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摘要：文章主要对满液式壳管蒸发器换热管束排布优化设计进行分析，通过建立换热管模型对管束排列和满液式壳管蒸发器换热能力之间的关系进行研究。并根据模型计算结果设计出一种更加优化合理的换热管排布方式。
关键词：满液式壳管蒸发器；换热管束排布；优化设计
引言：
满液式壳管蒸发器属于高效换热器中的一种，当前阶段在冷水机中的应用较为普遍，它的主要工作原理是通过工质流体变化使换热管侧和蒸发器壳侧进行工质换热。其优势在于换热器的结构组成较为紧凑，安全性和稳定性相对较高。蒸发器壳侧的换热管作为媒介将制冷剂和管内流体相互换热导致制冷剂产生质变，在此过程中，蒸发器换热量的多少主要由制冷剂在进行交换过程中的质变量所决定。而蒸发器中换热管的具体排布形式会在一定程度上对蒸发器壳侧的的换热系数造成影响。所以要结合蒸发器工作过程中的具体运动规律，优化换热管束的排布形式。
1 满液式壳管蒸发器的基本结构
满液式壳管蒸发器的主要组成部分包括壳程入口，出口以及管程入口，出口四个部分，其基本结构详情见图1。
图1 满液式壳管蒸发器基本结构
从图1中可以看出，蒸发器在工作开始时，从壳程入口将制冷剂注入其中，与此同时，从管程入口进水，这时，换热管就可作为媒介将制冷剂和水开始换热过程。蒸发器筒体内出现沸腾现象换热结束后，从壳程出口流出制冷剂。
蒸发器在进行工作的过程中其剖面结构图详情见图2和图3。
图2 剖面图 图3 气泡生成过程
如图2可见，当蒸发器在正常工作状态时，制冷剂会从蒸发器底部进入换热管内，蒸发器换热管表面会形成一部分微小气泡，换热管内部的热量传递过程主要为蒸发器内部的制冷剂和水提供热量，使其沸腾并产生大量的大气泡。如图3可见，制冷剂在蒸发器内单根换热管外壁上的的蒸发过程，制冷剂从换热管外壁吸收热量并发生质变，由小气泡不断的转换为大气泡，完成从液态向气态转换的过程。
2 换热管排布优化设计及实验验证
2.1换热管横向间距对换热管束换热能力的影响
为了证明换热管横向间距的大小和换热管束换热能力具有一定的相关性，此次实验中将蒸发器中原始的换热管横向间距增大4mm，从19.23mm增加至23.23mm。经模拟试验后，横向间距和换热能力之间的相关性详情见图4。
图4 换热管横向间距和换热能力的相关性图
从图4中可以看出，换热管排布之间的横向间距和管束的实际换热能力成正比，间距加大可有效的对换热能力进行提升。当换热管束横向距离为22.23mm时，管热管的换热能力最佳。但是横向间距需要保持在23.23mm之内，当横向间距大于此系数时，换热能力不在有一定幅度的提升。导致这种情况发生的主要原因在于，当换热管束之间的横间距增大时，对换热管壁上的气泡热阻逐渐减低，气泡更容易从换热管壁离开而蒸发。因此，换热管之间的横向距离达到一定的程度，换热管的换热能力就不在有明显的提升。
针对换热管和换热器之间的型号差异，实际横向间距和换热能力的相关性也会存在着一定差异，要经过重新计算才可得出最佳值。
2.2换热管竖向间距对换热管束换热能力的影响
为了证明换热管竖向间距的大小和换热管束换热能力具有一定的相关性，此次实验中将蒸发器中原始的换热管竖向间距同样增大4mm，从22.2mm增加至26.2mm。经模拟试验后，竖向间距和换热能力之间的相关性详情见图5。
图5 换热管竖向间距和换热能力的相关性图
从图5中可以看出，换热管排布之间的竖向间距和管束的实际换热能力同样成正比，间距加大可有效的对换热能力进行提升。当换热管束竖向距离为26.2mm时，管热管的换热能力最佳。但是竖向间距同样需要保持在26.2mm范围之内，当竖向间距大于此系数时，换热能力不在有一定幅度的提升。导致这种情况发生的主要原因在于，当换热管束之间的竖间距增大时，对换热管壁上的气泡热阻逐渐减低，气泡更容易从换热管壁离开而蒸发。因此，管束之间的竖向距离达到一定的程度，换热管束的换热能力就不在有明显的提升。
针对换热管和换热器之间的型号差异，实际竖向间距和换热能力的相关性也会存在着一定差异，要经过重新计算才可得出最佳值。
2.3蒸发器换热管束优化设计
因为此次实验中原有的蒸发器换热管束的横向和竖向排布间距都相同，造成了管热管中部和下部管壁上的气泡不能及时从换热管区域内排出，因此，结合2.1和2.2中的对换热管束间距的实验研究结果，得出了蒸发器内换热管最佳的排布形式，详情见图6。
图6 换热管最佳排布形式
从图6中可以看出，满液式壳管蒸发器中换热管的排布形式主要分为4个不同的部分。其中区域Ⅰ，Ⅱ的间距较近，分别为20.03mm和21.05mm。其换热管的排布较为紧密。但区域Ⅲ，Ⅳ的间距则相对较远，分为为21.95mm和23.95mm。其换热换的排布较为疏散。与此同时，在换热管内的中部和上部进行了气道的布置，这样做的目的是减低换热管壁气泡蒸发过程中的热阻。同样，根据不同型号的换热器的差异，对内部管束进行排布的形式也要根据实际的计算结果得出。但可以在计算过程中参考图6的排布形式进行相关的调整。
2.4 管束优化排布的仿真结果
针对此次对管束排布优化的结果进行仿真，并和满液式壳管蒸发器中管束排布的原始形式进行对比。详情见表1。
表1 管束优化排布仿真结果
从表1中可以看出，在1.0~2.5s中对优化排布结果进行仿真，不同时间对管束优化排布的实际换热效果都优于换热器管束的原始排布。
3 结束语：
综上所述，通过此次试验研究结果可知，增加满液式壳管蒸发器内部的管束排布横向间距和竖向间距，对换热管的换热能力都有一定幅度的增强效果，但是横向间距和竖向间距要分别保持在22.23mm和26.2mm范围之内，但针对不同型号的换热器要根据实际情况进行管束优化排布的实验才可以得出最佳结果。
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论文作者:谭鸿坚
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/1/4
标签：换热论文; 间距论文; 蒸发器论文; 热管论文; 能力论文; 制冷剂论文; 横向论文; 《基层建设》2018年第35期论文;