空气冷却蒸发盘管中循环倍率对传热系数的影响

液体再循环供液的一个基本好处是改善蒸发器制冷剂侧的传热系数。它主要改进了制冷剂侧表面的润湿性和增加了制冷剂的蒸发速度。过量供液的衡量指标，称为循环量或循环倍率n，即

n=供液给蒸发器的制冷剂流量÷制冷剂的蒸发量

对于过量供液的n值必须超过1.0。由此产生的直接问题是n的最佳值是什么？n值在几个方面影响蒸发器的性能？首先n值的增加提高了传热系数。但n值增加的同时也带来负面因素：泵送液体的成本增加，并通过蒸发器增加了压降。对于一个给定蒸发压力的制冷系统，压力降的增加会导致更低的蒸发温度。

图6-6 进入蒸发器的空气和制冷剂的两个温度n值分布图

n值的影响可以用图6-6表示。在给定冷负荷的情况下，根据压缩机和液体泵的组合能力提供各种循环倍率n值进行比较。制冷负荷是指在特定温度下流体或产品冷却时的传热速度。在图6-6中，进入蒸发器的空气和制冷剂的温度分布是不等边弧线形的。进入蒸发器的空气的分布和制冷剂的温度显示为两个不同的n值^[1]。

通过比较发现一个最佳的循环倍率n值，而其他n值高于这个最佳n值。进入蒸发器的空气和制冷剂的平均温度差，是用空气和制冷剂温度的曲线表示的。平均温度差为高的n值小于最佳的n值，因为平均温度差比最佳的n值有更高的传热系数。但高n值有更大的压力梯度转化为陡峭的蒸发温度曲线，在这种情况下，蒸发器出口温度和压力会随着高循环倍率n值降低而下降。其结果是，给定制冷量情况下必须使压缩机回气压力降低，从而需要更大的压缩机功率。图6-6中没有显示的是，由于循环倍率n的提高使液体泵的功率增大，这种增大会抵消循环倍率n再增大的意义，从蒸发器到低压贮液器的气/液两相回气管的压降也将更高。液体泵的功率增大和气/液两相回气管的压降升高是高n值的代价。

图6-7 空气冷却蒸发盘管的循环倍率n对整个传热系数的影响

实验室测试和现场试验验证了上述的变化曲线。Wile^[6]在实验室中测试用钢管铝翅片的氨蒸发空气冷却器不同循环倍率的影响，结果如图6-7所示，钢盘管的外径是16mm。在控制膨胀阀维持轻微过热时的试验运行中，循环倍率的变化会改变整体的传热系数。图6-7表明，循环倍率是3或者更高时，比循环倍率为1时有增加25%的传热能力。当n增加到超过4或5，传热能力改善很少或没有改善。

Wile先生的实验经历了当n=7时压力降为10kPa，蒸发温度为-29℃。与此压降相关联的是一个比在出口处的蒸发器的入口高1.7℃的沸点。而Wile先生观察到，典型的做法是在选择盘管时指定循环倍率，它使制冷剂流量通过蒸发盘管时更准确地达到其最佳性能。相同的蒸发盘管可以选择不同的流量，这取决于进入蒸发器的空气与制冷剂的温度差，对于一个给定的循环倍率n值可能导致产生不同的制冷量。

Lorentzen^[7]先生进行了一些类似Wile先生的实验，但增加了热流密度这个附加参数。随着热流密度（每单位面积的传热率）增加，盘管的U值（传热系数）也增加，如图6-8所示。在沸腾传热过程中，通常观察热流量的这种效果，热流密度持续增加，直到蒸发气体可以覆盖蒸发器的内表面。Lorentzen先生的研究表明，随着循环倍率n值增加，使U值也逐步增加，与此对比，在达到Wile先生的实验最佳的传热系数时，图6-8显示蒸发盘管的过量供液确实会使U值突然增加。事实上，n值的增加可以改善U值。但需要注意的是直接膨胀供液的蒸发盘管循环倍率n值只是略大于1.0的时候传热系数有明显的提高，随后传热系数的增加变得平缓。

Richards先生^[8]分析了几位作者包括Van Maale和Cosijn先生[9]的实验数据，如图6-9所示，并得出结论：要达到良好的传热系数——弗劳德数（Froude），一个与众不同的特征数。弗劳德数的特点是量纲为一（无量纲），其简单的表示形式是

(6-1)

式中 v——速度（m/s）；

g——重力加速度（m/s²）；

D——直径（m）。

液体的弗劳德数^[1]Fr_液体，是式（6-1）的修正，即(www.xing528.com)

(6-2)

式中 ρ_L——液体密度（kg/m³）；

ρV——气体密度（kg/m³）；

v_L——液体速度（m/s）；

D_i——管径（m）；

g——重力加速度（m/s²）。

实现有利的传热系数的Fr_液体值为0.04，这与实现管中的环状流相关。这个Fr_液体值见图6-9。

图6-8 使用氟利昂制冷剂的空气冷却器时循环倍率n和热流密度对整个传热系数的影响

图6-9 管径为22mm运行在-20℃，热流密度为2825W/m²时氨蒸发的传热系数

对循环倍率的一些其他建议如下。一家冷风机生产厂家^[10]建议：氨的循环倍率n=4和R22的循环倍率n=3。Geltz先生^[11]建议，当制冷剂在盘管的顶部进液时n值会更高，蒸发表面得到良好润湿。在ASHRAE手册^[12]中也是这种建议，见表6-2。反映在表6-2的另一项建议，是氟利昂n值可以小于氨。氟利昂选择一个较低的n值可避免泵的功率过大。与氨比较，氟利昂制冷工质相变潜热低，但液体密度较高。由于这两个原因需要降低n值，但总的来说，对于一个给定的制冷能力，氨系统液体泵所需的功率约为氟利昂系统功率的1/3。

表6-2 选择循环倍率参考①

①这是笔者综合了冷风机以及本章的内容和容器选型等因素所得出的。

在第4章蒸发器中，根据不同的制冷剂和不同的进液方式，冷风机有不同的循环倍率。不要认为只有泵供液才有循环倍率，重力供液也有它的循环倍率。两者相比，相同的蒸发器重力供液比泵供液的循环倍率要小一些。综合考虑在工程上的实际情况，并且考虑低压循环桶的选型。因为循环倍率的大小与泵的选型密切相关。循环倍率大。泵的流量增大，循环桶需要容纳的液量也随之加大，也就是提高了循环桶的正常液面高度。正常液面高度越高，循环桶安全分离的余量就越小（这部分在容器功能设计时会具体讨论），特别是氟利昂系统。例如在蒸发温度为-30℃时，不同的氟利昂制冷剂系统所需要的循环液体质量分别是氨的4～10倍。笔者认为从供液循环的角度考虑，表6-2所示的循环倍率符合实际应用情况。