卧式热虹吸式蒸发器的管内蒸发传热及强化

·208· 制冷与空调 2016年
文章编号：1671-6612（2016）02-208-03
卧式热虹吸式蒸发器的管内蒸发传热及强化
熊从贵 何 静 林 翔 林 通 刘雪飞
（台州龙江化工机械科技有限公司 温岭 317500）
【摘 要】 介绍了卧式热虹吸式蒸发器的结构和工作原理。

工业制冷系统中的热虹吸式蒸发器是利用制冷剂
的位差和密度差作为循环动力。

位差和密度差越大，蒸发器中的制冷剂循环倍率越大，更有利于传热。

制冷剂在水平管内流动时，换热管上的环形凸肋使管内制冷剂周期性地形成漩涡，增加了换热管内底层液体的湍动程度、减薄了传热边界层厚度，提高了换热管内的传热系数。

【关键词】 制冷系统；热虹吸蒸发器；水平管内传热；传热强化；循环倍率 中图分类号 TB61+1 文献标识码 A
The Heat Transfer and Enhancement Mechanism in Inner Tube of the Horizontal Thermosiphon Evaporator Xiong Conggui He Jing Lin Xiang Lin Tong Liu Xuefei
( Taizhou Longjiang Chemical Machinery Science and Technology Co., Ltd, Wenling, 317500 )
【Abstract 】 Introduces the structure and working principle of the horizontal thermosiphon evaporator. The thermosiphon evaporator in industrial refrigeration system use of cycle power by height difference and density difference of the refrigerant, The height and density difference is larger, The refrigerant circulating ratio of in evaporator is greater, more conducive to heat transfer. The refrigerant flow in the horizontal tube, the annular convex ribs of tube makes the refrigerant in the tube periodically formed whirlpool, increase turbulent degree of the tube bottom liquid, thinning of the heat transfer boundary layer thickness, improve the heat transfer coefficient of the tube.
【Keywords 】 Refrigeration System; Thermosiphon Evaporator; Heat Transfer in Inner horizontal tube; Heat Transfer Enhancement; Circulation Ratio
基金项目：温岭市科技计划资助项目（2013C11AA0004）
作者（通讯作者）简介：熊从贵（1982-），男，本科，工程师，E-mail ：1034589719@ 收稿日期：2015-06-10
0 引言
热虹吸实际是一种热循环运动，它利用流体的
位差和密度差作为循环动力。

因此，位差越大、密度差越大，则流体的循环倍率越大。

热虹吸式蒸发器正是在充分利用热虹吸原理的基础上设计的。

热虹吸式蒸发器具备优良的传热性能、结构紧凑、安装方便等优点[1]，因而在水产食品企业的空调系统、在化工厂的冷冻站、采矿业的冻结凿井技术等方面得到广泛应用。

目前对热虹吸蒸发技术的研究主要在于化工工艺系统中的立式热虹吸再沸器、卧式热虹吸壳程再沸器方面[2-4]，也有学者对制冷系统中的热虹吸油冷却系统进行研究[5-7]，但对工业制冷系统中制冷剂在管内蒸发的卧式热虹吸式蒸发器进行全面的传热分析和强化传热分析的论著还很少[8]。

本文在现有研究成果的基础上，系统地分析了制冷系统中制冷剂在卧式热虹吸式蒸发器管内蒸发传热和管内蒸发传热的强化。

1 热虹吸式蒸发器的结构及工作原理
热虹吸式蒸发器由卧式汽液分离器和卧式蒸发器两个独立单元组成，卧式汽液分离器固定在卧
第30卷第2期
2016年4月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning V ol.30 No.2 Apr. 2016.208～210
第30卷第2期 熊从贵，等：卧式热虹吸式蒸发器的管内蒸发传热及强化 ·209·
式蒸发器上部，如图1。

制冷剂液体从卧式汽液分离器的底部进入，在汽液分离器内分离节流后的闪蒸汽体和制冷剂中的润滑油后，通过降液管从卧式蒸发器的一端管箱进入，在换热管的长度方向通过换热管壁获取载冷剂的热量而逐渐蒸发。

蒸发的制冷剂汽体或汽液两相流从卧式蒸发器另一端管箱上的升汽管进入卧式汽液分离器的一端，在汽液分离器内完成汽相和液相的分离，液相沉降到分离器底部，汽相从卧式汽液分离器的另一端上部的蒸汽出口被制冷压缩
机吸走。

1.蒸发器；
2.载冷剂进口；
3.降液管；
4.蒸汽出口；
5.汽液分离器；
6.升汽管；
7.载冷剂出口；
8.进液口
图1 热虹吸式蒸发器外形图
Fig.1 Outside view of horizontal thermosiphon
evaporator
2 水平管内蒸发传热分析
液体制冷剂在液柱的重力作用下从降液管进入卧式蒸发器，在进入换热管束时液体制冷剂即开始汽化，在沿换热管长度方向流动的过程中，液体制冷剂通过换热管壁不断吸收换热管外的载冷剂热量，液体制冷剂的蒸发强度不断提高，制冷剂汽体含量不断增加，当到达换热管末端时，制冷剂中的液相含量已经很少。

由于制冷剂汽相和液相的密度差非常大，显而易见，换热管内汽液混合相的制冷剂平均密度要大于液体制冷剂的密度，即汽液两相制冷剂的单位高度液柱静压力要小于液体制冷剂的单位高度液柱静压力。

在蒸发器回汽管路的阻力小于液体制冷剂液柱静压力与汽液两相液柱静压力的压力差时，在该压力差作用下，蒸发器内的汽液两相混合物从升汽管进入汽液分离器，形成液体制冷剂在蒸发器和汽液分离器之间的循环流动。

在汽液分离器中须保持一定的液位高度，需要补充的液体制冷剂由汽液分离器的供液管进入。

汽液两相制冷剂在水平管内的流动分为细泡
状流、气塞状流、波状分层流、气弹状流和环状流[9]。

在细泡状流中，由于受重力的影响，细泡大部分都位于换热管截面的上部。

当汽体流量逐渐增加时，小汽泡合并成气塞形成气塞状流。

分层流只发生在汽、液两相的流量较小时，汽液两相分开流动，汽液两相之间形成平滑的分界面。

当汽相流量较大时，汽液两相分界面开始出现波动，形成波状分层流。

汽相流量继续增加时，会出现气弹状流，且气弹偏向换热管截面上部。

当汽相流量很大而液相流量很小时，就会出现环状流。

如图2所示，在加热的水平换热管中，管内液体制冷剂由于受热蒸发形成汽液两相流，沿着流动方向，蒸发量逐渐增大，汽相流量逐渐增加，汽相流速也逐渐增大。

因此，管内流体的流型逐渐向细泡状流、气塞状流、波状分层流、气弹状流，变为环状流。

在波状分层流区域，换热管周期性地与汽相和液相接触。

在环状流区域，换热管上部与蒸汽直接接触。

在进口流速较高时，汽液两相在水平换热管中分布的不对称性可得到改善。

当换热管壁温度高到能使液膜汽化时，汽液两相流就会变成雾状流。

1.单相液体；
2.细泡状流；
3.气塞状流；
4.波状分层流；
5.气弹状流；
6.环状流 图2 水平蒸发管汽液两相流型图
Fig.2 Horizontal evaporating tube steam & liquid
two-phase flow regime
在蒸发器的重力供液系统中，制冷剂的循环倍率极其重要，它是液体制冷剂的供液量与蒸发量的比值。

蒸发器的液柱高度较高、回汽管的阻力较小、液体制冷剂同两相制冷剂的密度差较大时，循环倍率就越大。

提高循环倍率，有利于降低管内制冷剂的干度和提高管内制冷剂的质量流速，从而提高蒸发器的换热效率。

提高液柱高度虽然能提高蒸发器供液动压头，从而提高管内流速，但同时由于液柱静压力的影响，蒸发器底部的蒸发温度将会升高，平均传热温差将会减少，导致蒸发器的传热效率降低。

3 水平管内蒸发传热强化
在研究水平换热管内沸腾强化传热时，把管内沸腾粗略地分为三个区域：壁面气泡生成区、汽液界面蒸发区、壁面蒸干区。

制冷剂液体进入换热管后逐渐被加热升温，在换热管壁面形成热边界层，产生径向温度梯度。

当壁温将要超过液体制冷剂的饱和温度时，就具备了形成制冷剂蒸汽的条件，蒸汽在汽化核心上形成气泡并逐渐长大，然后脱离换热管壁形成泡状流动。

随着加热的持续进行，汽化核心的形成速率、气泡的长大速度和脱离换热管壁面的频率不断增加，气泡汇聚形成弹状流动。

泡状流区域的强化传热可增加换热管内壁的汽化核心，加速气泡生长和脱离换热管壁面。

随着热交换的进一步进行，气泡越聚越多，把制冷剂液体排挤到换热管壁面，形成环状流。

此时，换热管壁面停止形成气泡，热量通过传导和对流的方式穿过液膜层，液体制冷剂在汽-液界面上蒸发，这一区域就是汽液界面蒸发区，换热管内制冷剂干度在10%～90%时均为环状流。

环状流区域的强化传热，主要目的是使液膜层厚度减薄和增加液层湍动程度。

热负荷过大时，气泡逸出速度加快，同时将换热管壁的液体以小液滴的形式带走，到换热管壁的液体制冷剂以气泡夹带和蒸发过程完全耗干时，气泡中夹带的小液滴继续存在并慢慢地蒸发，从而降低传热效率，此区域为壁面蒸干区。

强化壁面蒸干区的方法主要是要使液体制冷剂返回换热管壁面，延迟壁面蒸干。

水平管内蒸发传热的强化措施主要从增加管内汽化核心、增加管内底层液体的湍动程度、防止换热管壁蒸干这三个方面进行。

3.1 表面多孔管
分为覆盖层多孔表面和机械加工多孔表面，但换热管内壁较难进行机械加工，一般多为覆盖层多孔表面。

金属覆盖层中存在凹穴和隧道，隧道将凹穴有机地连接为一体，当制冷剂液体对金属是非润湿性的，则不凝性气体和蒸汽聚积在凹穴中；当制冷剂液体对金属是润湿性的，则只有内凹穴才是稳定的汽化核心。

但无论如何，由于多孔覆盖层增加了大量的汽化核心，管内制冷剂液体在过热度很小的情况下就可以产生大量气泡，使汽化强度大大增加。

气泡在内凹穴中产生并长大，然后从阻力较小的孔穴中逸出，而制冷剂液体从孔穴周围的隧道流入孔穴进行补充，然后被多孔层的换热面加热，继续蒸发。

由于换热管内表面的稳定汽化核心较多，多孔层的换热面积比光管大得多，因而多孔表面能起到显著的强化传热作用。

3.2 横槽管
是在光管的外管壁上按一定间距轧出与管子轴线成90°夹角的横槽，在管子内壁上形成一圈圈凸出的圆环。

水平管内制冷剂液体的沸腾传热主要是强制对流传热和热传导，换热管内壁液膜的热阻较大，阻碍了热量的有效传递。

在横槽管中，当制冷剂液体流经凸出的圆环时，流通截面突然缩小，制冷剂主流脱离壁面，形成漩涡，产生一部分径向分速度。

制冷剂在换热管横截面上的径向流速分布发生急剧变化，主流速度和径向分速度发生碰撞，造成夹角处的液膜强烈扰动，从而破坏液膜边界层。

由于凸出的圆环是等间距分布的，当第一个漩涡快消失时，制冷剂液体又流经下一个漩涡，使制冷剂在换热管内受到不断的扰动，边界层不断地被破坏，减少了边界层热阻，提高传热系数。

3.3 制冷剂循环倍率
热虹吸式蒸发器的换热管是完全浸泡在液体制冷剂中的，加上通过蒸发器的合理结构设计，保持合理的制冷剂循环倍率，可以有效减少或防止换热管壁面蒸干。

4 结语
卧式热虹吸式蒸发器具备优良的传热性能，近年来在工业制冷系统中得到迅速发展和广泛应用，但对卧式热虹吸式蒸发器管内传热强化的研究还鲜有报道。

本文对热虹吸式蒸发器管内传热进行了叙述，介绍了管内传热强化的几种途径，为进一步系统性地研究卧式热虹吸式蒸发器提供了方向。

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（下转第216页）
此外，照明及空调系统的合理设计、优化运行与规范管理是降低建筑能耗的关键所在。

5 致谢
感谢国家自然科学基金（51178201），教育部高等学校博士点专项基金资助项目（2012014 2110078）及中央高校基本科研业务费专项资金资助（2015QN116）的资助。

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（上接第210页）
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