喷雾射流水平管蒸发换热数值模拟研究

喷雾射流水平管蒸发换热数值模拟研究

郑星奥

南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094

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摘要：本文建立制冷剂通过喷嘴雾化射流管束传热过程的物理模型及数学模型，采用CFD软件对蒸发筒内的雾化射流管束过程进行仿真计算。通过模拟中喷雾状态、液膜状态等参数来探究这种布液方式在蒸发筒内的换热过程。结果表明，在喷雾压力0.8MPa~1.2MPa，蒸发压力0.42MPa~0.584MPa运行工况范围内，随着喷嘴前压力的升高，经过喷嘴的液体制冷剂质量流量增大，导致所有管束表面的制冷量增加，但是由于最靠近喷雾中心的液滴浓度越大，会使各根管道间的换热不均匀性增大。

关键词：雾化；水平管降膜蒸发；换热特性

0引言

降膜式蒸发器因为布液不均的问题导致其高换热性能不能完全发挥。在管束布液时未能覆盖所有换热管时，会出现干蒸的区域，减小总体的传热系数，干蒸区面积的扩大可能会导致总传热系数接近甚至低于满液式蒸发器。另外，如果要想避免出现干蒸区而加大液态制冷剂的量，可能又会导致底部积液成了满液式，或者管束上液态制冷剂分配不均匀的问题[1]。总之，降膜蒸发器的液膜分布十分依赖布液器的设计，很难达到理想中的纯降膜蒸发[2]。

喷雾冷却技术具有传热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和循环流量低等特点[3,4]，同时满足了降膜式蒸发器优化设计的多种需求，但目前的应用研究主要集中在电子元器件和激光散热等方向[5~7]。本文借鉴电子元器件喷雾冷却和降膜蒸发中换热机理的研究，创新性地将喷雾射流蒸发引入制冷空调领域，采用雾化喷嘴替代降膜式冷水制冷机组中传统的布液器方案,即通过雾化喷嘴对冷凝器冷凝后的高压过冷液相制冷剂进行节流并雾化为低压微小液滴，用大面积的、有较快飞行速度的液滴喷雾射流喷嘴下方的冷冻水管束，以期来改善降膜式蒸发器制冷剂布液不均的问题，同时由于喷雾蒸发冷却的换热方式在理论上具有极高的热流密度，蒸发器在制冷剂侧的换热能力得到加强。为降膜式蒸发器的改进设计提供理论借鉴。

1喷雾射流管束的数理模型

1.1物理模型

本文设计的传热过程为：冷凝后的高压制冷剂R22液体通过喷嘴在蒸发腔内雾化成细小液滴，射流在下方的换热管道上，蒸发后的气态制冷剂被吸入蒸发器顶部的吸气口。物理模型的如图1，其中实体部分为计算流场域。模型对喷雾射流蒸发过程作了部分简化：

1.筒体的直径设置为200mm，管束方向上截取被两个喷嘴覆盖的长度为130mm的区域；

2.忽略喷嘴外形结构对连续相的影响，设置喷射源作为喷雾入口。

3.忽略吸气口铜管外形对连续相的影响，将吸气口设置为筒体顶部中心的一个边长为8mm的正方形的面；

4.将换热铜管设为恒定壁面温度，壁温取冷冻水进出口平均温度。

图2喷雾射流管束三维模拟图

喷雾状态如图3和图4。图片3中，喷雾整体上呈中心有一圈液滴浓度大的区域而其他部分液滴较为稀疏，这体现了压力旋流喷嘴的特点，与其他人研究的结果相同[8,9]。85%以上的喷雾液滴都射流在了管束表面上，70%以上液滴的直径在100~220范围内，液滴直径的分布比较均匀，轴向方向上距离越远直径小的液滴占比越多，这是因为越靠近喷嘴的部分液滴的飞行速度越快，但是直径越小的液滴速度衰减得越快，所以距离喷嘴一段距离之后，直径小的液滴会在空间中滞留的时间更长，在液滴分布中占比更多。

从图4可以看出，液滴速度的分布总体上由于气相的曳力呈衰减趋势，且越远离喷雾中心的部分液滴速度衰减越明显，中心部分的液滴速度从出口的-20m/s衰减到-13m/s左右，而其他部分的喷雾液滴速度衰减到-5m/s左右。

图5液膜厚度

3换热性能

图6为管束表面的热流密度分布情况，其中喷雾液滴的温度为5℃，管道壁温为9.5℃，换热温差为4.5℃。

图7各管道换热量的比较

图7中，随着喷嘴前压力的升高，所有管道表面上的制冷量均升高，这是因为喷嘴压力的升高导致喷嘴前后压差的增大，喷嘴的制冷剂流量增加，射流到管道表面上的喷雾量增加，从而提高了整体的制冷量。相对于管3，其他管道上的制冷量增加量较小，管束的换热均匀性下降，这是由于压力旋流式喷嘴喷雾中心的液滴密度最大，喷雾中心相应增加的液滴质量流量也最大，导致射流在管道3的制冷剂质量的增加量最多。在制冷剂喷雾量小而换热管供热量足够的情况下，管道3的制冷量增量最大。

4结论

本文通过三维建模，对喷雾射流管束蒸发换热过程进行了模拟。模拟结果表明了雾化液滴喷射在管道上的换热过程为：制冷剂经过喷嘴进入连续相流场后，雾化节流成颗粒直径很小但流动速度很快的液滴，与连续相互相作用速度衰减后，撞击在管道壁面和壁面已经形成的液膜上，由于壁面温度超过了制冷剂饱和蒸汽压力下的蒸发温度，所以液滴形成的液膜在管表面迅速蒸发吸热，薄液膜蒸发、液滴击打液膜换热和液膜流动换热同时存在。

喷雾压力0.8MPa~1.2MPa,蒸发压力0.42MPa~0.584MPa运行工况范围内，随着喷嘴前压力的升高，经过喷嘴的液体制冷剂质量流量增大，导致所有管束表面的制冷量增加，但是由于最靠近喷雾中心的液滴浓度越大，会使各根管道间的换热不均匀性增大。

参考文献:

[1]焦彦红.水平管降膜蒸发器喷淋均匀性分析及小流量降膜数值模拟[D].华中科技大学,2012.

[2]郭磊.制冷系统水平管降膜蒸发理论分析和实验研究[D].天津大学,2014.

[3]侯燕.多喷嘴喷雾冷却实验研究与数值模拟[D].中国科学院研究生院（工程热物理研究所）,2014.

[4]韩丰云.喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究[D].中国科学技术大学,2011.

[5]司春强,邵双全,田长青.高功率固体激光器用一体化制冷喷雾冷却系统实验研究.[J].中国激光,2011(01):44-48.

[6]周致富，辛慧，陈斌，王国祥.激光手术喷雾冷却中单个液滴蒸发特性[J].中国激光，2008(06):952-956.

[7]周致富，吴威涛，王国祥，陈斌，王跃社.R134a闪蒸喷雾液滴动力学特征实验研究[J].工程热物理学报，2013(01).

[8]刘秋升.喷嘴雾化特性及传热特性的数值模拟研究[D].华北电力大学，2017.

[9]贾莹.压力旋流式喷嘴干涉的数值模拟[D].大连理工大学，2014.