蒸发式冷凝器的研究进展及应用

王定标 万方方

（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）

引言

蒸发式冷凝器是一种广泛应用于制冷、化工等领域节能节水的高效换热设备，随着我国节能减排等各项政策的颁布实施，蒸发式冷凝器强化传热研究已经成为该研究领域一个重要的发展方向。国外对其研究较早，产生了广泛的理论成果，国内对其研究始于20世纪80年代，也取得了极大的进展[1]。

1 蒸发式冷凝器的理论研究进展

1.1 国外研究状况

国外方面Mizushina et al测试了分别有三种不同管直径的蒸发式冷却器，并假设蒸发式冷却器内喷淋水温度为定值，不随冷却器内沿着管排变化来测试实验传热传质关联式。传质实验关联式的结果以空气和喷淋水的雷诺数来表示。Niitsu et al测试了光管和翅片管束，管束倾斜布置，给出了光管和翅片管的关联式。Dreyer和Erens开展了错流布置的光管工作，并和逆流布置的传热传质系数作对比。Koschenz给出了应用于天花板的CWCTs模型。他根据自己提出的模型计算了出口被冷却水水温并将数据与生产商目录中的数据相对比，指出结果与实际应用数据相当吻合。Zalewski和Gryglaszewski给出了蒸发式流体冷却器传热传质方程的数学分析模型。提出对传质系数进行修正作为进口空气湿球温度的函数来改进蒸发式冷却器计算结果与试验数据的匹配度。Jang和Wang给出了光管管束封闭冷却塔的数值模型。根据其他文献得出的关联式计算了传热传质系数。结果显示空气和水逆流的布置的传热系数比平行流高10%。HishamM和Ettouney对蒸发式冷凝器的性能进行实验研究,同时和风冷式冷凝器进行比较,结果表明蒸发式冷凝器的系统效率介于97%～99%之间。Ala Ali Hasan在相同的实验条件下,对光管和翅片套管蒸发式冷却器的传热性能进行分析研究。试验证明翅片套管蒸发式冷却器比光管蒸发式冷却器的换热性能提高了92% ～140%,在假定换热器喷淋水温度不变的前提下,建立了光管和翅片套管蒸发式冷却器的热力学性能数学模型[2]。Pascal Stabat给出了间接蒸发冷却塔工况的简化模型。模型允许在不同操作工况下如变湿球温度或变空气流速情况下评价能量和水的消耗。A.Abbassi,L.Bahar为建立蒸发式冷凝器的热容控制运用人工神经网络给出了稳定工况和变工况下的热力学模型，研究期间获取结果表明人工神经网络能够替代热力系统PID控制器。Bilal A.Qureshi,Syed M.Zubair深入研究了蒸发式流体冷却器以及蒸发式冷凝器的数学模型来开展复杂设计和等级分析并运用第一和第二热力学定律给出了逆流湿式冷却塔和蒸发式换热器的热力学分析。H.Metin Ertunca*,Murat Hosozb使用人工神经网络(ANN)和具有自适应神经网络的模糊推理系统(ANFIS)技术进行对比分析来预测蒸发式冷凝器的性能，研究显示拥有扩展预测能力的ANFIS技术与ANN相比同样也能用来蒸发式冷凝器的性能。

1.2 国内研究现状

国内方面刘焕成，蔡祖康，夏畹不考虑冷凝器中水膜温度在管排方向上的变化，采用它的平均温度值，用算术平均焓差代替对数平均焓差，并加以修正，适于工程设计使用并指出与实验结果相当近似[4]。蒋常建,徐斌,杨强生根据无量纲的法编制了通用的计算机程序,对横流式蒸发冷却器进行了深入的热力计算[5]。刘洪胜，陈江平，陈芝久介绍了应用于家用中央空调机组的小型氟利昂蒸发式冷凝器的设计方法[6]。郝亮，阚杰，袁秀玲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。唐伟杰,张旭建立了带有预冷盘管的蒸发式冷凝器传递过程的微分方程组,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。王铁军提出在制冷装置中采用喷淋蒸发翅管式冷凝器,分析了喷淋蒸发翅管式冷凝器的传热过程,建立其传热传质数学模型和设计计算方法。朱冬生，沈家龙等建立了蒸发式冷凝器管外水膜传热性能测试实验平台，通过对实验数据回归并将实验关联式和国内外学者的关联式进行比较，表明实验得出的管外水膜传热系数计算关联式具有较好的一致性。张建一，秘文涛通过计算与现场测试,分析比较了蒸发式与水冷式冷凝器的循环水量和能耗发现三种典型品牌蒸发式冷凝器的实际平均循环水量约为立式水冷式的51%、约为卧式水冷式的76%。朱宏达,王晓建立翅片蒸发冷凝器局部稳态湍流数学模型,运用ansys/cfx进行数值模拟,直观的表示出有无翅片对于蒸发冷凝器各热力学参数的影响并得出加载翅片有助于蒸发式冷凝器提高其换热性能。张景卫,蒋翔等运用Fluent软件对蒸发式冷凝器3种异型管椭圆管、扭曲管及弹形管管束中强制对流空气进行了数值模拟,模拟结果表明流线形设计的弹形管传热效率高,而且流动阻力小。另外建立了波纹板蒸发式冷凝器的计算模型，考察了气相，板面结构和喷淋水量对液膜流动的影响。

2 应用现状以及所存在的问题

2.1 应用研究

目前国外蒸发式冷凝器目前已经比较成熟，主要厂家有丹麦的GRAM 公司，荷兰GEA公司，美国的BAC公司和EVAPCO等公司，其产品型式各有特点。国内方面生产蒸发式冷凝器的厂家亦是异军突起，除在沿海区域一些较著名的外资企业外，内地生产厂家如洛阳隆华，重庆蜀东等生产厂家生产产量也在逐年增长，但由于蒸发式冷凝器传热传质过程复杂，目前缺乏较精确的描述其过程的理论，大多厂家只能依据工程经验，使得蒸发式冷凝器的设计制造存在一定问题。

蒸发式冷凝器按照换热体部件可以分为管式蒸发式冷凝器以及板式蒸发式冷凝器，目前国内外普遍使用的是管式蒸发式冷凝器，板式蒸发式冷凝器处于实验研究阶段，同时研究高效的换热管提高换热效率也需要更多的研究和创新。除了在制冷系统方面的应用之外，蒸发式冷凝器在海水淡化，火电厂冷却系统等也有广泛的应用。

2.2 所存在的问题以及解决对策

蒸发式冷凝器在运行过程中产生的问题以及解决方法如下：结垢问题。蒸发式冷凝器传热过程涉及到水和空气在盘管表面的对流掺混，管表面粗糙度，管体温度，循环水离子含量，管束结构等都会对结构产生或多或少的影响，因此对水质以及空气都有一定的要求，另外过多的杂质沉积会造成水膜在管表面分布不均产生干斑使管壁局部换热情况恶化，对管束寿命产生极大影响。解决方法为通过化学方法即在循环水中添加阻垢剂。物理方法包括超声波处理，电子除垢如表面改性等。同时应对水质进行处理并定期更换循环水，冷凝器底部水盘也应定期清理，防止微生物的滋生而破坏水质。腐蚀问题。管体腐蚀会对蒸发冷设备寿命产生不利的影响，目前有效的防止腐蚀的方法为管体整体热浸锌处理。采用不锈钢管体或者进行防腐表面涂层处理等。水量和风量的合理分配问题。水量和风量的合理分布对蒸发式冷凝器具有十分重要的影响，水量过大会造成水膜厚度较大，对局部换热造成影响。同时牺牲了水泵的功率，加大了耗电量和耗水量。另外一方面，风量过大一方面可以使得水膜在管底部的集聚情况减轻，有利于传热，但另一方面过大的风量会造成空气和水的传热传质造成影响，使得空气和水的换热不均匀，同时加大了风机了电耗量，因此应合理的分配水量和风量，使得流场换热充分，保持较高的换热效率。运行过程中噪声问题。蒸发冷运行过程中噪音来源为风机和水泵的噪音以及箱体噪音，同时有少量的水滴下降形成的噪音，其中，风机噪音占绝大部分，降低风机噪音的方法包括研究风机类型并对轴流叶片进行改进，选用较宽叶片或采用排风消声器。当对噪音要求较高时箱体噪音的消除可采用吸声材料。对水滴下降产生噪音的处理可采用消声毯。

3 结论

近年来，节能减排已成为全社会的共识，具有优良节能节水特性的蒸发式冷凝器具有良好的发展势头，可在我国西北等缺水地区广泛应用，且蒸发冷设备造价低，制造简单，初投资小，制冷效率高，经济效益十分明显。但随着目前高性能制冷系统精确控温的发展对传热传质过程理论的研究以及制冷系统自动控制提出了更迫切的要求。

[1]蒋翔，朱冬生，张景卫，涂爱民，王长宏.异形管蒸发式冷凝器的性能与工业应用 [J].化工进展，2008，27（9）：1477-1482.

[2]Ala Hasan,KaiSiren.Performance Investigation ofplain and finned tube evaporatively cooled heat exchangers，Applied Thermal Engineering,2003,23(3):325-340.

[3]Bilal A.Qureshi,Syed M.Zubair.Secondlaw-based performance evaluation of cooling towers and evaporative heat exchangers[J],International Journal of Thermal Sciences 46(2007)188-198.

[4]刘焕成,蔡祖康,夏畹.蒸发式冷凝器热力计算的简化方法 [C].上海制冷学会一九八九年年会论文集,1989年.

[5]蒋常建,徐斌,杨强生.横流式蒸发冷却器的热力分析[J].上海交通大学学报，1997,31（7）：1-4.

[6]刘洪胜，陈江平，陈芝久.小型氟利昂蒸发式冷凝器的设计 [C].上海市制冷学会二○○三年学术年会论文集,2003,142-145.