第３８卷第１０期 化学工程 ＶｏＩ＿３８ Ｎｏ．１０ ２０１０年ｌ０月 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ（ＣＨＩＮＡ） Ｏｃｔ．２０１０ 管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟 金如聪，贺小华 （南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京２１０００９） 摘要：制冷蒸发器是制冷系统中的重要设备，其沸腾传热性能对整个系统的能源利用效率有着显著影响。文中以 管束异型排列的制冷蒸发器为研究对象，通过ＦＬＵＥＮＴ软件模拟计算，分析探讨了管束排列方式对蒸发器壳程流 场及沸腾传热性能的影响。计算结果表明，在相同的流体进料量下，异型管柬排列蒸发器的压力变化趋势与正方 形排列的相似。在综合性能上，具有合理气流通道的异型管束排列蒸发器明显优于管束正三角形排列和正方形排 列的蒸发器。 关键词：制冷蒸发器；异型管束排列；流场；沸腾传热 中图分类号：ＴＱ ０２８．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９９５４（２０１０）１０－００７８－－０４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ＪＩＮ Ｒｕ－ｃｏｎｇ，ＨＥ Ｘｉａｏ－ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ Ｆｌｕｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｓｉｄｅ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｌｕｉｄ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｒｅｇｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｂｏｔｈ ｓｑｕａｒｅ ａｎｄ ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌ ｔｉｒａｎｇｌｅ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ ｍｏｄｅｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；ｉ￣ｅｇｕｌａｒ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ 管壳式蒸发器是一种通过流体介质相变来实 １计算模型及模拟 现传热的热交换设备。因其安全可靠、结构紧凑、 １．１多相流模型 高效传热等特点，在化工、制冷、海水淡化等行业 多相流体的流动受物理守恒定律的支配，基本的 领域中有着广泛的应用。随着计算数值传热学、 守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律及能量守 计算流体力学及计算机技术的发展，数值模拟方 恒定律。在ＦＬＵＥＮＴ软件中，多相流ＶＯＦ模型是通 法被广泛地应用于蒸发器性能的研究 。本文 过求解单独的动量方程和处理穿越区域的每一流体 以某公司引进的制冷蒸发器为研究对象，在对蒸 的体积分数来模拟多相流体的。在ＶＯＦ模型中，相 发器壳程流场数值模拟的基础上 Ｊ，应用ＦＬＵＥＮＴ 界面跟踪是通过求解带有体积分数的连续方程来完 软件进一步对蒸发器沸腾传热性能进行研究，分 成，而且任意控制体内的所有相的体积分数和 析了管束排列方式对蒸发器流动状态及沸腾传热 ｎ 性能的影响，为制冷蒸发器的设计与优化提供参 ∑ ＝１。各相所受的控制方程组［ 表示如下： 考依据。 第ｉ相的连续方程 作者简介：金如聪（１９８５一），男，硕士，主要从事过程设备ＣＦＤ技术研究；贺小华，女，教授，通讯联系人，电话：（０２５）８３５８７２９９，Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｈ— ｈｅ＠．ｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 金如聪等管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟 ・７９・ 鲁＋ ・Ｖ ＝ ＋ 主ｉ＝ｌ（ －ｒｈｊ／）（ ） 动量守恒方程 １．２几何模型 由于蒸发器管束的排列方式具有左右对称性， 故取其一半作为计算域，对管束异型排列蒸发器的 导（ ）＋Ｖ・（，） ）＝一Ｖ Ｐ＋Ｖ （Ｖ ｌ，＋Ｖ ｐＴ）］＋ ＋Ｆ （２） 壳程流体流动与沸腾状态进行数值模拟时，如图１ 所示。同时本文以文献［７］中规定的标准排列形式 为基础，分别建立正三角形排列和正方形排列模型 与异型排列模型进行比较，从而直观地反映出管束 排列方式对蒸发器流场与沸腾传热的影响。在３种 换热管排列模型中布置相同数量的换热管，各区域 能量守恒方程 詈（ｐＥ）＋Ｖ・［ｖ（ｐＥ＋Ｐ）］＝Ｖ・（ Ｖ ）＋ｓｈ （３） 式中： 为第ｉ项的体积分数，ｌ，为速度张量， 为 相到ｉ相的质量传输， 为ｉ相到 相的质量传输， 属性ＪＤ和有效传热率．ｊ｝。 是被各相共享的， 为黏 度，Ｆ为体积力，Ｅ为能量，源相Ｓｈ包含了辐射在内 的体积热源。 的换热管数量也基本一致，从而保证各模型内换热 面积的相同。 ３种管束排列模型如图Ｉ所示，其中图１（ａ）， （ｂ），（ｃ）分别为异型排列、正三角形排列和正方形 排列 区域４ 区域３ 区域２ 区域１ （ａ）异型 （ｂ）正三角形 （ｃ）正方形 图１换热管排列形式 Ｆｉｇ．１ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｔｕｂｅｓ １．３网格划分 １．４边界条件与数值方法 本文采用有限容积法求解控制方程组，控制方 程压力项的插值方式采用Ｂｏｄｙ Ｆｏｒｃｅ Ｗｅｉｇｈｔｅｄ格 式，速度和压力的耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法。在人口 处给定液相速度和温度；换热管壁面边界给定温度。 对于传质现象的模拟，采用李文和模型 编译ＵＤＦ 子程序对ＶＯＦ模型进行补充。 网格划分的合理性影响到计算结果的准确性。 为保证计算精度本文模型采用四边形网格。由于管 束区域流体通道狭小（最窄处距离Ｚ＝４．６６ ｍｍ），为 了得到较为精确的数值解，故对换热管壁附加区域 网格进行细化，模型划分３０ ０００左右单元网格，网 格划分如图２所示。 ２计算结果与分析 采用ＦＬＵＥＮＴ６．３软件对３种管束排列形式下 蒸发器沸腾传热及气液二相流动进行数值模拟。 ２．１流体介质沸腾状态 流体介质在换热管壁面受热蒸发形成气泡的过 程如图３所示。 经过换热管的加热，近壁面液态介质相变成附 着在换热管壁的小气泡。同时远离壁面流体温度较 图２壳程流场通道模型网格 Ｆｉｇ．２ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｓｈ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｓｈｅｌｌ・ｓｉｄｅ ｆｌｏｗ ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅｌ 低与近壁面受热流体存在温差，则通道内流体产生 对流流动。在浮力及对流挟持作用的影响下，气泡 ・８０・ 化学工程２０１０年第３８卷第１Ｏ期 脱离换热管壁面进入流体通道；随着受热时间的增 加，壁面上的气泡快速长大，且受对流流体的挟持作 用更加明显，使得气泡沿流体走向发展。在蒸发器 壳侧流道内不断有大量的气泡形成、长大和脱离，从 得介质蒸发形成的气泡在生长过大前能迅速脱离管 束的约束，进入壳程通道中的无管区域。 而实现沸腾传热。 图４分别给出了３种排列模型下，蒸发器壳程 流体通道的气相体积分数云图。图中深色部分为液 相流体，浅色部分为气相流体。由图可知，在非布管 区域流体通道内有大量气泡聚集，正三角形模型中 无管区域通道内气泡较大；相对正方形模型，异型排 列模型元管束通道内的气泡更为密集。这主要是由 图３沸腾模拟 Ｆｉｇ．３ Ｂｏｉｌｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 于异型排列模型中，管束的分块排布及倾斜通道，使 ａ）异型 （ｂ）正ｊ角形 ｆｃ）正方形 图４体积分数云图 Ｆｉｇ．４ Ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｕｒ ２．２二相流场压力分布 传热系数。各模型最上端管束（区域４管束）的传 由图５可以看出，二相流体绕流换热管束时的 压力分布的趋势，随着流体绕流管束的距离增加，流 体压力逐步减小。异型排列管束模型中，气液二相 流体绕流形成的压力变化与正方形排列很相似，２ 条压力变化曲线也是呈胶着状态。与三角形排列相 热效率基本差不多，随着流体逐步深入管束区域，其 传热效率开始有较大差别。总体而言，异型排列模 型的沸腾传热性能优于其他排列模型。这主要是由 于异型管束排列中，管束分块数目较多，且各管束区 域是以错开的换热管为边界，从而管束区域间形成 比，异型排列压力降的幅度较弱。 倾斜流体通道，流体介质受热所形成的蒸汽气泡能 迅速有效地从倾斜通道进入无管束区域，一定程度 上促进了低温流体介质接触换热管壁面。在正三角 形排列模型中，由于各管束区域以整排水平的换热 安 管为边界，从而形成水平陈列的空隙，同时各区域内 换热管间空隙曲折的缘故，使得布管区域中心位置 的换热管处的流体介质蒸汽较难脱离管束的约束， 容易在管之间形成气泡堵塞阻碍低温流体介质的补 充。正方形排列模型中，虽各管束区域间空隙如正 图５壳程压力分布 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｈｅｌｌ－ｓｉｄｅ 三角形模型呈水平，但由于换热管顺排的缘故，管间 存在垂直贯通的流体通道，使得管间气泡对低温流 ２．３蒸发器传热性能 图６给出了３种排列模型中各局部区域管束的 体介质的阻碍略低于正三角形排列，故正方形排列 管的传热性能稍强于正三角形排列。 金如聪等 管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟 ・８ １・ 流体绕流换热管的运动，初步研究了管束异型排列 蒸发器的沸腾换热性能。 模拟结果表明，在相同的入口速度下，管束异型 圆 列形排Ｉ区域２ 区域３ 排列模型中流体压力分布与正方形排列相似较为平 缓，压力损失较正三角形排列来得小；管束异型排列 排角形 区域１ 蒸发器在综合换热性能上有着优越的表现。 在蒸发器设计时，应该考虑介质蒸汽的产生 圈臣雾 区域４ 与脱离对蒸发器性能的影响。合理安排壳程流体 管束区域块 图６ ３种模型中局部区域管束的传热系数 束列管 管束 Ｆｉｇ．６ Ｌｏｃａｌ柬 ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ量 ｃｏｅｆｉｆｃｉ隧隧 ｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｍｏｄｅｌｓ 基于压力损失与传热性能的变化规律，近年来，盥 国内外许多学者提出以单位压力降下传热系数大小 来综合衡量换热器工作效率的评判标准。表ｌ给出 了３种管束排列蒸发器的传热系数以及单位压力降 下传热系数。可以看出具有良好气流通道特性的异 型排列模型在综合性能上优于正三角形排列和正方 形排列。因此在管束排列的设计上应设置合理的气流 通道，防止下部分管束区域产生的大量流体介质气泡 对管束流体通道形成阻塞，降低蒸发器的换热性能。 表１不同管束排列蒸发器传热性能 Ｔａｂｌｅ １ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｕｂｅ ｌａｙｏｕｔ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｓ ３结论 本文运用ＦＬＵＥＮＴ软件，根据沸腾传热原理及 多相流模型，对管束异型排列蒸发器管外的沸腾传 热及二相流动进行了数值模拟。分析研究了管束异 型排列下，流体介质因沸腾传热现象而产生的二相 通道，选择合适的管束分块数目及流体通道的倾 斜角度，在布管许可范围内适度加大管间距，有利 于介质蒸汽的排除，一定程度上改善蒸发器的 性能。 参考文献： ［１］ＰＡＴＡＮＫＥＲ Ｓ Ｖ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆ Ｊ ２．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ，２０Ｏ２，２３（３）：２２２－２３１． ［２］ 阮并璐，刘广彬，赵远扬，等．制冷系统中水平管降膜 式蒸发器内部流动数值模拟［Ｊ］．西安交通大学学报， ２００８，４２（３）：３１８－３２２． ［３］ 聂建虎，陶文铨，王秋旺．具有复杂结构的换热器出水 管段内湍流的数值模拟［Ｊ］．西安交通大学学报， ２０００．３４（５）：１３—１８． ［４］吴晓敏，莫少嘉，李辉，等．水平管内流动蒸发数值模 拟及可视化研究［Ｊ］．丁程热物理学报，２００９，３０（２）： ３１２＿３１４． ［５］ 金如聪．制冷蒸发器蒸发过程研究及异型管板设计分 析［Ｄ］．南京：南京工业大学，２０１０． ［６］江帆，黄鹏．Ｆｌｕｅｎｔ高级应用与实例［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，２００８． ［７］ 国家质量技术监督局．ＧＢ１５１—１９９９管壳式换热器 ［Ｓ］．北京：中国标准出版社，１９９９． ｆ８ ｉ Ｉ点Ｅ Ｗ Ｈ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｗｏ．ｐｈａｓｅ ｆｌｏＷ ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｃ］／／ＶＥＺＩＲＯＧＬＵ Ｔ Ｎ．Ｍｕｈｉ—ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，ｒｅａｃｔｏｒ ｓａｆｅｔｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ：Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ Ｐｕｂ 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