探究蒸发式冷凝器的扭曲管与改性管

华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室将交变曲面波纹扭曲管应用于蒸发式冷却或冷凝器。交变曲面波纹扭曲管由椭圆形管扭曲成螺旋状，呈 交变曲面螺纹纹波线形。现有的盘管换热器，多半是单面润湿换热器，如水在圆管或椭圆管表 面自上而下的流动，因此表面被全部润湿的可能性不大。如果采用具有交变曲面的波纹扭曲 管，水流便会沿曲面交变多方向流动，在空气流场的作用下容易形成较全面的润湿。且当喷淋水流过盘管表面时，通过二次流和离心力的作用使流体层变薄，同时产生扰动增大了流体 的湍动程度。流体层变薄和湍动程度的增大不但可提高管外的传热膜系数，且扭曲管内的传热膜系数也可同时获得增大。

管子表面性质，即物理化学性质对形成稳定均匀的薄水膜层，防止干斑的出现也有一定影响。为此，可采用专利技术对盘管表面进行了表面亲水改性，以降低盘管表面和水膜 间的固液表面自由能差，也就是减小其表面张力。表面张力是作用于单位长度上的力，它产 生的原因是界面相内质点受力不均匀造成的，有使表面缩小的趋势，即表面张力是一种收缩力。如果能减小表面张力则便可获得较好的水膜分布，进而改进传热性能。

1．扭曲管的水膜流动状态

光管和扭曲管管间水膜流动的形态见图2 - 31和图2-32。

从图可见，水流在光滑圆管间的分布较为零乱，显得无法控制，多为分散的滴状 流，且水滴大小不均。但从图2 -32可看出，水膜在扭曲管管间的分布变得均匀且可控制， 水滴存扭曲管的凹凸曲面和逆流而行的空气流的共同作用下，不断在管表面滚动更新，产生 良好的薄层蒸发和强化传热效果。相比之下，水膜在扭距大的扭曲管上受到更佳的表面切割 和摩擦作用，进而流过管表面后，在管间形成更多更小的水柱流或水膜流，进而增大了空气 流与水流的接触面积和时间，使过程的传热和传质得到强化。

管子表面的水膜在表面张力、重力、剪切力、惯性力和粘滞力等作用力下，会在管子底 部形成不同的积聚形态，图2 -33和图2-34分别给出了光滑圆管和扭曲管管底部的水膜分 布形态。

从图2 -33可知，在光滑圆管底部有较大的水滴，由于受到表面张力、重力和剪切力等 力的作用，网管底部的水滴将会不停的滑动，直到水滴达到力不平衡点后才会脱落于管表面，且该滞留层的厚度较厚，严重地影响了管内外的传热传质。图2 -34所示扭曲管底部滞 留的为水柱流，在管外空气流和管内制冷工质共同的热质交换作用下，该水柱会因受力不均 而立刻发生脱落，实现了管底水柱流的快速更新。这样便降低了管底水膜热阻，实现了管子表面水膜的均匀分布，有利于蒸发式冷凝器的管内外热质交换。由此可以看出，改变管型能 实现管表面和管间更好的水膜分布和流动形式，进而增大热质交换面积，促进管表面水膜的 蒸发，迅速带走管内制冷工质的冷凝热，达到了强化蒸发冷凝传热的目的。

2．亲水涂层改性管

图2 -35和图2-36分别为采用普通光滑铜管和表面亲水处理后的管子水膜分布。

从图2 -35可看出，未经改性处理管表面的水膜分布很其不均，在表面张力的作用下， 发生了不同程度的收缩，有些区域水膜较厚，有些区域水膜成柱状流流下，甚至有些区域基本上没有水膜而出现了“干斑”现象，这对蒸发式冷凝器换热盘管的热质交换是非常不利的。图2 -36表明，经过表面改性处理后的铜管，其表面水膜的分布变得均匀且分布面积加大，进而使水膜变薄，呈片状流流下，这对蒸发式冷凝器换热盘管表面的薄膜蒸发换热是很为有利的。原因是铜管表面和水膜间的表面张力下降，水膜自身的收缩力减弱，水膜在管壁面上铺展能力增加，更易成膜。铜管表面改性分子在管壁与水膜界面上的定向致密排列和热运动，产生表面张力，其方向刚好与促使表面向里收缩的表面张力相抗衡，因而使水膜表面张力显著下降，从而使水膜在管壁表面的厚度变薄。可见，通过对铜管表面的改性可以改变水膜在管表面的分布形式。