探索干式管壳式蒸发器制冷剂结构的优化举措

周荣辉

南京久鼎制冷空调设备有限公司，江苏 南京 211500

换热器对于提升我国的能源利用率、节能降耗有着不可忽视的重要作用，干式管壳式蒸发器是应用于空调中的换热器，随着现代空调业日趋高效、环保的节能趋势，管壳式蒸发器的结构优化成为关注焦点和重要课题，要重视干式管壳式蒸发器中存在的问题。

1 管壳式蒸发器及制冷剂均匀性研究概述

1.1 管壳式蒸发器分类

管壳式蒸发器具体来说包括以下设计：①异形孔整圆形折流板。设计梅花形状、矩形等开口的流板结构，使流体介质通畅流经折流板，并有效支撑管束。②螺旋折流板。设计连续螺旋折流板和1/4螺旋折流板，使流体处于螺旋流动的状态，增大湍流强度和换热效果。③双弓形折流板。将流体分为两股平行流，呈波浪式前进，体现出较好的综合换热效果。④帘式折流片。设计折流片以支撑管束结构，使流体呈斜向流动的状态，增强横向流的扰动能力，提升换热性能。

空调系统的蒸发器通常包括以下几种：①满液式蒸发器。制冷剂流体流经壳程，冷却水流经管程，制冷剂液体由蒸发器筒体底部进入，蒸汽则由筒体的上端导出，通过工质流体的热交换方式实现降温冷却。同时，还设置有气液分离器、分液板等装置，实现管侧与壳侧工质的换热。②干式蒸发器。制冷剂液体在传热管的内部进行沸腾换热，不会受到液柱对蒸发温度的影响，体现出良好的回油效果。然而存在制冷剂分配不均匀的现象，折流板与壳体间也存在间隙泄露问题。③降膜式蒸发器。制冷剂在管外蒸发并与管内载冷剂进行热交换，实现热量的传递。④热虹吸式蒸发器。以热虹吸原理为依据进行热循环运动，利用流体高度和密度差作为热循环驱动，提升制冷剂在管程的循环倍率。

1.2 干式蒸发器制冷剂均匀性研究现状

干式管壳式蒸发器制冷剂分配不均的原因主要包括两个方面：①蒸发器中的气液两相制冷剂在重力作用下出现分离现象。②分液器安装角度存在偏差或倾斜状态时，则使制冷剂密度较大的一相出现偏离和聚集。当出现各支管分配制冷剂不均的现象时，会降低过热区的换热系数，难以充分利用换热面积，并引发膨胀阀阀芯的振荡现象，降低制冷系统运行性能。当前对于制冷剂分配均匀性的评价标准主要提出以下指标：方差和标准方差、分流率与均分率，并采用单一性能分析法、综合性能分析法、熵分析和火用分析法，全面评价换热器的性能[1]。

2 不同蒸发器入口端制冷剂分配均匀性分析

干式管壳式蒸发器采用多极分布出入口的特殊结构，流体无须通过管箱进行分配，而是通过入口分布装置，使各换热管均匀地流入流体。在多管程的条件下，无须设计分程隔板或U形弯管，简化制造工艺和流程。在入口管中设计混合强化元件，切割、分散并有效混合气液两相或含多组分的流体介质，改变流体旋转的方向、流道位置和截面积，并在进口管中设计静态扰流装置，使流体介质获得径向速度脉冲，使流体均匀进入各个换热管。同时，喇叭放大出口封板设计采用单级分布出入口结构，使换热管与管板保持可靠性连接[2]。

3 分流板对制冷剂分配均匀性的影响分析

3.1 分流板模型建构

干式管壳式蒸发器入口装置设计分流板，可以较好地提升制冷剂分配的均匀性，通过构建单级喇叭形无分流板入口端及添加分流板入口端模型，可使添加分流板入口端的制冷剂分配更加均匀，其分流板上的开孔成为制冷剂的二次入口，实现制冷剂的二次分流，避免入口分液装置中的涡流现象，有效提升各管内速度流场的均匀性。

3.2 分流板开孔结构的优化策略

可以通过减小分流板中靠近中心部位开孔的方式，缩减中心部位的流道，增大中心部位的阻力，在各个换热管中均匀分配制冷剂。具体来说可以将分流板开孔结构设计为三种：原始等圆开孔结构、十字小孔结构、中心小孔结构，相较而言，原始等圆开孔结构的相对标准偏差最大，十字小孔结构次之，中心小孔结构最小，相应的制冷剂分配均匀性由低到高依次为：原始等圆结构－十字小孔结构－中心小孔结构，十字开孔结构相较于等圆结构分流板的制冷剂分配均匀性提升26.45%～35.76%，中心小孔结构相较于十字小孔分流板的制冷剂分配均匀性提升11.54%～12.36%。

4 蒸发器管内制冷剂分配均匀性对壳程传热性能的影响分析

干式管壳式蒸发器换热管采用U型管，壳体内径为214mm，蒸发器长度为745mm，换热管直径为7mm，管间距为10mm，折流板厚度为3mm，螺距为103mm，忽略管板箱与其他部件，并不考虑折流板与筒体、折流板及换热管束间的间隙，进行如下分析。

4.1 制冷剂分配均匀性对蒸发器壳程传热性能的影响

当壳程流量为4.043～12.13kg/s时，各换热管制冷剂分配均等条件下的壳程换热系数最大，其传热系数由大到小依次为蒸发器入口端、外凸5mm入口结构、管板入口结构。同时，在不同入口结构的条件下，制冷剂分配均匀性由高到低依次为：外凸10mm结构、外凸5mm结构、单级喇叭形结构、管板结构，由此可见，制冷剂分配到各换热管的均匀性对于壳程传热性能有直接的关联，当制冷剂分配均匀性越高时，换热面积越大，壳程传热性能越高。反之，当制冷剂分配均匀性越低时，换热面积越小，壳程传热性能越低。

4.2 不同蒸发器入口结构下的壳程传热性能对比

当干式管壳式蒸发器流量M＝5.93kg/s时，蒸发器壳程的传热系数偏差较小，通常在2%以内。在以水为介质、进口温度为9.5℃的条件下，壳程质量流量为5.93kg/s时，管板、单级喇叭形、外凸5mm结构、外凸10mm结构入口端下换热管的平均换热系数与制冷剂分流率相一致，也即换热管的传热系数随着分流率的增大而增大，随着分流率的减小而减小，由此也显示出干式管壳式蒸发器的制冷剂分流率对壳程换热性能的影响，当各换热管获得均匀分配的制冷剂，则能够增大换热面积，增强换热性能；反之，当各换热管无法获得均匀分配的制冷剂，则无法充分利用换热面积，降低自身的换热性能。

综上所述，干式管壳式蒸发器结构复杂，为了更好地提升干式管壳式蒸发器制冷剂分配均匀性，可以采用新型多级分布出入口装置，对比新型开孔结构分流板的分配性能，增强换热器的换热性能。未来还要关注分流板位置对制冷剂分配均匀性的影响，并加强不同结构的实验研究、数值模拟和对比分析。