蒸发式冷凝器的研究现状及其应用

蒸发式冷凝器的研究现状及其应用

朱冬生，孙荷静，蒋翔，吴治将

（华南理工大学，化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州510640）

摘

要：本文介绍了不同形式的冷凝器，并比较了其特点，重点阐述了蒸发式冷凝器的原理、结构及特点，分析了蒸发式冷凝器的应用及研究状况，总结了其在应用过程中存在的问题与解决方法，并对蒸发式冷凝器的进一步发展做出了展望。

关键词：蒸发式冷凝器应用研究现状；

中图分类号：TQ025

献标识码：A

引言

随着工业的发展，我国水资源和能源都非常紧张，节能被称为是水、煤、石油和天然气之外的“第五能源”，而我国各类工业过程和设备中涉及的制冷过程耗能现象十分严重，相同的冷凝负荷，往往得比国外多消耗几倍的能量。工业生产中冷却用水占70%以上，冷却用水直接排放会造成热污染、经济和资源浪费，目前节水节能已成为我国的一项基本国策。蒸发式冷凝器就是冷却水重复利用的关键设备之一；另外，能源危机和水环保也促进了蒸发式冷凝器的研究和应用。

1冷凝器概况简介

冷凝器的型式按冷却方式可把冷凝器分为三大类:空气冷却式冷凝器,水冷式冷凝器,空气与水联合冷却式冷凝器。

1.1空气冷却式冷凝器

这类冷凝器简称为风冷式冷凝器,制冷剂放出

的热量由空气带走,制冷剂在管内冷凝。由于空气的对流传热系数很低,故在盘管外侧通常加肋片以增加空气侧的传热面积。这种冷凝器的传热系数比较小,冷凝温度较高,使冷凝压力升高,制冷机效率降低。空气冷却式冷凝器的最大优点是不需冷却水,因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合。

1.2水冷式冷凝器

用水作为冷却介质,使高温高压的气态制冷剂冷凝的设备,称为水冷式冷凝器。水冷式冷凝器的冷凝温度较风冷式冷凝器低,这对压缩机的制冷能力和运行的经济性都比较有利,目前在国内工业制冷系统中得到了广泛应用。水冷式冷凝器中使用的冷却水,可以一次流过,也可以循环使用。由于水资源短缺,目前普遍采用循环水的形式。使用循环水时,需设有冷却水塔等装置,使离开冷凝器的水得到冷却降温,以便重复循环使用。常用的水冷式冷凝器有卧式壳管式冷凝器、立式壳管式冷凝器和套管式冷凝器等型式。

1.3空气与水联合冷却式冷凝器

1.3.1淋水式冷凝器

冷却水通过配水槽流到换热管组上,以水膜的形式往下流,水蒸发带走热量,即水以显热和潜热的方式起到冷却作用。但由于水膜外的空气,并不是在风机作用下以较高的速度流过,影响了水的蒸发,传热的效果较差。由于传热管之间需保持较大的距离使空气畅通,故这种冷凝器占地面积大,金属耗量大,目前生产和使用较少。

1.3.2蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基础,温度不同的两股流体(空气和水)混合时便放出蒸发潜热,引起较热流体(水)发生冷却,这种冷却效应是借一部分液体变成汽态因而放出蒸发潜热来实现。蒸发式冷凝器是从凉水塔改进而来的,其操作原理和凉水塔基本相同,但相对于凉水塔,由于它省去冷却水在冷凝器中显热传递阶段,使冷凝温度更接近空气的湿球温度,其冷凝温度可比冷却塔水冷式冷凝器系统低3～5℃,这可大大降低压缩机的功耗,其循环水用量减少,只有凉水塔的三分之一左右。

蒸发式冷凝器主要由换热器、水循环系统及鼓风机三部分组成，结构如图1所示。传热部分的换热器是一个蛇形管组，装在一个立式箱体内，箱体的底部为水盘。

（1)换热盘管。蒸发式冷凝器一般用光管，但随着对换热管的不断研究，出现了椭圆管、异滴形管、波纹管和交变曲面波纹管等新型高效盘管（如图2）。

（2）风机。蒸发式冷凝器有吸风式和送风式两种，吸风式的风机装在箱体顶上，优点是箱体内维持负压，水的蒸发温度比较低，但风机处于潮湿气流中，容易引起腐蚀。

（3)喷淋水管和喷嘴。喷淋水的水量配置和均匀布水对蒸发式冷凝器盘管的换热效果有很大影响。根据经验，喷淋水量以能全部润湿盘管表面、形成连续的水膜为最佳，以获得最大的传热系数，并减少水垢。

（4)挡水板。挡水板将热湿空气中带的水滴挡住，减少水的吹散损失，一般一个高效挡水板能控制水的损失率为水循环总量0.002--0.2%。

图1异型管式蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器是将进入换热盘管的高温高压制冷剂蒸汽冷凝。盘管顶部的布水系统不断的将冷却水喷淋到蛇形盘管表面，形成薄层水膜，吸收管内制冷剂热量部分蒸发，未蒸发的冷却水回落到水箱进行下一次循环；新风从底部的格扇进入箱体，流经换热盘管将蒸发的水分带走，在冷凝器顶部以饱和湿空气的形式排出。蒸发式冷凝器将风冷和水冷，传热与传质融为一体，是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的高效冷凝设备。具有以下几个特点：

（1)节水。它充分利用水的汽化潜热，一般的水冷式冷凝器每lkg冷却水能带走16.75-25.12kJ热量，而lkg水在常压下蒸发能带走约2428kJ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％一10%。蒸发式冷凝器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)节能。由于风冷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，而湿球温度一般比干球温度低8-14℃，加上上侧风机给设备造成的负压环境，因此同风冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器冷凝温度较低，而冷凝温度每升高1℃，单位制冷量的耗电量将增加3%-3.5%，所以采用蒸发式冷凝器总功耗也会显著降低。节能效果明显。在HVAC系统中相对于其他冷凝器可以节能20%-40%；

（3)结构紧凑。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)不污染环境。不少化工厂以往采用壳管式或淋激式冷凝器，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90％，不仅氨损失相当严重，还造成环境污染。但用蒸发式冷凝器后不存在这种现象。这对于倡导环保的当今社会具有重要的意义。国外发达国家蒸发式冷凝器的应用十分广泛。

2研究进展

2.1国外研究进展

国外对蒸发式冷凝器进行了大量的研究。早在1952年，S.G.Chuklin就提出了一种关于蒸发式冷凝器设计的普遍化方法。Parker和Treybal对蒸发冷却器的传热、传质进行了详细的实验。Leidenfrost和Korenic在Parker和Treybal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。Zalewski和Gryglaszewski对冷凝器中水流过管束的传热性能进行了研究。Alonso提出了一种通用的蒸发冷却器的传热传质模型。Halasz提出了一种对蒸发冷却式设备通用的无量纲模型。Mizushin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，一种是分析模型。根据冷却塔的冷却过程，Tezuka提出了一种分级方法。Finlay和Grant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。UriyelFisher,WolfgangLeidenfrost和JiashangLi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，并节约换热面积。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。Bykov通过实验对蒸发式冷凝器的水温和空气的焓进行了研究。HishamM.Ettouney在总结前人工作的基础上，采用实验的方式来研究蒸发式冷凝/冷却器，深入研究了管外侧热传递系数和系统效率的关系，并将水流与空气流的流量比和热负荷作为蒸发式冷凝器的特性函数。实验采用翅片管式的蒸发冷形式，并分别采用串联、并联和单独运行的方式进行了比较试验。测试了轴向温度分布，计算系统效率和传热系数，并将蒸发冷与空冷式进行了比较，比较结果有利于更好地理解蒸发冷的特性。BilalA.Qureshi等分别对考虑了污垢热阻的数学模型进行了分析与实验值比较，模拟表明随着运行时间的延长，污垢可使蒸发式换热器的热效率降低55%～78%，而出口冷却流体温度则升高4.7%。两者的研究显示了除垢的重要性。Qureshi运用热力学第一、第二定律分析逆流式冷却塔和蒸发式换热器的热力性能，运用火用平衡确定各系统的不可逆损失；在计算空气-水蒸气混合气体的流火用时，运用了包括热火用、机械火用和化学火用的总火用概念。分析表明，对所有的换热设备，入口湿球温度的增加总是增加第二定律的效率。热力学方法丰富了蒸发式冷凝/冷却传热传质理论，在系统性能评价上也可以获得良好的评价效果，但并没有从根本上改变目前理论模型难以准确表述传热传质过程的窘境。

2.2国内研究进展

国内最早研究蒸发冷却技术始于20世纪80年代，但由于当时国内制造水平和对节能节水应用技术意义的认识不足，该技术并未在国内引起足够的重视，相关的理论与实验研究文献也不多见。90年代后期，随着国家和企业对节能节水的重视，对非饱和蒸发冷却技术的研究逐渐增多起来，研究的内容也更加深入。在理论研究方面，蒋常建等以管内走工艺水的横流式蒸发冷却塔为研究对象，借鉴王铁军的逆流式冷却塔热力计算的数学模型，提出了一种准三维的计算方法；定义了一系列量纲为1参数，通过计算得到了横流式E-NTU的关系线图；讨论了各种参数对其热力性能和E-NTU关系的影响。王东屏对用喷淋蒸发翅管式冷凝器的传热过程进行了分析，建立了传热传质数学模型。唐伟杰通过对带预冷盘管的蒸发式冷凝器传热传质过程进行分析，得到了冷凝盘管外冷却水温度和冷却空气焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表达式；并在稳态传热仿真的基础上，设计了全年运行的蒸发式冷却器的配风量方案，可以作为蒸发式冷却器运行调节的参考。郝亮等采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，以及对制冷剂温度和热流密度的沿程分布情况和入口空气状态变化、配风量和配水量对换热器性能的影响进行了模拟分析。朱冬生等从理论和实验两方面对蒸发式冷凝器的传热传质过程进行了分析，包括管排方式（正排和差排）、管间距对换热效果的模拟比较，风量、喷淋水密度和水的分布状况对传热传质的影响，填料的影响，湿球温度的影响等；此外，还对下送风方式进风来流角度对换热效果的影响进行了模拟和实验分析，得出最佳进风来流角在-15°～20°。刘焕成参照美国ASHREA标准64—74对下进风上排风（即风水逆流式）并采用圆管换热器的蒸发式冷凝器系统进行了实验测试，分析了冷凝温度、空气进口湿球温度、风量和喷淋水量对氨蒸发式冷凝器单位面积热负荷的影响，同时验证了在不同工况下氨蒸发式冷凝器冷凝能力变换曲线的可靠性；实验结果还表明，当氨蒸发式冷凝器的结构尺寸确定以后，在影响单位面积热负荷的各种因素中，冷凝温度和空气的进出口湿球温度最为显著，其次是迎面风速，影响最小是淋水量；并指出设计时采用较大风量和较小的喷淋水量是合适的。刘宪英等对蒸发式冷凝技术应用于家用空调系统的效果性进行了试验研究。实验结果显示：采用蒸发式冷凝技术可大大提高冷凝效果，从而提高系统效率，拟合的实验公式可作为工程实践的设计参考依据。周景锋等则对蒸发式冷凝技术应用于热泵式海水淡化系统进行了试验尝试，为开拓该技术的应用领域提供了借鉴。史一忠等则分别从不同角度对蒸发式冷凝器换热盘管的防垢除垢方面进行了分析和论证。马瑞华等结合了套管式冷凝器和蒸发式冷凝器的优点,设计了一种新型的套管蒸发式冷凝器，它具有节约水流量,节能,传热能力比蒸发式冷凝器更强的优点,更大地利用了换热空间,使得传热能力大大增强。在相同情况下,它的热流密度大约为蒸发式冷凝器的1.5倍。试验证明机组性能系数达4.5～5.0,比现有机组高20%～85%,水泵配置电机功率减少30%～60%。

3应用现状及存在的不足

3.1应用现状

蒸发式冷凝器在西方发达国家得到日益普遍应用，在国内的应用中，由于西北地区缺水的实际情况，目前蒸发式冷凝器在西北地区推广和应用较多，宾馆、办公楼、商场等民用建筑和印刷厂、喷漆车间、计算机房等工业建筑及果蔬保鲜、贮藏冷库、温室等农业建筑的冷却空调设备基本都采用了蒸发式冷凝器，啤酒、食品、饮料、制药、石油、化工等行业也越来越多的采用蒸发式冷凝器，据一些公司的应用数据显示，其冷凝效果好、节能节水的特点是显而易见的。

3.2存在的不足及解决方法

蒸发式冷凝器的应用日趋增多，近年来，国内外研究不断深入，收到了