对载冷

剂的吸热制冷，而其本身由液相转变为气相。制冷

剂沸腾换热的最佳工作区域是核态沸腾，在此区段

中随着液体过热度的增加，液体的总体温度也不断

地升高而达到或大于饱和温度。加热壁面上产生汽

泡的地点（常称之为汽化核心）逐步增多，其运动

导致液体的剧烈扰动，对壁面进行冲刷，这些都会

使沸腾换热过程得到加强。由于核态沸腾具有传热

温差小换热热流密度大的特征，因而是工程上乐于

采用的。其管外和管内沸腾换热系数的关联式如

下：

管外沸腾换热系数关联式(库珀(Cooper)公式)：

h =C·q0.67·M r-0.5·p r m·(-lgp r)-0.55

C =90 W0.33/(m0.66·K)

m =0.12-0.2·lg{R p}µm

式中：h— 管外沸腾换热系数，W/（m2·K）

q— 管外热流密度，W/m2

M r —管外制冷剂液体的相对分子质量

p r — 管外制冷剂液体对比压力（液体压力

与该流体的临界压力之比）

R p— 换热管表面平均粗糙度，µm

管内沸腾换热系数关联式(Kandikar通用关联式)：

a b/a l = c1·(Co)c2·(25Fr l)c5+c3·(Bo)c4·F fl

a l = 0.023·Re l0.8·Pr l0.4·(λl/d i)

Re l = (g·(1-x) ·d i)/µl

Co = ((1-x)/x)0.8·(ρg/ρl)0.5

F fl = g2/(9.8·ρl2· d i)

Bo = φ/(g·r)

式中：a b —管内沸腾换热系数，W/(m2·K)