（制冷及低温工程专业论文）套管蒸发式冷凝器热质传输特性分析与实验.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 目前在制冷装置中常用的冷凝器主要有空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器 和蒸发式冷凝器，考虑到空气冷却式冷凝器传热性能低，水冷冷凝器的冷却水需 要另外设置冷却塔进行冷却，不仅设备庞大，耗水量大，而且能耗高。本文提出 了一种新型的套管蒸发式冷凝器，它在蒸发式冷凝器的基础上在换热管中再加入 一根内管使得制冷剂可以在管的内部进行换热，增大了换热面积。循环冷却水喷 淋到外管管壁，水膜和空气接触，热量主要由水的蒸发带走，热量的传递主要是 以潜热的形式进行 对套管蒸发式冷凝器进行了结构设计和理论分析，并在相同条件下与普通蒸 发式冷凝器进行了比较。结果表明，在相同条件下，套管蒸发式冷凝器的平均热 流密度是普通蒸发式冷凝器热流密度的1 8 倍左右，其传热能力更强。 国内外对冷凝器换热管内部的换热研究较多，有很多的实验关联式。对外管 的水喷淋到换热管表面的蒸发冷凝研究比较少实验对水喷淋到加热管上的换热 进行了研究，针对不同熟流密度、循环水流量、送风量以及湿球温度进行了实验 研究得出了用于工程实践参考的结论 实验的热流密度从2 6 k w m 2 变化到8 8 7 k w m 2 ，送水量的范围是o 1 m 3 ，h 0 2 3 m 3 h , 送风量范围是0 7 3 8 m 3 m 1 5 4 3 8 m 3 旭湿球温度随环境温度变化。实验结 果表明：在实验范围内，水流量越大，换热系数越大；一定水量和风量的条件下， 热流密度越大，换热系数先增大后减小：当送风量达到3 2 8 8 m 3 ( h k w ) 左右后， 换热系数基本不变湿球温度对系统性能有较大影响，湿球温度越高，热流密度 下降，管壁温度升高实验得出最小喷淋水量约为0 4 6m 3 ( h k w ) ，配风量约为 3 2 8 8 m 3 ( h k w ) 。 关键词：套管蒸发式冷凝器，理论分析，蒸发冷凝，最小循环水流量，送风 量 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n ti nt h ec 0 1 l u l o nu s ec o n d e n s e ri nt h er e f r i g e r a n td e v i c e s , t h e r ea r et h r e e t y p e s ，也e ya r ea i rc o o l i n gc o n d e n s e r , w a t e rc o o l i n gc o n d e n s e ra n de v a p o r a t i v e c o n d e n s e r , c o n s i d e r i n gt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fa i rc o o l i n gc o n d e n s e ri sl o w , t h ec o o l i n gw a t e ro fw a t e rc o o l i n gc o n d e n s e rn e e d st ob ec o o l e di nc o o l i 玎gt o w e r , n o t o n l yt h es e t t i n gi sl a r g e ，t h i st a k e sg r e a tm o u n tw a t e rb u ta l s ot a k e sm o r ee n e r g y an e w t y p ec o n d e n s e r - - t u b e i n - t u b ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri sp r o p o s e d , i ti sa d d e dai n n e r t u b ei nt h eh e a te x c h a n g em b eo i lt h eb a s i so ft h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , i tr e s u l t st h e r e f r i g e r a n to a ne x c h a n g eh e a ti nt h ei n n e rt u b e ，b u ta l s oi ta u g m e n tt h eh e a te x c h a n g e a r e a n ec i r c u l a t i v ec o o l i n gw a t e ri ss p r a y e do n t ot h ew a l lo fo u t e rt a b e s , w a t e rf i l m c o n t a c t st oa i r , t h e 印e r g ym a i n l yc a r r i e db yt h ew a t e re v a p o r a t i o n , h e a tt r a n s f e rc a r r y m a i n l yt h r o u g hl a t e n th e a lf o r m t h ec o n f i g u r a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri sc a r r i e d , i nt h es a l n cc o n d i t i o nt h ea n a l y s i sb e t w c c ne v a p o r a t i v ec o n d e n s e ra n dc o m m o n e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r i sd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h es 咖ec o n d i t i o nt h ea v e r a g e h e a tf l u xd e n s i t yo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri so n ep o h a te i g h tt i m e st ot h eh e a tf l u xo f c o m l l l o ne v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , a n d 钰h e a tw a n s f e ra b i l i t yi sb e t t e r t h e r ea i em a n ys t u d i e so nt h ei n n e rp a r to fc o n d e n s e rh e a tt u b e sa b o u th e a t t r a n s f e ri nt h ew o r l d ；t h e r ea r em a n ye x p e r i m t a lr e l a t i n ge q u a t i o n s l i r l es t u d i e si s t a k e nt 0t h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s a t i o no nt h es k i no f h e a tt r a n s f e rt u b e s w a t e ri ss p r a y e d o ns k i no f h e a tt r a n s f e rt u b e s t h eh e a tt r a n s f e ra b i l i t yi sr e s e a r c h e dt ot h ec o n d i t i o nt h a t i sw a t e ri ss p r a y e do nt h eh e a t i n gt u b e sb ye x p e r i m e n t , t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h e e f f e c t so ft h ed i f f e r e n th e a tf l u xd e n s i t y , c i r c u l a t i v ew a t e rf l u x , a i rf l u xa n dw e tb a l l t e m p e r a t u r e ，t h er e s u l tf o r t h ep r o j e c tp r a c t i c ei si n d u c e d t h eh e a tf l u xd e n s i t yc h a n g e sf r o m2 6 k w 加t 08 8 7 l 【w mi nt h ee x p e r i m e n t , t h e a m o u n to fs e n d i n gw a t e rc h a n g e sf r o mo 1 m 3 ht o0 2 3 m 3 h , t h ea m o u n to fs e n d i n ga i r r a n g e sf r o mo 7 3 8 m 3 ht o1 5 4 3 8 m h , w e tb u l bt e m p e r a t u r ec h a n g e sa l o n gw i t ht h e c i r c u m s t a n c e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a ti nt h ee x p e r i m e n tr a n g et h eh e a tl n m s f e r c o e f f i c i e n to f t h eh e a t i n gt u b e si n c r e a s e sw h e nt h ew a t e rf l u xi n c r e a s e s , w h e nt h ew a t e r f l u x e sa n dt h ea i rf l u x e sa l ei n v a r i a b l e ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e si nt h ef i r s t a n dt h e nd e c l i n e s ；t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si n v a r i a b l e w h e nt h ea i rf l u x e sr e a c h e s a b o u t3 2 8 8 m 3 ( h - k w ) , o h a n g i n gt h ea i rf l u x e s ，t h eh e a tl 哦m s f e rc o e f f i c i e n td o n tc h a n g e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 o b v i o u s l y w e tb u l bt e m p e r a t u r ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h es e t t i n gp e r f o r m a n c e , w h e nt h e w e tb u l bi n c r e a s e s ，t h eh e a tf l u xd e n s i t yd e c l i n e s , t h et e m p e r a t u r eo ft u b e sw a l l i n c r e a s e s t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h el e a s ts e n d i n gw a t e rf l u xi sa b o u t0 4 6 m 3 ( h k w ) ，a n dt h es e n d i n g a i rf l u xi sa b o u t3 2 8 8 m 3 ( h k w l k e y w o r d s ：t u b e - i n - t u b ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e v a p o r a t i v e c o n d e n s a t i o n , l e a s tc i r c u l a t i v ew a t e rf l u x , 湖d i n ga i ra m o u n t m 重庆大学硕士学位论文目录 主要符号说明 质量流量，k g s 传质系数 l 【g ( m 2 s ) 空气含湿量，k g k g - t - 焓值脚；对流换热系数 w ( m 2 - k ) 传热系数，w ( m 2 k ) 汽化潜热, j k g 温度， 比热，j ( k g k ) 、i 、v 流速m s q 热量，j p 密度k g m 3 c p定压比热k j ( k g k ) p 压力，p a t热力学温度k ，r q 气体常数, k g = 2 8 7 j ( k g k ) ， p , = 4 6 1j f f k g k 1 b 湿空气压力, p a 尹 相对湿度， ，l 幺容m 3 k g 国 最窄截面流速m s g 重力加速度 9 8 n s 2 ， 长度m n 管数 p 动力粘度，p a - s v i g 质量流量，k g h k面积，i n 2 q热流密度，w m 2 w 功率。w a面积叠 下标 a空气 b饱和 w 水，壁面 q 水蒸汽 f 制冷剂 g干空气 i 内部 艿 液膜 s湿球 m 平均的 上标 。 饱和 一 平均 准则数 肌；埠 l r e ：堕 x m b w h k r 0 c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：导师签名： 穆j 辫 签字日期：年月日 签字日期：h 幻7 年罗月2 = 厂日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 制冷技术应用简介 根据获取冷源方式的不同，制冷的方法分为两类【1 】： 一类是利用天然冷源制冷。古代劳动人民在冬季采集冰雪，贮藏于冰窖，到 夏季取出降温使用的活动。直至目前，天然冰在室内降温，食品冷藏方面仍有大 量应用。这类制冷方法，操作简便，不需要很高的技能和复杂的设备但难以得到0 以下的低温，温度又不易控制和调节。 另一类是人工制冷。1 8 3 4 年英国入波尔金斯制成了用乙醚作制冷剂的第一台 制冷机。1 8 4 4 年美国人高斯发明了空气压缩式制冷机。1 9 3 0 年出现的氟利昂制冷 机又为制冷机的发展应用开辟了新的领域。 近5 0 年来，随着现代科学技术的飞速发展，制冷技术以日新月异的速度发生 变化。并且，正在现代国民经济、人民生活、国防科研、文化艺术等各领域中发 挥着日益重要的作用。 食品工业是应用制冷技术最早、最多的部门。如今，它以冷藏库、冷藏汽车、 冷藏柜等组成食品冷藏链，满足人民生活的需要。 近年来空调器进入千家万户和楼堂馆所、生产部门，向人民提供舒适的工作、 生活环境和必要的生产条件。 在农副业生产中，制冷技术应用于化肥生产、良种培育、微生物除虫、人造 雨雪、果蔬速冻加工等各个方面。 在工业生产中，制冷技术广泛的应用于炼钢、冶金、机械、纺织、石油化工、 有机合成等各行各业的制氧、分离、稽炼、结晶、液化、冷处理等各个重要的生 产环节。 在国防科研、核能开发、火箭航天等事业中，制冷技术广泛应用于各种产品 的低温性能试验，获取高能原料等方面。 在许多近代的尖端科学技术部门中，如电子计算机、通讯卫星、超导体研究、 高真空、红外线技术等方面，都离不开制冷技术的应用。 在工程建筑中，制冷技术应用于冻结土壤、防止地下水流渗，在隧道、矿井 等各种地下工程的施工中发挥着重要的作用。 在医疗卫生部门中，低温技术被广泛的应用于贮存血清、疫苗、器官、药物 以及抗菌素等重要药品的生产。 可以断言，随着现代科学技术的发展和人类经济文化的不断提高，制冷技术 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 的发展和应用方面必将显示出更加广阔、美好的前景。 1 1 2 研究和开发高效换热器的重要性 水资源是人类生存和社会经济发展不可替代的重要战略资源，是生态环境的 控制性因素。我国人均水资源不足，随着入口增长、工业化、城市化的进一步发 展，缺水和水污染问题已成为社会经济发展重要的制约因素。目前，我国对水量 的需求越来越大，对水质的要求也越来越高。据估计，我国目前每年工业用水量 约为1 0 6 7 亿m 3 ，其中用水综合利用率为5 6 ，到2 0 1 0 年，需水量每年则约为1 5 6 0 亿m 3 【2 l 。我国水资源并不富裕，我国人均水资源占有量仅相当于世界入均水资源 占有量的1 4 ；在全国6 0 0 多个城市中，有4 0 0 多个城市供水不足，其中缺水比较 严重的城市有1 1 0 个，全国城市年缺水总量达6 0 亿m 3 。水资源的匮乏已经成为扼 住人类发展咽喉的问题。据有关专家估计，2 0 0 0 年我国城市缺水量达4 0 0 亿m 3 ， 全国因缺水影响的国民生产总值达2 4 0 0 亿元人民币。而到2 0 3 0 年前全国缺水量 将达6 0 0 亿立方米p j 同时我国水环境污染严重，主要表现在以下几个方面：第一，江河水污染严 重。据近期的水资源评价反映，在评价的7 0 0 多条河流中，水质良好的占评价河 长的3 2 2 ，受污染的河长占评价河长的4 6 5 。全国七大江河中，淮河、黄河、 海河的水质最差，平均有7 0 的河段受到污染。黄河、淮河、海河等中下游发生 断流现象；不少中小河流由于城镇工业的超量排放污水，河流被严重污染。第二， 湖泊、水库的富营养化严重。由于我国人口增长和城市化进程的加快，工农业的 发展，特别是农用化肥及农药的大量使用，使排入湖泊、水库的磷、氮、钾等营 养物质增加。据统计我国有1 3 1 个大中型湖泊中，有8 9 个湖泊被污染，有6 7 个 湖水水体达富营养化程度。正是由于各种因素的影响，使得我国的水资源缺乏严 重，特别是在西北地区更是水资源贫乏，开发和推广高效率低能耗的工业用水冷 却设备具有重要意义【4 】。 随着制冷工业的不断发展，制冷与空调设备的大量被应用，这必然造成能源 的大量消耗在一些发达国家，制冷与空调的能耗量占全年总的能耗量的2 0 3 0 。我国的耗能现象同样十分严重，预计以目前空调器的能耗水平，今后l o 年 内生产的空调，在其预期寿命内，电力能源消耗将达到4 0 0 0 亿度埘。据国家电力 中心的调研与分析，我国电力现阶段的发展趋势为：负荷率下降，峰谷差增大 最大负荷增速高于用电增速而导致我国电力负荷特性恶化的主要原因是第三产 业和居民生活用电比重不断增加。根据我国近几年来实践和调查数据显示，近几 年空调负荷对电力高峰的影响非常突出。另据有关部门对我国城市家电市场的调 研，我国一般市场居民家庭的家用空调最多使用4 个月，其中6 9 月的使用频数 最高，每天使用3 4 小时的用户最多，可见家用空调使用时间一般为3 6 0 5 0 0 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 小时年，其间断性负荷对城市电网的影响非常大，是我国电力负荷特性逐年恶化 的主要原因之一1 6 】。制冷空调产品的广泛应用一方面促进了制冷空调产品的发展， 另一发面则加剧了我国电力供需的矛盾。 对制冷技术中节能的应用范围很广， 例如： 对新设计的制冷压缩机和制冷系统， 是提高制冷系统的换热性能。 从不同的角度出发有不同的节能方法， 应当尽可能的提高其热力完善度，特别 从制冷装置使用角度而言，应该选择最合理的使用条件，以便制冷机和制冷 系统能够在效率最高的设计点上运行，对于需要在运行时进行冷量调节的装置， 应该选择最佳的调节方式，此外还可以采用蓄冷以便使装置在最高效率下连续运 行，同时在不断增加制冷设备的情况下，保证高峰冷负荷的需要和避开人民用电 的高峰。 从利用低品位的常规能量和利用非常规能源出发，开发适用于低品位或非常 规能量驱动的制冷压缩机和制冷系统。 换热器作为制冷与空调方面的重要的组成部分，其作用是将制冷剂的能量与 换热器外的介质进行能量的传递，其性能好坏直接影响到制冷装置运转的经济性 和可靠性。因此高效节能设备的应用是必然的趋势。近几十年来，各国的工业、 节能和开发新能源有了突飞猛进的发展。工业的发展、节能以及新能源的开发需 要装备尺寸小、重量轻和容量大的换热器。这一要求只有通过采用强化换热技术 增强换热器中的挟热工况才能达到。例如，有的强化换热技术可以使换热器的换 热强度增强十几倍之多，从而能使换热器的尺寸和重量大大减少，并带来显著的 经济效益。因此，研究和开发采用强化传热技术的换热器对制冷与空调行业的发 展以及国民经济的发展的作用是不言而喻的。 1 1 3 冷凝器的分类及特性 冷凝器是制冷系统中的重要设备，是制冷系统向外放热、实现制冷剂相态还 原的重要换热设备。它的主要作用是将压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气的热 量传递给冷却介质，使制冷剂蒸气冷却、液化。 制冷剂在冷凝器中先由过热蒸气冷却为干饱和蒸气，放出湿热，再由于饱和 蒸气冷凝为饱和液体，放出大量潜热。如果饱和液体继续得到冷却，就成为过冷 液体。 按冷却方式的不同，冷凝器可分为空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器、蒸 发式和淋激式冷凝器三大类【7 1 空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器用于电冰箱、冷藏柜、窗式空调器、汽车及铁路车厢用空 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 调装置、冷藏等运输式制冷装置，冷却介质为空气，适用于干旱缺水或水质低劣 的地区。空气冷却式冷凝器根据空气的流动情况还可分为自然对流冷却和强制对 流冷却两种罔。前者主要用傲3 0 0 l 以下家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型 氟利昂机组唧。近年来由于冷却水源比较紧张，国外在制冷量达到2 0 0 k w 的大容 量制冷压缩机组中也有采用空气冷却式冷凝器的。 自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出 的热量带走。有线管式和板管式两种。线管式冷凝器由两面焊有钢丝的蛇形管组 成，钢丝与管子互成垂直，并点焊到管壁上。板管式冷凝器是由蛇形管和整块金 属板组成，两者电焊在一起。在金属板上有时还开有条缝使加热后的空气逸出， 以增加传热管表面与空气间的传热温差。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空 气冷却式冷凝器。因而通常仅用于家用电冰箱和小型制冷装置。由于不用风机， 节省了风机电耗，还避免了风机运转时的噪音，但是这种冷凝器的传热系数很低 一般为9 1 6 w m k ) l g j 。 强制对流空气冷却式冷凝器一般都制作成套片管式，由一组或者几组蛇形管 组成。空气在轴流风机的作用下横向流过翅片管，翅片管用外径1 0 3 0 m m 的钢 管或铜管外套钢片或铝片。管组通常由直管或者u 形管组成，并利用弯头通过铜 焊或银焊连接起来。钢管与钢翅片问靠热镀锌来保持良好接触，同时热镀锌还能 保护钢翅片管不受腐蚀。紫铜管与铝翅片间的良好接触是用钢球胀管或液压胀管 来保证。钢球直径大约比紫铜管内径大0 5 r a m 。各分路蛇管间的连接较多地采用 集管并联的形式，制冷剂蒸气从上部进入蛇形管后自上而下地流动，冷凝液体从 底部排出。也有制冷剂蒸气沿蛇形管自上而下往返几次，最后从底部排出的。强 制通风用的风机常用轴流式风机。小型冷凝器常与压缩机、储液器和电机装在同 一底板上，风扇用电机驱动，这样就构成了冷凝机组。小的冷凝机组可以安装在 室内靠近蒸发器的地方这种冷凝器的传热系数同样也较小，一般约为2 3 3 5 w ( m z k ) u 0 j 。它必须使用风机，要消耗一定的电能。 风冷式冷凝器的冷凝温度受室外及周围空气温度的影响，当室外或周围空气 温度较高时，冷凝温度和压力也都较高，所以它宜采用冷凝温度高，但冷凝压力 较低的制冷剂，如r 1 4 2 、r 1 1 3 、r 1 1 4 等。如空气冷却式冷凝器用于冷藏柜等蒸发 温度较低的制冷装置时，应该注意在冬季气温较低时，则冷凝压力降低，如冷凝 压力过低，当低至冷凝压力p k 和蒸发压力p o 的压差过小以致不能克服节流阀的阻 力时，则制冷装置不能制冷 水冷却式冷凝器 水冷式冷凝器是用水作为冷却介质来对压缩机的排汽进行冷却使其冷凝，冷 却水可用江、湖、河、海及井水等。由于水的温度较低，所以采用水冷式冷凝器 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可以得到较低的冷凝温度和压力，从而有利于提高制冷装置的制冷能力及其运行 的经济性。 目前常用的水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式、套管式三种。 立式壳管式冷凝器在中型或大型的制冷系统中应用较广它的外壳是由钢板 焊成的圆柱形筒体，简体内的两端焊有管板，在管板上用扩胀法或焊接法将无缝 钢管进行固定。这种冷凝器的设计一般是从压缩机排出的高温高压制冷剂气体从 壳体高度约三分之二处的管接头进入冷凝器的管与管的空间，在竖直管外冷凝成 液体，冷凝后的制冷剂液体从下部流入贮液器内。在冷凝器上部设有一个配永箱， 冷却水经分配器流入管内，水沿管子内壁流下，集于水池中。升温后的水经水泵 送入冷却塔，冷却后循环使用。立式壳管式冷凝器的优点是：占地面积小，可露 天安装，对水质要求较低，清洗方便，进入冷凝器的制冷剂蒸气和已凝结的液膜 成垂直方向运动，能冲刷部分冷凝液膜层，传热效果比较好，传热系数一般为6 9 8 8 1 4 w ( m 2 k ) t 埘，冷却能力大。同时立式壳管式冷凝器的缺点为：冷却水用量大，耗 水量多，流速较高，并且这种冷凝器比较笨重，搬运不方便，制冷剂泄漏时不容 易发现，管内易结垢，需经常洗。 卧式壳管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷装置中都用的很普遍。 它是水平方向装设的，它也是用钢板卷焊成的圆柱形筒体，壳体内装有许多根无 缝钢管，壳体两端焊有管板，将无缝钢管用扩胀法或焊接法固定在管板上。冷凝 器的两端装有带分水筋的铸铁盖板，盖板与壳体间夹有橡胶垫片，用螺栓连接固 定。 氨卧式冷凝器内的传热管可用直管，也可用u 形管，为了便于制造，采用直 管的较多，冷凝管在壳体内布置成等边三角形。 氟利昂卧式冷凝器的构造与氨卧式冷凝器很相似，由于氟利昂与润滑油相互 溶解，润滑油随氟利昂一起在系统中循环，所以在冷凝器底部没有集油包。氟利 昂冷凝器的传热管多采用铜管。 高温高压的制冷剂蒸气由冷凝器顶部进入，在固定于管板上的冷凝管上冷凝， 制冷剂液体由壳体底部的出液管流出。壳体底部还有一集油包，润滑油可从集油 包上的放油管引出( 如无油包，也可从简体上部插入底部的排油管进行放油) 冷 却水由端盖下部进入，受端盖内分水筋的导向在冷凝器内呈多流程来回流动，受 熟后从端盖上都流出。在筒壳上部还设有安全阀、平衡管、放空气管和压力表等 的管接头。此外冷凝器盖板上还设有放空气和防水旋塞。当冷凝器开始运转时， 可打开放空气旋塞排除冷却水管内的空气，使管内充满冷却水。放下旋塞是供冷 凝器停止运转或检修时以便将冷凝器中的冷却水全部捧出。 卧式壳管式冷凝器的优点是：传热系数高，结构紧凑，空间高度低，有利于 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 机组化；冷却水循环使用，耗水量相对立式壳管式冷凝器少；操作方便，运行可 靠。缺点是：耗水量大，冷却水流动阻力大，水泵耗电多；对水质要求较高，清 洗水垢不方便，且需要停止运行。 套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管 子可以是一根，也可以是数根。套管式冷凝器一般应用于制冷量在4 0 k w 以下的 小型氟利昂靠4 冷装置中。运行时制冷剂蒸气从上部进入，凝结液从下部流出。冷 却水从上部进入内管，吸热后从上部流出。制冷剂与冷却水之间为逆流换热。在 套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气的冷却，因而它的传热效果好， 但是金属的消耗量较大。 套管式冷凝器的优点是：结构简单，容易制造，传热效果好。缺点是：制冷 剂和冷却水的流动阻力大，对水质要求较高。 蒸发式和淋激式冷凝器 蒸发式及淋激式冷凝器主要用于空气干燥、水质好，而水量不足的地区，它 们的冷却介质均为水和空气制冷剂蒸气放出的热量主要由喷淋在管外的水蒸发 时带走，所产生的水蒸气由空气带走，以免因壳体内湿度过大而影响水的蒸发。 若此类冷凝器中设有风机，空气为强迫流动，则称为蒸发式冷凝器。若无通风设 备，空气为自由流动，则称为淋激式冷凝器。它应尽量安装在通风处淋激式冷 凝器的结构简单，造价低，但由于换热效率比蒸发式差，且受自然通风条件限制， 所以应用不及蒸发式冷凝器广泛。 图1 1 蒸发式冷凝器 f i 9 1 1e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 蒸发式冷凝器和淋激式冷凝器冷凝器主要是利用自然条件中空气的干湿球温 度差来取得冷量。当不饱和的空气和水接触时，在焓差的推动下，水分从周围的 空气中吸取热量用于自身的蒸发，从而使空气和水的温度降低，再用被冷却和降 温的空气或水来直接冷却待处理的空气或者其它工艺流体。利用直接蒸发冷却技 术可以降低冷凝表面的温度，对制冷剂进行冷却。这样，可以有效降低制冷剂的 冷凝温度，提高制冷机的制冷效率，减小冷凝器的体积。 图1 1 示出了蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器主要由换热管簇、供水喷淋系统和 风机三大部分组成。这种冷凝器的耗水量较少，空气流量也不大嗍。蒸发式冷凝器 所以能减少耗水量，主要是利用冷却水的蒸发时的汽化潜热来吸收制冷剂的热量。 为了减少冷却水的消耗，还可以在蒸发式冷凝器挡水板的上部增加一排或者两排 盘管，使来自制冷压缩机的过热蒸气首先在此盘管中得到冷却，使其达到接近冷 凝压力下的饱和温度，然后再进入下部盘管冷凝成液体。这样，一方面能充分利 用空气中所携带的雾状水滴来对盘管中的制冷剂进行冷却，同时还可以减轻冷却 盘管上的结垢。 表1 1 示出了三星化工集团一期改造工程采用蒸发式冷凝器前后的节电效益 比较【删 表1 1 改造前后效益比较 t a b l e l 1b e n e f i tc o m p a r i s o nb e f o r er e b u i l d i n ga n da f t e r 项目 改造前改造后 淋激式：f = 1 0 0 0 m 2 将卧式壳管式f 产1 0 0 0 m 2 板式： f - - - = 2 0 0 m 2 改为s f l 蒸发式冷凝器， 冷凝器型式 卧式壳管式：f l - = 4 0 0 m 2 2 台 其余不变 f f l 0 0 0 m 2 夏季制冷系统捧出压 p f i 6 m p ap l = i 4 m p a 1 5 m p a 力 t f = 3 6 3 8 c其中蒸发式冷凝器出液 夏季冷凝器出渡温度 注：2 0 0 5 7 1 5 采用红外测试仅温度为3 0 3 2 测定 1 制冷系统p l 平均下降 夏季t i 过高，经常超压捧放，0 1 5 m p a , 压缩机耗功约下 污染环境，生产不安全降1 0 1 5 经济效益分析2 冷凝器循环用水大幅 下降，既降低水泵耗电量， 又减少水耗损失 3 结构紧凑 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 从表1 1 可以清楚的看出安装蒸发式冷凝器后系统的制冷压力下降o 1 5 m p a ， 耗电量也下降。 总体来说蒸发式冷凝器具有以下一些优点： 1 ) 节水。一般在水冷式冷凝器中，每l k g 冷却水能带走1 6 7 5 2 5 1 2 k j 热量， 而l k g 水在常压下蒸发能带走约2 4 2 8 1 0 热量，蒸发式冷凝器正是利用水的蒸发潜 热来带走制冷剂蒸气的热量，因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一般水冷式冷凝 器的1 ；考虑到飞溅损失，排污换水等因素，实际耗水量约为水冷式的5 1 0 【1 1 1 2 ) 节电。采用蒸发式冷凝器的制冷系统冷凝温度要比用风冷式或水冷式冷凝 器低。由于冷凝温度每升高l ，单位制冷量的耗电量将增加3 5 。因而采 用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少，冷凝器的总耗功率( 水泵、风机) 也显著降低，据统计要比壳管式冷凝器加冷却塔系统节电1 0 左右，比空冷式冷 凝器节电3 0 以上i “。 3 ) 结构紧凑。蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用，因此不像水冷式冷凝器 还需配备冷却塔，由于不需要设置冷却塔，故整个装置结构紧凑、体积小、占地 面积小；且安装方便，日常维修工作量小。 4 ) 不污染环境不少化工厂以往采用壳管式或着淋激式冷凝器，夏季时由于 冷凝压力过高，常常采用“放空降压”，但每次放出的并不全是不凝性气体，其中 含有大量的氨气，据有关部门取样分析，有时高达9 0 n ，不仅氨损失相当严重， 还造成环境污染，但采用蒸发式冷凝器后不存在这种现象。 蒸发式冷凝器通常安装在屋顶上，不占地面或厂房面积根据风机装设的位 置不同，蒸发式冷凝器又有送风式和吸风式两种前者把风机装设在冷凝器下部 的侧面，风机强迫空气自下而上掠过换热管簇，一方面促进水膜蒸发，并将水蒸 气带走，另方面使水滴在下落过程中被冷却这种冷凝器的突出优点是风机和 电机不易受潮腐蚀。后者是把风机装设在冷凝器的顶部，抽吸箱体内的空气。这 种冷凝器的优点是箱体内可保持负压，使水的蒸发温度比较低。 1 2 课题学术和实用意义 随着生产和科学技术的发展，能源问题e t 益成为全球关注的焦点问题，如何应 用低能耗的制冷方式已经成为空调领域非常重要的发展方向。蒸发冷却技术利用 水在未饱和湿空气中蒸发吸热，利用水的汽化潜热带走热量，引起了人们广泛关 注。 制冷装置中的冷凝器是重要的设备，它的作用是把高压制冷剂蒸气冷凝成液体 制冷剂，其性能对整个制冷装置的能量消耗有重大影响，因此提高冷凝器的性能 3 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 有重要的现实意义。相对于空气冷却式冷凝器和水冷却式冷凝器，蒸发式冷凝器 的应用比例并不高，但蒸发式冷凝器作为高效换热设备，其优势是明显的【l 习： 1 ) 同带冷却塔的水冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器利用水的潜热进行换热， 因而大大减少了水的消耗，对于我国水资源严重不足的北方地区有重要意义。 2 ) 同空气冷却式冷凝器相比，蒸发式冷凝器冷凝温度较低，这是因为空气冷 却式冷凝器冷凝能力受限于环境干球温度，而蒸发式冷凝器受限于环境湿球温度， 湿球温度一般比千球温度低8 1 4 ，加上上侧风机给设备造成的负压环境，因此 其冷凝温度较低，换热效果非常理想。在h v a c 系统中相对于其他冷凝器可以节 能2 0 4 0 。 3 ) 因为传热传质两个过程在蒸发式冷凝器内一次完成，因而不需要冷却塔， 相对于传统的带冷却塔的水冷式冷凝器，结构更紧凑。 4 ) 同其它类型的冷凝器相比，蒸发式冷凝器总耗功率显著降低，压缩机输入 功率减少，因而省能。这对于倡导节能的当今社会具有重要的意义。 因此，蒸发冷却技术正以明显的优势而日益受到青睐。国外发达国家蒸发式 冷凝器的应用十分广泛。除了部分中央空调采用卧式冷凝器和风冷冷凝器外，大 部分采用蒸发式冷凝器。 蒸发式冷凝器直接利用水的蒸发潜热进行换热，在运行方面具有明显的节能 效果。然而在大多数情况下蒸发式冷凝器换热盘管外的水膜成了换热的主要热阻， 管内制冷剂的热量不能快速的传递到外界环境，使得整体的传热系数不是很高，体 积通常比较庞大同时，由于制造工艺和防腐要求等方面的原因使得目前的蒸发 式冷凝器还主要用于氨制冷系统为主的工业制冷领域，在氟利昂商用空调制冷系 统中罕见其应用的例子 本课题提出一种新型的套管蒸发式冷凝器，通过改变冷凝器换热盘管的结构， 使其在有限的空间内获得更大的换热面积，从而实现蒸发式冷凝器的紧凑化，为 其在商用空调系统中的应用提出解决方案。 套管式冷凝器结构简单，制造方便，冷却水从换热器的下端进入依次向上流 动，与制冷剂的流动方向恰恰相反，能够比较理想地进行逆流式换热，传热效果 好，其传热系数可达1 1 0 0 w ( m 2 k ) ，此外，它可以套放在压缩机的周围而不占用 专门的位置，节省制冷机组的占地面积。同时，它更好的利用了外管内部制冷剂 侧的换热空间。 本课题正是结合了蒸发冷却和套管式冷凝器的各自优势，提出了一种新型的 套管蒸发式冷凝器，具有电耗低、用水省的优点，而且设备的体积小，换热系数 大，作为冷凝设备，具有广泛的应用前景。 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 蒸发式冷凝器的国内外研究发展现状 国外对蒸发式冷凝器进行了大量的研究。早在1 9 5 2 年，s g c h u k l i n 就提出了 一种关于蒸发式冷凝器设计的普遍化方法【l l 。p a r k e r 和t r e y b a l 1 5 】对蒸发冷却器的 传热、传质进行了详细的实验。l e i d e n f i o s t 和k o r e n i c l l 6 1 在p a r k e r 和t r c y b a l 的基 础上进行了数学模型的改进，他们对喷淋水的流量进行了实验d r e y c r1 1 7 】对蒸发 式冷凝器的各种换热的数学模型进行了研究。同时p o p p e i 惦】也对蒸发式冷凝器设计 了比较准确的数学模型，z a l e w s k i 和o r y g l a s z e w s k i v 9 】对冷凝器中水流过管束的传 热性能进行了研究。a l o n s o t 2 0 l 提出了一种通用的蒸发冷却器的传热传质模型。另 一方面，h a l a s z l 2 1 1 提出了一种对蒸发冷却式设备通用的无量纲模型。m i z u s h i n 假设 冷却水的温度是恒定的，对蒸发式冷却器提出了两种不同的方法，一种是数学模 型，种是分析模型。根据冷却塔的冷却过程，t e z u k a 提出了一种分级方法。f i r d a y 和g 捌1 t 吲假设饱和蒸气压力是温度的一维函数，对蒸发冷却设备的传热传质方程 进行了简化。w e b b 2 3 1 提出了冷却塔、蒸发式冷凝器和蒸发冷却器提出了统一的理 论方法。u r i y e lf i s h e r 、w o l f g a n gl e i d e n f r o s t 和j i a s h a u gl i 对蒸发式冷凝器和冷却 塔混合系统的实验表明此系统能显著降低冷凝温度，并节约换熟面积。此外，他 们共同开发了一套用于设计水平或竖直放置的光管、翅片管蒸发式冷凝器与冷却 塔混合系统的计算机程序 2 4 1 另外，w e b b 和v i l l a e r e s l 2 5 1 提出蒸发式冷凝器的计算 机运算法则。p j e r e n s 对几种蒸发式冷却器芯体的设计方案做了探讨【2 6 j 。b y k o v 2 7 】 通过实验对蒸发式冷凝器的水温和空气的焓进行了研究。g u o 和z h a 0 1 2 8 对间接蒸 发式冷却的换热特性进行了数值模拟 崔海亭和王振辉嘲分析了蒸发式冷凝器取代管壳式冷凝器的明显优点，指出 在内陆地区应选用节水、节电尤为显著的蒸发式冷凝器。徐鑫祥、娄锦培t 3 0 1 通过 介绍蒸发式冷凝器的研制情况对该设备的主要特点及节能、节资方面作了阐述。 西安交通大学的王宜义、刘维华【3 l 】通过对直接蒸发式空气冷却器的实验研究，分 析了不同管组连接方式对直接蒸发式换热器的影响。李志明、杨红波p 2 1 分析对比 制冷工艺中几种冷凝方式，通过分析蒸发式冷凝的换热机理，在实验和实践的基 础上讨论了影响蒸发式冷凝器性能的几个重要因素，指出发展蒸发式冷凝技术对 制冷系统节能重要意义关朋口3 】对蒸发式冷凝器的结构、工作原理及安装、使用 过程中应注意的问题进行了介绍，并结合工程实例对蒸发式冷凝器和水冷式冷凝 器作了比较，指出蒸发式冷凝器在节水，节能方面具有更高的优势。王铁军、吴 吴等 3 4 1 在分析了蒸发式冷凝器的传热机理、结构和技术特点，基于投资经济学理 论及其分析方法建立了经济技术分析模型，应用该模型对蒸发式冷凝器选型傲了 运行期经济效益分析计算。郝亮等p 5 墚用分布参数法对蒸发式冷凝器建立了数学 模型，并进行了数值计算，模拟了制冷剂温度和热流密度的沿程分布情况。朱东 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 生、沈家龙、蒋翔【3 6 l 对蒸发式冷凝器建立了性能测试实验台，对蒸发式冷凝器进 行了研究。 国外对蒸发式冷凝器的研究已经进行了很长的时间，研究比较成熟，很多蒸 发式冷凝器产品被制造出来，投放市场取得了较好的效果。目前在蒸发冷凝器比 较出名的公司有丹麦的g r a m 公司，荷兰的g e a 公司，美国的b a c 公司和 e 、岫c 0 公司，他们的产品各有特点，有的采用上吸风式，有的采用下吸风式， 并且各个公司在产品上都开发了自己的独特技术。 根据文献l l 习国内生产蒸发式冷凝器的厂家并不多，同国外产品比较，除了价 格优势外，在产品质量上有竞争力的并不多目前国内主要有两家合资的主导厂 家：上海益美高( 同e 心c o 合资) 和大连冰山集团的巴尔第摩( 同美国b a c 合资) ，另外，广东申菱公司和烟台冰轮公司也都在进