新型孔板式液體分布器的性能研究

張 政，林 仕，姚 寧，劉 曦，莊焜煜，李學來

（福州大學石油化工學院，福建福州350116）

1 引言

水平管降膜蒸發器作為一種高效的換熱設備，具有結構緊湊、溫差小、傳熱系數高等優點，現已廣泛應用于化工、石油冶煉、海水淡化等行業［1－3］。近年來降膜蒸發技術開始應用到制冷系統中，但它存在著制冷劑分配不均和干斑等缺點，限制了水平管降膜蒸發器在制冷行業的廣泛應用。若能克服這些缺點，降膜蒸發器在制冷行業將有更廣闊的發展空間。液體分布器是降膜蒸發器中的關鍵部件，性能良好的液體分布器有助于制冷劑液膜的均勻分布［4－6］。水平管降膜蒸發器的蒸發換熱特性很大程度上取決于液體分布器的結構和性能［7－9］，因此探究不同因素對液體分布器布液性能的影響規律，對于提高水平管降膜蒸發器的蒸發效果具有重要意義。

國內外學者對于液體分布器布液效果的影響因素進行了大量的研究。Chyu等［10］對噴淋式的液體分布器進行了實驗探究，研究了噴淋高度、噴嘴角度、噴嘴間距等因素對于蒸發性能的影響，發現水平管降膜蒸發器的換熱性能主要與噴嘴形式和換熱管的排布方式有關。但是在流量較小的情況下，噴嘴結構的液體分布器在換熱管上會出現干斑現象，從而影響換熱性能。Parken等［11］發現在同等條件下，多孔結構的液體分布器比窄縫式的布液效率高20%。張寧等［12］用數值模擬的方法對不同結構的液體分布器內部流體流動形態進行了比較，發現中間開孔的液體分布器有助于布液均勻性的提高。王小飛等［13］對不同規格的底部開孔式液體分布裝置進行了性能研究，發現液體分布器的開孔孔徑和孔間距對出口流型轉換有較大影響。Lei等［14］發現換熱管上的液膜厚度隨著液體分布器高度的增加而減小。趙斌等［15］對單層孔板式液體分布器進行了實驗研究，發現不均勻度隨著介質粘度和流量的增大而減小。陳海燕［16］通過實驗研究了一種滴淋式液體分布器布液效果的影響因素，發現邊緣效應和射流對布液效果有較大影響。Gandhi等［17］用數值模擬的方法，研究了液體分布器布液不均勻性的影響因素，并通過實驗發現流動介質會影響布液效果。綜合來看，前人對液體分布器性能的實驗與數值模擬研究主要從液體分布器的結構形式、布液高度、流動介質等幾個方面進行，但是缺乏液體分布器的結構參數如布液孔徑和孔間距對于布液效果影響規律的研究。而且出于技術保密或知識產權保護考慮，相關的設計方法和實驗數據較少公布。因此，深入研究有關結構參數對液體分布器布液性能的影響規律，對于高性能液體分布器的開發設計有重要意義。

針對降膜蒸發器中常見的液膜分布不均勻的問題，本文設計了一種新型孔板結構的液體分布器，實驗研究了進液流量、布液孔間距、孔徑、分流區間距、溫度等因素對于布液效果的影響，并根據實驗數據擬合出了各參數對布液不均勻度的預測關聯式。研究結果對液體分布器的結構優化設計有參考價值。

2 液體分布器的設計

液體分布器的設計目的是為了優化流動通道，以此來保證液體在換熱管上軸向和周向的均勻分布。本文針對水平管外降膜實驗，提出了一種新型液體分布器的設計方案，與傳統孔板液體分布器的主要區別在于它采用了雙層孔板的結構。具體設計如下：第一層是分流板，改變液體在液體分布器中的流動速度，進行液體的初次分布；第二層是布液板，設置布液出口，用于二次布液。為了防止布液孔的堵塞，分流孔孔徑均小于布液孔的孔徑，且分流孔共有三排。液體分布器的截面圖如圖1所示。

圖1 液體分布器截面圖

布液板中最主要的設計參數是布液孔數量、直徑和布液孔間距。實際應用中常采用多排布液孔，但每排布液孔的流動情況類似。為了進行單因素實驗、便于觀察和測量各噴淋孔流量，故采用單排布液孔的設計。若布液孔出口速度太大，會影響液膜的形成，一般要求出口速度控制在 1.2m／s以下［18］。液體分布器的布液板上設有5個布液孔，通過實驗測試，出口速度滿足本文要求。出口孔徑可按下式估算：

式中，q為總的體積流量，m3／s；N為布液孔數量；v為各個孔口的平均流速，m／s。

對于滴狀流與柱狀流模型，開設布液孔的間距對降膜流動的布液效果有著重要的影響。通常，開設布液孔的間距近似于兩相鄰孔間的液柱間距λ，如圖2所示。λ的大小和泰勒不穩定性有關，由于本實驗中試驗介質為水且流量較小，流動穩定時可以忽略氣泡，因此可采用文獻［19］的計算公式：

式中，σ為表面張力，N／s；ρ為密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；n為常數，當試驗介質流經水平橫管時，通常取n＝2；當換熱管上的液膜較厚時，取n＝3。式中λ代表液柱間距，m。

圖2 液柱間距λ

3 實驗裝置與方法

3.1 實驗裝置及流程

實驗裝置如圖3所示，主要由液體分布器、換熱管、水箱、離心泵、閥門、流量計、集液桶組成，本文以水為實驗介質。實驗流程如下：水箱中的水由離心泵動力輸送，經主路控制閥、轉子流量計，液體被輸送到液體分布器中，通過液體分布器均勻地噴淋到水平換熱管上，在換熱管表面形成液膜后流入水箱，完成一次循環。在圖3中，主路控制閥可以對整體流量進行精細調節；而旁路控制閥可以控制回流流量，從而對整個管路的流量進行粗調。管內流量經稱重法進行了校量，誤差在1%以下。實驗前調整液體分布器使其嚴格水平，系統運行30min后，即可保證液體分布器內部流道濕潤和流動穩定。之后采用集液桶收集液體分布器中每個孔的流量，根據各孔流量大小來分析液體分布器布液的均勻程度。

圖3 實驗裝置圖

3.2 實驗數據處理方法

為衡量液體分布器布液效果的好壞，本文引入布液不均勻度 （ξ）［20］進行評價，ξ數值越大，表明液膜分布越不均勻，布液效果越差。每個布液孔的噴淋量的算術平均值用Qi來表示 （i代表孔編號），Q表示Qi的平均值。

液體分布器的單孔平均噴淋量Q由下式計算：

液體分布器的噴淋量樣本方差S由下式計算：

布液不均勻度ξ可用液體分布器的噴淋量樣本方差除以此列布液孔的單孔平均噴淋量來計算。在不同流量下，ξ的計算公式如下：

4 實驗結果與分析

4.1 液體分布器的流量特性

將初步設計的液體分布器編為1號，其分流板和布液板的結構如圖4所示。為了探究不同因素對布液效果的影響，采用控制變量法設置了多種結構參數的液體分布器進行對照試驗，具體結構參數如表1所示。

圖4 液體分布器分流板和布液板結構圖

表1 液體分布器的結構參數

采用圖3所述的實驗裝置對1號液體分布器進行布液效果測定，可得到不同進液流量下的單孔流量，如圖5所示。

圖5 液體分布器單孔流量隨進液流量的變化情況

從圖中可以看出，各孔流量都隨著進液流量的增加而增加，二者大致呈線性關系。其中，當進液流量為400ml／min時，單孔流量有較大的波動，其中波動幅度百分比18.7%，布液不均勻度數值為0.54。隨著流量增加至600ml／min，各布液孔的單孔流量趨于均勻，不均勻度降為0.22。這是因為進液流量較小時，液體分布器中流動通道未完全被水充滿，尚留有空氣流對其擾動，所以各孔流量波動較大。而隨著流量的增加，流動通道逐漸被水充滿，此時加載到各個布液孔的壓力基本相同，各孔流量趨于一致。

4.2 布液孔間距對布液效果的影響

為了探究布液孔間距對于布液效果的影響，采用不同布液孔間距的液體分布器進行實驗，三種液體分布器的不均勻度對比如圖6所示。

圖6 布液孔間距對不均勻度影響的實驗結果

從圖中可以發現，隨著進液流量的增加，三條曲線的差距逐漸縮小，說明布液孔間距對不均勻度的影響隨著進液流量的增加而減小。三種液體分布器的不均勻度的最大值均出現在進液流量為400ml／min時，在一定范圍內 （λ≥24mm），液體分布器的不均勻度隨著進液流量的增加而一致減小。當布液孔間距λ＝20mm時，不均勻度先隨著進液流量的增大而緩慢下降，當流量達到1200ml／min后，不均勻度隨著進液流量的增大而增大。這可能是由于布液孔間距較小，在匯流作用下，最中間的布液孔附近的壓強較大，出現射流現象，引起單孔流量增大，整體不均勻度增加。

4.3 布液孔孔徑對布液效果的影響

為了探究布液孔孔徑的變化對于布液效果的影響。以不同孔徑的液體分布器為實驗對象，其他條件不變，繼續進行試驗。三種液體分布器在不同流量下的不均勻度對比如圖7所示。

從圖7可以看出，在400～1600ml／min的流量范圍內，不同布液孔孔徑的液體分布器的不均勻度均隨著流量的增加而減小，而且三條曲線之間的差距逐漸減??；在相同進液流量下，不均勻度隨著孔徑的增大而減小。這說明布液孔孔徑的增加有利于布液效果的提高，這是因為孔徑變大時，布液孔的截面積變大，液體從布液孔流出的阻力損失較小，液體在靜壓作用下更容易從布液孔內流出。

圖7 布液孔孔徑對不均勻度影響的實驗結果

4.4 分流區間距對布液效果的影響

為了探究分流板上分流區間距對于布液效果的影響，以不同分流區間距的液體分布器為實驗對象，其他條件不變，繼續進行試驗。三種液體分布器在不同流量下的不均勻度對比如圖8所示。

圖8 分流區間距對不均勻度影響的實驗結果

從圖8可以看出，在流量相同的情況下，布液不均勻度隨著分流區間距的增加而減小，這是因為分流孔距離布液孔越近，液體受到的沿程阻力損失就越小，對流速的降低效果就越不明顯，從而影響布液效果。隨著流量的增加，三種液體分布器的不均勻度均逐漸減小并趨于平穩，說明流量的增加會削弱分流區間距對不均勻度的影響。

4.5 溫度對布液效果的影響

溫度會改變流動介質的動力粘度和密度，并進而影響布液效果。圖9為1號液體分布器在不同溫度下布液不均勻度的變化圖。

圖9 溫度對不均勻度影響的實驗結果

從圖9可以看出，液體分布器的不均勻度隨著溫度的增加會有輕微的下降，這是因為隨著溫度的升高，水的粘度降低，分子間的作用力減弱，更容易形成均勻的出流。實驗數據表明溫度的升高有助于布液效果的提高，但提高幅度有限。

4.6 布液不均勻度量綱分析及關聯式

經過分析，影響布液不均勻度ξ的主要參數有進液流速u、進液口直徑D、分流區間距l、布液孔間距λ、布液孔孔徑d、重力加速度g、介質動力粘度μ、介質密度ρ。根據白金漢定理，相關的無量綱數可以表達為：

選取的基本量綱為：長度量綱 ［L］，時間量綱 ［T］，質量量綱 ［M］。將上述參數進行無量綱化處理：

［ξ］ ＝ ［L］0［M］0［T］0

［u］ ＝ ［L］［T］－1

［D］ ＝ ［L］

［l］ ＝ ［L］

［λ］ ＝ ［L］

［d］ ＝ ［L］

［g］ ＝ ［L］［T］－2

［μ］ ＝ ［L］－1［M］［T］－1

［ρ］ ＝ ［M］［L］－3

得到量綱矩陣：

R（A） ＝3，Ay＝0有8－3＝5個基本解。通過求解得：

此時無量綱數可以表達為：

采用數學軟件將上述參數數據進行擬合，得到不均勻度的預測關聯式：

該關聯式的適用條件如表2所示。

表2 預測關聯式適用條件

將實驗值與預測關聯式的值進行對比，如圖10所示。通過63組實驗數據與預測值的對比，發現除了2號液體分布器的兩組數據由于射流現象與預測值產生了較大偏差以外，其余數據點與預測點的誤差均小于30%，其中50組數據與預測值的誤差小于20%，說明該預測關聯式可較好的適用于本液體分布器的布液不均勻度分析。其中90%的數據值小于1，說明該液體分布器的整體布液效果較好。

圖10 實驗值與預測值的對比

4 結論

針對降膜蒸發器中液體分布不均勻的問題，本文自行設計了一種新型孔板式液體分布器，并通過實驗探究了不同因素對于布液效果的影響。所得結論如下：

（1）所提出的新型結構的分流板和布液板可大幅提高液體分布器的布液性能，在進液流量為400ml／min～1600ml／min的范圍內，液體分布器的平均不均勻度最低可達0.074。

（2）在實驗條件下，液體分布器的不均勻度隨著進液流量的增加而減小，然后趨于穩定。說明進液流量的增加有助于提高布液效果。布液孔間距對不均勻度的影響隨著進液流量的增加而減??；不均勻度隨著布液孔孔徑和分流區間距的增大而減??；溫度通過影響介質粘度和密度影響布液效果，不均勻度隨溫度的升高而降低。

（3）所提出的布液不均勻度無量綱關聯式具有較高的準確度，可為液體分布器布液不均勻度的預測提供理論依據。