156设计和使用蒸发式冷凝器时要注意的事项

1、设计和使用蒸发式冷凝器时要注意的事项郑州轻工业学院 马群超 张文慧 龚毅摘要： 本文概述了蒸发式冷凝器的结构和工作原理，并与其他冷凝器作了比较，提出了蒸 发式冷凝器配管容量设计时应注意的事项， 分析了喷淋密度和迎面风速对管外水膜传热性能 的影响以及为了防止结垢需要注意的一些关键问题。关键词： 蒸发式冷凝器 传热传质 设计 使用 防垢措施1. 引言 冷凝器是制冷系统中的关键设备之一， 其主要作用是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸 汽迅速凝结成液体， 并对外界放热。 常用的冷凝器按其冷却介质和冷却方式一般可分为三种 类型：水冷式（又分为壳管式，套管式，沉浸式等） 、空气冷却式（或称风冷式） 、蒸发式

2、。 蒸发式冷凝器是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的设备， 它利用空气强制流动和水分蒸发 将制冷剂冷凝时的热量带走。由于蒸发式冷凝器传热效率高、 节能、节水、结构紧凑和安装 方便等优点，目前它已在石油、化工、啤酒、乳品、食品、医药等行业的制冷、低温加工、 冷藏、速冻以及建筑的空气调节等领域得到广泛的推广应用。2. 蒸发式冷凝器的工作原理及性能 蒸发式冷凝器是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的设备， 其主要作用是把压缩机排出 的热制冷剂气体冷凝成饱和液体。 蒸发式冷凝器管内流动着制冷剂， 管表面为薄层水膜覆盖， 管外层流动着冷却空气， 它包括了传质换热和对流换热两部分， 是个兼有热质交换的复杂过 程

3、。冷却水由循环水泵送至冷凝盘管的上部， 经喷嘴喷淋到冷凝管组外表面形成水膜往下流 动，由于水膜中部分水蒸发时， 吸收热量而使管内高温、 高压的制冷剂蒸汽冷凝成液体。空 气则由箱体下方进入， 沿冷凝管组的下部向上流动， 并将冷凝器管外的水蒸汽带走。 当空气 的温度低于水温时， 它还可起一定的冷却作用。 未蒸发的水仍回到箱底水池中， 用浮球阀保 持一定的水位， 依此循环工作。 由此可见在蒸发式冷凝器中， 制冷剂蒸汽的热量通过换热盘 管管壁经水膜传到空气。蒸发式冷凝器的传热、传质过程由两部分组成，即 : 一是制冷剂和 水膜的温差， 二是水膜和空气间的温差和质量浓度差。 这里水膜 （形成、 冲刷、厚度

4、和分布） 是蒸发式冷凝器性能的关键。蒸发式冷凝器的传热效果同风冷式冷凝器相比， 冷凝温度比较低， 这是因为风冷式冷凝 器的冷凝能力受限于环境的干球温度，而蒸发式冷凝器的冷凝温度可接近于环境的湿球温 度，通常湿球温度比干球温度低 8 C,因此其冷凝温度较低，换热效果大大优于风冷式冷凝 器。同带冷却水塔的水冷式冷凝器相比， 蒸发式冷凝器由于制冷剂与冷却水进行的传热、 传 质交换一次完成， 主要依靠水的蒸发潜热带走冷凝热负荷， 尤其是夏天的冷凝温度较低， 水 的消耗量大为减少， 理论上耗水量仅为水冷式的 5-10%，实际上也仅仅在 15%左右， 故整个装 置结构紧凑、体积小，占地面积少。采用蒸发式冷

5、凝器，降低了制冷系统的冷凝温度，故压 缩机的输人功率减少， 冷凝器的总耗功率也显著降低， 因而能够实现明显的节能。 因为冷凝 温度每升高1C,单位制冷量的耗电量将增加 3-3.5%。不少测试报告显示，同等条件下，如 采用蒸发式冷凝器后，能降低制冷装置能耗10%左右。3. 迎面风速和湿球温度 1802年道尔顿蒸发定律的提出，为蒸发理论的创立奠定了坚实的理论基础，2001年Manske 总结了蒸发冷凝技术在工业中的应用，指出湿球温度、冷凝温度、风机及水泵动力 控制是影响蒸发冷凝效果最为关键的因素。总体来说， 先进合理的蒸发式冷凝器的风量、 水量配置原则为：适当的水量，较小的风 量。根据前人研究结果

6、及实践总结的经验， 蒸发式冷凝器的喷淋密度有一个最佳值， 可以使其达到较好传热传质效果，这个喷淋密度就是通常所说的最优喷淋密度，能够保证实现盘管上水膜的最佳厚度。空气在蒸发式冷凝器中是一个加湿过程，空气的湿球温度反映了空气被加湿的能力，表明蒸发式冷凝器更适用于气候干燥地区。空气湿球温度对蒸发式冷凝器的性能影响实验表明，湿球温度的增大使性能恶化。蒸发式冷凝器在某研究条件下，当湿球温度从14 . 7C增大到25. 7 C,制冷量和能效比分别减少了 4. 8 %和15%。迎面风速对蒸发式冷 凝器的性能影响实验表明，迎面风速也有一个最佳范围，据有关研究条件下的分析， 蒸发式冷凝器最佳迎面风速范围为 2

7、. 9-3 . 1m/s。其原因主要是受空气在热湿交换面上的传热传 质剧烈程度和交换时间的共同影响因素决定的。迎面风速越大，使得空气与管外表面水膜蒸发水蒸气的接触时间越短，则空气与水膜的热湿交换越不充分；但另外一方面，由于迎面风速的增大，增大了热湿交换面上热质传递的剧烈程度，这又促使热湿交换更加充分。正是由于迎面风速与热湿交换这两者之间的相互作用和影响，存在着最佳迎面风速， 使得蒸发式冷凝器的性能最佳，制冷量和能效比达到最大。冷凝盘管一般采用圆形传热管，为了强化传热，优化为椭圆形、波形钢管，可增加管表面面积，缩小管间距；且内部流动阻力小，外部能容纳较大水量，提高了传热效率。单列盘 管沿液体流动

8、方向有一定的斜度 便于液体依靠自身重力，自行流动排出。整套传热管以框 架支撑，防腐工艺为整体热浸镀锌处理，镀锌层均匀光滑，厚度在0.05-0.1mm之间。4. 结垢问题及其解决方案蒸发式冷凝器的工作环境在室外，且高温潮湿，易于腐蚀，因此其上箱体和下箱应保证足够的镀锌厚度。蒸发式冷凝器在运行过程中由于管子表面上的水不断蒸发，其蒸发汽化的工作机理使得与其他类别的冷凝器相比，存在的最大问题就是容易形成水垢和污垢，将大大降低蒸发式冷凝器的换热性能，在设计过程中应采取相应措施防止和控制结垢。(1) 采用悬臂型蒸发式冷凝器：主机在起停的过程中，由于冷凝器蛇形管存在着压力差 和温度差，导致铜管产生伸缩效应，

9、 由于铜材、垢质膨胀系数差别很大，因而悬臂型蒸发式 冷凝器有自动脱垢的功能。在运行过程中由于制冷剂在冷凝器中发生两相转换产生高频震动，因此很难形成结垢核心，导致水垢无法附着管壁。(2) 冷凝器制作时进行预附膜防垢处理，可有效的阻止污垢晶体在铜管表面上附着。(3) 采用少量连续排水装置， 将冷却循环水的钙离子的浓缩倍数控制在一定范围内，有效的防止垢质析出。(4) 设置预冷器，使冷凝器管的表面蒸发温度在50C以下，采用大水量、密集型布水器，确保冷凝器管表面时刻被水膜包覆，无干涸点。当换热盘管的表面温度低于50 C时，产生的垢质疏松，易于冲洗，而当其表面温度高于50C时，产生的垢质坚硬，难以清除。(

10、5) 设置挡水板，使得较高温度的冷凝管上无水依附，可有效地预防冷凝器结垢。(6) 管束的几何布置方式及布置尺寸会影响空气和水的流动分布，对逆流布置方式而言，相邻换热管的间距如果太小，水流有可能会在此处滞留，而且无论采取什么措施， 在水质较差的地区使用蒸发式冷凝器，结垢不可避免，故管束的几何布置必须有利于清洗。由于蒸发式冷凝器的特殊工作机理以及水的来源方式，使得结垢的问题依然会存在。水质不好可以造成蒸发冷结垢更多更快，但不是根本原因，结垢的根本原因是蒸发， 即便水质好的地方在运行一定时间之后管壁表面也必然要结垢。在蒸发式冷凝器的使用过程中，应采取相应措施，防止或减缓水垢的形成，控制冷却水结垢的途

11、径主要有三个：降低水中结垢离子的浓度，使其保持在允许范围内；稳定水中结垢离子的平衡关系；破坏结垢离子的结晶生长。工业应用上有几种比较可行的防止水垢生成的措施和技术。解决方案：(1 )定期补充水和换水控制：循环冷却水的纯水在使用过程中不断的受热蒸发，水箱中的Ca2 , Mg2 等离子浓度会越来越多，达到一定的值，在传热管上就会结垢，并且结垢速度越来越快。如果通过控制冷却水中的Ca2 , Mg2等离子浓度，就不会或很少在传热管上形成水垢。 定期补充和更换循环水， 始终使冷却水保持较低的离子浓度，减缓结垢速度。同时这种方法也可以将水箱中的其他杂物、微生物、菌类、藻类造成的水质变坏的问题予以清除。(2

12、) 化学除垢：水垢的生成过程就是水中的Ca2 , Mg2 等离子在溶液中进行热运动，不断相互碰撞，生成小晶体，小晶体不断变成大晶体， 形成覆盖在传热管外表面上的水垢层.从CaCQ, Mg(OH)2的结晶过程看，如果在循环水中加人某些化学药物破坏其结晶增长,中断其结晶链，就能达到控制水垢生成的目的。目前我们常采用的化学物品有聚磷酸盐、有机多元磷酸、有机多磷酸醋、聚丙烯酸盐等。(3) 电子除垢仪：电子除垢仪是利用电子脉冲技术产生的高频电子振荡，在两极之间形成一定强度的高频电磁场， 循环冷却水通过高频电磁场时，电磁场对水中的成垢物质进行分解，改变了循环水中的沉积物质的存在形态和相关离子的物理性能以及

13、水分子与其他离子的结 合状态，达到阻止水垢的生成和松动剥落已经生成的水垢的目的。以上三种方式都较好的解决水垢对传热效率的影响，但方法(1)对水资源浪费较大；方法(2)需经常连续的购置药物，增大用户的使用成本；方法(3)操作管理方便，不污染环境，但是初投资费用较大。5. 蒸发式冷凝器布置及管系设计中应注意的一些问题(1)设备布置 蒸发式冷凝器一般应布置在厂房无阻挡的屋顶上。如果现场条件不允许， 则要注意机组安装位置应离墙和其它障碍物有一定距离，以保证良好的通风。 冷凝器的顶部必须等于或高出邻近的墙、建筑物或其它构筑物高度，不然可能会产生空气回流，即从冷凝 器顶部排出的热湿空气流回到其新风进口，致

14、使进风口的湿球温度升高，降低了蒸发式冷凝器的冷凝能力，此时可用钢结构将冷凝器抬高或外加通风机风罩来解决。冷凝器离墙或与另一台冷凝器的最小间距通常确定为：小型冷凝器为1.2-1.5 米，大型冷凝器为1.8-2.4 米或更大。(2)管系设计在大中型制冷系统中，经常会遇到多台压缩机与多台蒸发式冷凝器并联工 作的情况，当热负荷变化时，相应调节压缩机和冷凝器投入运转的台数。当多台冷凝器并联连接时，在管系设计上应遵循以下原则： 冷凝器的出液管：蒸发式冷凝器的作用与传统的壳管式冷凝器一样，都是把压缩机排 出的过热气体冷凝成饱和液体，但在运行特性上稍有区别。壳管式冷凝器的制冷剂是在水管外面流过而冷凝，制冷剂的

15、流动几乎没有阻力，所以通过冷凝器的压降很小或接近零，然而蒸发式冷凝器采用的是蛇型盘管设计, 对整个制冷系统的运行没有大的影响, 贮液器的液体管设计要特别予以注意,这种较长的流程通常会产生压降，尽管这种压降不大, 但对冷凝器的配管设计， 尤其是从冷凝器的出液口到 其基本原则是，此段出液管的设计应保证从冷凝器出来液体依靠重力能自由流入贮液器中。(如图 1)a.每组冷凝盘管的出液管管道必须在垂直管的端部设置“U形存液弯，其作用是建立一个垂直液柱来抵消各冷凝管组之间出口压力的差别。b.每组出液管均应用一段足够长度的垂直立管，通常对氨工质，建议h 1.5米;对氟利昂工质，因其液体密度较大，故通常要求h

16、3.0 米。这样使抵消压力降所需的液柱 h建立在垂直管段而不在冷凝盘管中，以免冷凝器减少有效换热面积。C.冷凝器出液管流向贮液器的水平管段应具有2%的坡度坡向贮液器。d.冷凝器的出液管管径及截止阀：管径尺寸按制冷剂液体的流速来确定，对无存液弯的单台蒸发式冷凝器取 * 0.5 m/s;对有存液弯的多台蒸发式冷凝器取ww 0.76m/s。出液体的截止阀宜装在管道的垂直段，而且至少位于出液管的下面0. 3米。 贮液器与冷凝器的进气口间应设置均压平衡管，以防止气体堵塞冷凝器的出液。图1 关于放空气口。制冷系统运行时，不凝性气体积聚在冷凝器出液口处及贮液器上部；当系统停止运行时，不凝性气体的趋向于向系统

17、的高处集结，通常是积聚在靠近冷凝器进气口的进气集管上。因此应当在蒸发式冷凝器每组盘管的出液管和进气集管上分别设置放空气接口，且每个放空气接口必须单独装截止阀，并通过放空气管连接到空气分离器进气集管上的放空气局只有在停车时使用才有效。 每台蒸发式冷凝器均应单独装设安全阀，并通过安全管引至高处。6. 结语在应对环境、资源问题的严重挑战，实现节能减排战略部署，保证资源集约型、环境友 好型社会的建立，满足制冷空调的舒适、健康、省能、安全的目标实现需求的今天，蒸发式 冷凝器作为一种新型节能环保的换热设备，受到人们的普遍关注，并将朝着更为广阔的空间发展，以更多的结构型式、更优的运行效能和更广的应用范围造福于人类生产和生活。参考文献1 邱嘉昌，文咙昌蒸发式冷凝器的应用与管系设计研究J.制冷技术.2003,(2):28-33.2 朱冬生，蒋翔，沈家龙，徐丽.蒸发式冷凝器水膜传热性能实验研究J.高校化学工程学报.2007,21(1):31-36.3 朱冬生，沈家龙，蒋翔，徐丽，欧阳惕.湿空气对蒸发式冷凝器性能的影响J.制冷技术，2006, (2) : 17-22 .4 蒋翔，朱冬生，唐广栋.蒸发式冷凝器管外水膜与空气传热性能及机理的研究J.流体机械，2006, 34(8) : 59-62. 朱冬生，沈家龙，唐广栋，蒋翔，欧阳惕.水分布对蒸发式冷凝器传热传质的影响J.工程热物理学