蒸發式冷凝器的研究現狀及其應用

朱冬生，孫荷靜，蔣翔，吳治將

（華南理工大學，化學與化工學院，傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，廣州510640）

摘

要：本文介紹了不同形式的冷凝器，并比較了其特點，重點闡述了蒸發式冷凝器的原理、結構及特點，分析了蒸發式冷凝器的應用及研究狀況，總結了其在應用過程中存在的問題與解決方法，并對蒸發式冷凝器的進一步發展做出了展望。

關鍵詞：蒸發式冷凝器應用研究現狀；

中圖分類號：TQ025

獻標識碼：A

引言

隨著工業的發展，我國水資源和能源都非常緊張，節能被稱為是水、煤、石油和天然氣之外的“第五能源”，而我國各類工業過程和設備中涉及的制冷過程耗能現象十分嚴重，相同的冷凝負荷，往往得比國外多消耗幾倍的能量。工業生產中冷卻用水占70%以上，冷卻用水直接排放會造成熱污染、經濟和資源浪費，目前節水節能已成為我國的一項基本國策。蒸發式冷凝器就是冷卻水重復利用的關鍵設備之一；另外，能源危機和水環保也促進了蒸發式冷凝器的研究和應用。

1冷凝器概況簡介

冷凝器的型式按冷卻方式可把冷凝器分為三大類:空氣冷卻式冷凝器,水冷式冷凝器,空氣與水聯合冷卻式冷凝器。

1.1空氣冷卻式冷凝器

這類冷凝器簡稱為風冷式冷凝器,制冷劑放出

的熱量由空氣帶走,制冷劑在管內冷凝。由于空氣的對流傳熱系數很低,故在盤管外側通常加肋片以增加空氣側的傳熱面積。這種冷凝器的傳熱系數比較小,冷凝溫度較高,使冷凝壓力升高,制冷機效率降低。空氣冷卻式冷凝器的最大優點是不需冷卻水,因此特別適用于缺水地區或者供水困難的場合。

1.2水冷式冷凝器

用水作為冷卻介質,使高溫高壓的氣態制冷劑冷凝的設備,稱為水冷式冷凝器。水冷式冷凝器的冷凝溫度較風冷式冷凝器低,這對壓縮機的制冷能力和運行的經濟性都比較有利,目前在國內工業制冷系統中得到了廣泛應用。水冷式冷凝器中使用的冷卻水,可以一次流過,也可以循環使用。由于水資源短缺,目前普遍采用循環水的形式。使用循環水時,需設有冷卻水塔等裝置,使離開冷凝器的水得到冷卻降溫,以便重復循環使用。常用的水冷式冷凝器有臥式殼管式冷凝器、立式殼管式冷凝器和套管式冷凝器等型式。

1.3空氣與水聯合冷卻式冷凝器

1.3.1淋水式冷凝器

冷卻水通過配水槽流到換熱管組上,以水膜的形式往下流,水蒸發帶走熱量,即水以顯熱和潛熱的方式起到冷卻作用。但由于水膜外的空氣,并不是在風機作用下以較高的速度流過,影響了水的蒸發,傳熱的效果較差。由于傳熱管之間需保持較大的距離使空氣暢通,故這種冷凝器占地面積大,金屬耗量大,目前生產和使用較少。

1.3.2蒸發式冷凝器

蒸發式冷凝器是以蒸發冷凝和顯熱交換為基礎,溫度不同的兩股流體(空氣和水)混合時便放出蒸發潛熱,引起較熱流體(水)發生冷卻,這種冷卻效應是借一部分液體變成汽態因而放出蒸發潛熱來實現。蒸發式冷凝器是從涼水塔改進而來的,其操作原理和涼水塔基本相同,但相對于涼水塔,由于它省去冷卻水在冷凝器中顯熱傳遞階段,使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度,其冷凝溫度可比冷卻塔水冷式冷凝器系統低3～5℃,這可大大降低壓縮機的功耗,其循環水用量減少,只有涼水塔的三分之一左右。

蒸發式冷凝器主要由換熱器、水循環系統及鼓風機三部分組成，結構如圖1所示。傳熱部分的換熱器是一個蛇形管組，裝在一個立式箱體內，箱體的底部為水盤。

（1)換熱盤管。蒸發式冷凝器一般用光管，但隨著對換熱管的不斷研究，出現了橢圓管、異滴形管、波紋管和交變曲面波紋管等新型高效盤管（如圖2）。

（2）風機。蒸發式冷凝器有吸風式和送風式兩種，吸風式的風機裝在箱體頂上，優點是箱體內維持負壓，水的蒸發溫度比較低，但風機處于潮濕氣流中，容易引起腐蝕。

（3)噴淋水管和噴嘴。噴淋水的水量配置和均勻布水對蒸發式冷凝器盤管的換熱效果有很大影響。根據經驗，噴淋水量以能全部潤濕盤管表面、形成連續的水膜為最佳，以獲得最大的傳熱系數，并減少水垢。

（4)擋水板。擋水板將熱濕空氣中帶的水滴擋住，減少水的吹散損失，一般一個高效擋水板能控制水的損失率為水循環總量0.002--0.2%。

圖1異型管式蒸發式冷凝器

蒸發式冷凝器是將進入換熱盤管的高溫高壓制冷劑蒸汽冷凝。盤管頂部的布水系統不斷的將冷卻水噴淋到蛇形盤管表面，形成薄層水膜，吸收管內制冷劑熱量部分蒸發，未蒸發的冷卻水回落到水箱進行下一次循環；新風從底部的格扇進入箱體，流經換熱盤管將蒸發的水分帶走，在冷凝器頂部以飽和濕空氣的形式排出。蒸發式冷凝器將風冷和水冷，傳熱與傳質融為一體，是水冷式冷凝器和冷卻塔一體化結構的高效冷凝設備。具有以下幾個特點：

（1)節水。它充分利用水的汽化潛熱，一般的水冷式冷凝器每lkg冷卻水能帶走16.75-25.12kJ熱量，而lkg水在常壓下蒸發能帶走約2428kJ熱量，因而蒸發式冷凝器理論耗水量僅為一般水冷式冷凝器的1％；考慮到飛濺損失、排污換水等因素，實際耗水量約為水冷式的5％一10%。蒸發式冷凝器大大減少了水的消耗，對于我國水資源嚴重不足的北方地區有重要意義；

（2)節能。由于風冷式冷凝器冷凝能力受限于環境干球溫度，而蒸發式冷凝器受限于環境濕球溫度，而濕球溫度一般比干球溫度低8-14℃，加上上側風機給設備造成的負壓環境，因此同風冷式冷凝器相比，蒸發式冷凝器冷凝溫度較低，而冷凝溫度每升高1℃，單位制冷量的耗電量將增加3%-3.5%，所以采用蒸發式冷凝器總功耗也會顯著降低。節能效果明顯。在HVAC系統中相對于其他冷凝器可以節能20%-40%；

（3)結構緊湊。因為傳熱傳質兩個過程在蒸發式冷凝器內一次完成，因而不需要冷卻塔，相對于傳統的帶冷卻塔的水冷式冷凝器，結構更緊湊；

（4)不污染環境。不少化工廠以往采用殼管式或淋激式冷凝器，夏季時由于冷凝壓力過高，常常采用“放空降壓”，但每次放出的并不全是不凝性氣體，其中含有大量的氨氣，據有關部門取樣分析，有時高達90％，不僅氨損失相當嚴重，還造成環境污染。但用蒸發式冷凝器后不存在這種現象。這對于倡導環保的當今社會具有重要的意義。國外發達國家蒸發式冷凝器的應用十分廣泛。

2研究進展

2.1國外研究進展

國外對蒸發式冷凝器進行了大量的研究。早在1952年，S.G.Chuklin就提出了一種關于蒸發式冷凝器設計的普遍化方法。Parker和Treybal對蒸發冷卻器的傳熱、傳質進行了詳細的實驗。Leidenfrost和Korenic在Parker和Treybal的基礎上進行了數學模型的改進，他們對噴淋水的流量進行了實驗。Zalewski和Gryglaszewski對冷凝器中水流過管束的傳熱性能進行了研究。Alonso提出了一種通用的蒸發冷卻器的傳熱傳質模型。Halasz提出了一種對蒸發冷卻式設備通用的無量綱模型。Mizushin假設冷卻水的溫度是恒定的，對蒸發式冷卻器提出了兩種不同的方法，一種是數學模型，一種是分析模型。根據冷卻塔的冷卻過程，Tezuka提出了一種分級方法。Finlay和Grant假設飽和蒸氣壓力是溫度的一維函數，對蒸發冷卻設備的傳熱傳質方程進行了簡化。UriyelFisher,WolfgangLeidenfrost和JiashangLi對蒸發式冷凝器和冷卻塔混合系統的實驗表明此系統能顯著降低冷凝溫度，并節約換熱面積。此外，他們共同開發了一套用于設計水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發式冷凝器與冷卻塔混合系統的計算機程序。Bykov通過實驗對蒸發式冷凝器的水溫和空氣的焓進行了研究。HishamM.Ettouney在總結前人工作的基礎上，采用實驗的方式來研究蒸發式冷凝/冷卻器，深入研究了管外側熱傳遞系數和系統效率的關系，并將水流與空氣流的流量比和熱負荷作為蒸發式冷凝器的特性函數。實驗采用翅片管式的蒸發冷形式，并分別采用串聯、并聯和單獨運行的方式進行了比較試驗。測試了軸向溫度分布，計算系統效率和傳熱系數，并將蒸發冷與空冷式進行了比較，比較結果有利于更好地理解蒸發冷的特性。BilalA.Qureshi等分別對考慮了污垢熱阻的數學模型進行了分析與實驗值比較，模擬表明隨著運行時間的延長，污垢可使蒸發式換熱器的熱效率降低55%～78%，而出口冷卻流體溫度則升高4.7%。兩者的研究顯示了除垢的重要性。Qureshi運用熱力學第一、第二定律分析逆流式冷卻塔和蒸發式換熱器的熱力性能，運用火用平衡確定各系統的不可逆損失；在計算空氣-水蒸氣混合氣體的流火用時，運用了包括熱火用、機械火用和化學火用的總火用概念。分析表明，對所有的換熱設備，入口濕球溫度的增加總是增加第二定律的效率。熱力學方法豐富了蒸發式冷凝/冷卻傳熱傳質理論，在系統性能評價上也可以獲得良好的評價效果，但并沒有從根本上改變目前理論模型難以準確表述傳熱傳質過程的窘境。

2.2國內研究進展

國內最早研究蒸發冷卻技術始于20世紀80年代，但由于當時國內制造水平和對節能節水應用技術意義的認識不足，該技術并未在國內引起足夠的重視，相關的理論與實驗研究文獻也不多見。90年代后期，隨著國家和企業對節能節水的重視，對非飽和蒸發冷卻技術的研究逐漸增多起來，研究的內容也更加深入。在理論研究方面，蔣常建等以管內走工藝水的橫流式蒸發冷卻塔為研究對象，借鑒王鐵軍的逆流式冷卻塔熱力計算的數學模型，提出了一種準三維的計算方法；定義了一系列量綱為1參數，通過計算得到了橫流式E-NTU的關系線圖；討論了各種參數對其熱力性能和E-NTU關系的影響。王東屏對用噴淋蒸發翅管式冷凝器的傳熱過程進行了分析，建立了傳熱傳質數學模型。唐偉杰通過對帶預冷盤管的蒸發式冷凝器傳熱傳質過程進行分析，得到了冷凝盤管外冷卻水溫度和冷卻空氣焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表達式；并在穩態傳熱仿真的基礎上，設計了全年運行的蒸發式冷卻器的配風量方案，可以作為蒸發式冷卻器運行調節的參考。郝亮等采用分布參數法對蒸發式冷凝器建立了數學模型，并進行了數值計算，以及對制冷劑溫度和熱流密度的沿程分布情況和入口空氣狀態變化、配風量和配水量對換熱器性能的影響進行了模擬分析。朱冬生等從理論和實驗兩方面對蒸發式冷凝器的傳熱傳質過程進行了分析，包括管排方式（正排和差排）、管間距對換熱效果的模擬比較，風量、噴淋水密度和水的分布狀況對傳熱傳質的影響，填料的影響，濕球溫度的影響等；此外，還對下送風方式進風來流角度對換熱效果的影響進行了模擬和實驗分析，得出最佳進風來流角在-15°～20°。劉煥成參照美國ASHREA標準64—74對下進風上排風（即風水逆流式）并采用圓管換熱器的蒸發式冷凝器系統進行了實驗測試，分析了冷凝溫度、空氣進口濕球溫度、風量和噴淋水量對氨蒸發式冷凝器單位面積熱負荷的影響，同時驗證了在不同工況下氨蒸發式冷凝器冷凝能力變換曲線的可靠性；實驗結果還表明，當氨蒸發式冷凝器的結構尺寸確定以后，在影響單位面積熱負荷的各種因素中，冷凝溫度和空氣的進出口濕球溫度最為顯著，其次是迎面風速，影響最小是淋水量；并指出設計時采用較大風量和較小的噴淋水量是合適的。劉憲英等對蒸發式冷凝技術應用于家用空調系統的效果性進行了試驗研究。實驗結果顯示：采用蒸發式冷凝技術可大大提高冷凝效果，從而提高系統效率，擬合的實驗公式可作為工程實踐的設計參考依據。周景鋒等則對蒸發式冷凝技術應用于熱泵式海水淡化系統進行了試驗嘗試，為開拓該技術的應用領域提供了借鑒。史一忠等則分別從不同角度對蒸發式冷凝器換熱盤管的防垢除垢方面進行了分析和論證。馬瑞華等結合了套管式冷凝器和蒸發式冷凝器的優點,設計了一種新型的套管蒸發式冷凝器，它具有節約水流量,節能,傳熱能力比蒸發式冷凝器更強的優點,更大地利用了換熱空間,使得傳熱能力大大增強。在相同情況下,它的熱流密度大約為蒸發式冷凝器的1.5倍。試驗證明機組性能系數達4.5～5.0,比現有機組高20%～85%,水泵配置電機功率減少30%～60%。

3應用現狀及存在的不足

3.1應用現狀

蒸發式冷凝器在西方發達國家得到日益普遍應用，在國內的應用中，由于西北地區缺水的實際情況，目前蒸發式冷凝器在西北地區推廣和應用較多，賓館、辦公樓、商場等民用建筑和印刷廠、噴漆車間、計算機房等工業建筑及果蔬保鮮、貯藏冷庫、溫室等農業建筑的冷卻空調設備基本都采用了蒸發式冷凝器，啤酒、食品、飲料、制藥、石油、化工等行業也越來越多的采用蒸發式冷凝器，據一些公司的應用數據顯示，其冷凝效果好、節能節水的特點是顯而易見的。

3.2存在的不足及解決方法

蒸發式冷凝器的應用日趨增多，近年來，國內外研究不斷深入，收到了