分液冷凝器的管程理论设计及热力性能评价

    空冷冷凝器广泛应用于能源系统、动力工程和石油化工等行业。在制冷行业中，冷凝器作为制冷(热泵)系统的一个重要组成部件，其热力性能对制冷系统的成本与性能有重要的影响。

    冷凝器的热力性能主要由传热系数和压降决定，而干度和流量是其重要影响因素。Miyara[1]和Cavallini[2]等人发现制冷剂管内冷凝换热系 数随其质量流量和干度的增大而变大。在相同质量流速下，环状流的平均换热系数最高，其次是分层流，弹状流最小。提高环状流在总管长中的比例，可提高冷凝器 的整体换热性能。

    由于流型对制冷剂管内换热性能有重要的影响，许多换热模型都是基于流型提出来的。Taitel和Dukler[3]以及Baker[4]最早提出了适用于 水平管内绝热流动的两相流型图。Breber等人[5]在Taitel－Dukler流型图的基础上提出新流型图。Dobson和Chato[6]通过对 工质R134a、R22以及R32和R125的近共沸混合物在三种不同管径(3.12、4.57和7.06mm)下的流型进行实验研究，发现在质量流速为 150~300kg/(m².s)时，随干度减小流型从环状流逐渐过渡到波状流和弹状流；而在质量流速为500、645和784 kg/(m².s)时，流型从雾状流逐渐过渡到环状流、波状流和弹状流。

    Boissieux等人[7]对Shah以及Dobson和Chato[4]的关联式与实验数据进行比较，发现Dobson关联式预测值在干度小于0.7 时，与实验数据吻合较好，但当干度较大时，预测值偏大，Shah关联式的总标准偏差为9.1%。Cavallini[8-9]通过比较Shah等人在管内 冷凝方面的研究成果，对纯质制冷剂R22、R134a、R125、R32、R236ea及混合制冷剂R407C和R410A，提出一个管内冷凝换热模型， 模型根据不同的流型有不同的数学表达式[10]。该模型计算结果与实验数据进行比较，大部分常用制冷剂的平均偏差均在16%以内，特别是对R22吻合程度 较好，平均偏差在5%左右。

    最近，彭晓峰等[11]提出一种“中间排液、分段冷凝”的强化冷凝传热新思路，采用气液分离装置将冷凝过程中产生的冷凝液及时排走，使气体与换热管壁充分 接触，在高干度下进行冷凝。同时依据等速流动均匀换热的思想，对分液后的气相空间进行重新设计，以每个换热管中流动速率和干度不变为原则，实现换热器的整 体均匀换热。分液冷凝器的管程布置方式对其热力性能影响很大，因此合理的管程设计对分液冷凝器的整体换热性能非常重要。

    由于在传统的换热器设计方法中管内冷凝换热系数模型适合于制冷剂质量流速不变且干度连续变化的情况。分液冷凝器中不同管程的换热管数目不同，加上管程间排液，管内工质的质量流速发生变化，各管程中制冷剂干度也同时发生不连续变化，造成原来的管内换热计算不再适用。