蒸发式冷凝器单位传热面积最佳风量水量配比研究

申江 路坤仑 刘丽 张聪

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

蒸发式冷凝器单位传热面积最佳风量水量配比研究

申江 路坤仑 刘丽 张聪

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

利用自主设计的顺流式椭圆管型蒸发式冷凝器性能实验台，研究风量和水量对其传热传质性能的影响。通过改变迎面风速和喷淋密度的大小，得出单位传热面积最佳风量水量配比值为299.9 m3/(h·m2)、0.63 kg/(h·m2)；相对应的最佳迎面风速和喷淋密度分别是3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)；测得干工况运行传热系数为正常工况的1/10，充分证明蒸发式冷凝器主要利用潜热带走热量；并指出在设计过程中，要综合考虑整个系统的性能，保证EER达到最佳值。

蒸发式冷凝器；风量；水量；传热传质

国外对蒸发式冷凝器的研究比较早，目前在一些西方发达国家蒸发式冷凝器已得到了普遍应用。随着20世纪80年代以来国内对蒸发式冷凝器的研究，蒸发冷却技术在我国也得到了一定的发展，其应用遍布各个领域，主要包括工业、农业和公共建筑等[1]。20世纪60年代，Parker和Mizusbina等[2－3]开展了对蒸发式冷凝器传热传质性能的研究，系统地阐述了蒸发式冷凝器的传热传质机制，并通过实验拟合了水膜传热系数αw的经验关联式，建立了蒸发式冷凝器的传热传质数学模型。近几年，朱冬生等[4－8]对蒸发式冷凝器的研究比较多，通过实验分析了风速和喷淋密度对蒸发式冷凝器传热传质的影响。

2001年，Manske总结了蒸发冷却技术在工业应用中的成果，指出湿球温度、冷凝温度、风量及水量控制是影响蒸发冷却效果的最关键因素[9]。蒸发式冷凝器一般采用蛇形盘管，管内为制冷剂，管外为水流的薄膜和空气，汽、液界面处同时还存在传质过程，这就决定了其传热特性十分复杂。Hasan对椭圆管和圆管进行了实验研究，表明椭圆管的传热与流阻性能是圆管的1.93～1.96倍[10]。大量研究结果表明，管外液膜及其汽、液界面为过程控制热阻之一，薄液膜的流动形态、更新速率及分布情况将对整个传热性能起重要的作用[11]。文中抓住风量和水量两个关键因素，研究对顺流式椭圆管型蒸发式冷凝器传热传质性能的影响。

1 实验装置与方法

实验装置是一个单级压缩流态隧道速冻机系统，充注制冷剂R404A，冷凝器为蒸发式冷凝器实验台。系统管路中安装科氏质量流量计和壳管式换热器，用来测量制冷剂的流量；实验台为自主设计的顺流式椭圆管型蒸发式冷凝器，水泵和风机变频可调；喷淋水管安装玻璃转子流量计测量水量，进风口上方均匀布置风速探头，取平均风速计算风量；盘管表面合理布置T型热电偶，并外层充分包裹保温材料；为保证库内蒸发温度恒定，采用开关库门，增减冻品及调节电磁阀开度三种方法控制。

在蒸发式冷凝器中，进口处的制冷剂为过热蒸气，随着和管外水膜的热交换很快变化为饱和蒸气，气液共存，而后又变为饱和制冷剂液体，换热不断变化。由实验研究表明，过热区的换热量很小，约为5%～7%，故在本课题在研究中近似认为冷凝的整个过程为饱和状态，制冷剂的温度为冷凝温度[12]。

实验所用多点温度数据采集器(日本横河仪器有限公司)、多通道风速温湿度测试仪(日本KANOMAX株式会社)、科氏质量流量计(上海中隆仪器有限公司)、变频器(丹佛斯自动控制有限公司)精度均符合测试要求。

实验用蒸发式冷凝器外形结构尺寸:1800 mm× 1127 mm×2202 mm(长×宽×高)，其主要包括换热盘管系统、循环水系统和通风系统三大部分。换热盘管管材采用304不锈钢管，椭圆管型，外表面镀锌，成正三角形排列，管间距横向50 mm，纵向48 mm，管外径25 mm，管排数10，总面积为22.6 m2。

实验环境:室外干球温度16℃，湿度60%。对实验台进行干工况、定风量变水量及定水量变风量三种运行方式测试。

2 实验结果与讨论

对实验数据筛选分析，水量固定在8.8 m3/h，11.6 m3/h和14.2 m3/h，对应喷淋密度分别为0.034 kg/(m·s)，0.046 kg/(m·s)和0.057 kg/(m·s)，能够较好的反映变化规律，从小到大改变风机频率，即改变风量(或迎面风速)；同样把风量固定在6075 m3/ h，6778 m3/h和7154 m3/h，对应迎面风速分别为2.94 m/s，3.28m/s和3.46 m/s，从小到大改变水泵频率，即改变水量(或喷淋密度)。

2.1 迎面风速对性能参数的影响

迎面风速是一个非常重要的影响因素，由迎风面积和风量确定，迎风风速给定时，单位换热面积风量是一定的。为了更直观反映冷凝器所需的风量，利用换算公式gD＝GD/A换算为单位换热量的风量，其中GD为总风量，A为总换热面积。

图1和图2分别给出了总传热系数及水膜传热系数随迎面风速的变化情况。从图1可以看出，总传热系数K随着风速的增大，开始时快速增大，而后有所减缓，当风速为3.28 m/s时升至最大，当到达峰值后，趋于恒定。K值变化范围为251～596 W/(m2· K)。分析其原因:开始时水膜和空气热质交换的剧烈程度随着风速增大而增大，传热传质效果随之增强；风速到达一定范围后，热湿交换剧烈程度最优，传热系数增大减缓；迎面风速继续增大，空气与管外水膜蒸汽接触时间变短，反而减小了热湿交换程度，从而K值不会随着风速的增大而持续增大。由于风速和接触时间的两者的矛盾性，导致存在最佳迎面风速。3.28 m/s为本实验台最佳迎面风速，换算成最佳单位传热面积风量gD为299.9 m3/(h·m2)。

图1总传热系数与迎面风速的关系Fig.1 The relationship between overall heat transfer coefficient and face velocity

图2 中水膜传热系数受迎面风速的影响不大，迎面风速较小时，热质交换程度不高，导致其开始时随风速的增大而有所下降。从图中可以看出喷淋密度对其影响较大。本实验中αw的变化范围是1724～1995 W/(m2·K)。

图2水膜传热系数与迎面风速的关系Fig.2 The relationship between coefficient of water film heat transfer and face velocity

图3 中能效比EER随风速的增大而增大，与总传热系数随风速变化的趋势一样，先快速升高，而后变缓。不同的是在达到最佳风速后，EER的值随风速的增大而变小，其原因是:在未达到最大值前，冷凝器的传热性能带来的收益占主导地位，而风速继续增大，风机的功率也随之增大，导致耗电量升高，使得整个系统的性能降低。设计者在设计中不能只关注冷凝器的性能，还要综合考虑整个系统的性能。

图4和图5为空气对流传热系数及传质系数随迎面风速的变化情况，空气对流传热系数αwa和空气对流传质系数αm均随着风速的增大而增大，迎面风速增大不仅促进水膜-空气界面的传热，还可以增强界面的传质。空气对流传热系数主要受空气流量的影响。

图3 能效比EER与迎面风速的关系Fig.3 The relationship between EER and face velocity

图4 空气对流传热系数与迎面风速的关系Fig.4 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and face velocity

综上可知，迎面风速对总传热系数K，热流密度q，制冷量Qo，空气对流传热系数αwa，空气对流传质系数αm和能效比EER的影响较大，而对水膜传热系数αw影响较小。本实验台的存在最佳迎面风速为3.28 m/s，对应的最佳单位传热面积风量gD为299.9 m3/(h·m2)。

2.2 喷淋密度对系统性能参数的影响

另一个影响蒸发式冷凝器传热传质性能的重要因素是喷淋密度。同样换算为单位换热面积的水量gw，公式为gw＝Gw/A，其中Gw为总水量，A为总换热面积。

图5空气对流传质系数与迎面风速的关系Fig.5 The relationship between coefficient of air to circulate heat transfer and face velocity

图6 给出了总传热系数K随喷淋密度的变化情况。由图可知，在实验所选喷淋密度下，K范围为318～680 W/(m2·K)，随着喷淋密度Г的增大而增大。Г＝0.057 kg/(m·s)时出现峰值，而后有所降低。主要由于开始时，喷淋密度的增大改善了冷凝盘管表面的布水效果，有效促进了水分在盘管外壁面的吸热蒸发，传热效果增强。随着喷淋密度的继续增大，外壁面附着的水分越来越多，水膜厚度增大，水膜热阻也逐渐增大，水膜热阻逐渐占主导地位，又阻碍了表面热交换的进行，水膜的换热效果降低，制冷效果变差。制冷量Qo、热流密度q和能效比EER变化趋势与K值保持一致，唯一区别在于EER在经过最高点后下降趋势比K下降快，说明增大水量带来的换热效益低于水泵的功耗，得不偿失。设计时应综合考虑整个系统的性能。0.057 kg/(m·s)为本实验台最佳喷淋密度，最佳单位换热面积水量0.63 kg/(h· m2)。

图7中管外水膜传热系数随喷淋密度的增大而不断增大，在实验所选喷淋密度范围内，水膜传热系数的范围为1701～2100 W/(m2·K)。随喷淋密度的增大，α增大的趋势稍微有所减弱，主要原因是水膜传热系数受喷淋密度和循环水温的双重影响。喷淋密度的增大，热湿交换剧烈程度增强，而水温趋于恒定，对水膜传热系数的影响也变弱，α逐渐由水温和喷淋密度共同影响慢慢变成仅有喷淋密度的影响，故增大趋势有所减弱。当u＝2.94 m/s，3.28 m/s和3.46 m/s时，水膜传热系数的曲线几乎重合，再次说明了迎面风速对水膜传热系数的影响不大。

图8给出空气对流传热系数随喷淋密度的变化情况，从图可以看出，随喷淋密度变化的不大。喷淋密度范围为0.038～0.068 kg/(m·s)时，空气对流传热系数的值很稳定，基本保持不变。空气对流传质系数与之类似。对流传热主要受风量的影响。

图6 总传热系数与喷淋密度的关系Fig.6 The relationship between overall heat transfer coefficient and sprinkle density

图7 水膜传热系数与喷淋密度的关系Fig.7 The relationship between coefficient of water film heat transfer and sprinkle density

图8 空气对流传热系数与喷淋密度的关系Fig.8 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and sprinkle density

综上可知，对于结构确定的蒸发式冷凝器有最佳的喷淋密度，虽然喷淋密度对空气对流传热传质影响不大，但对制冷效率、总传热系数K、制冷量Qo、热流密度q、水膜传热系数α的影响较大，在喷淋密度为0.057 kg/(m·s)时会出现峰值，即最佳喷淋密度为0.057 kg/(m·s)。这充分说明喷淋密度是影响蒸发式冷凝器的一个十分重要因素，要想优化蒸发式冷凝器的传热性能，就要使蒸发式冷凝器达到最佳的喷淋效果。

2.3 干工况运行情况下性能参数分析

只开启蒸发式冷凝器的风机，进行干工况测试，此时相当于一个风冷式冷凝器。热流密度q和总传热系数K都随着风速的增大而升高，变化范围分别是1.64～1.71 kW/m2和39.79～46.57 W/(m2·K)。可以看出增大风速能够提高换热性能。而其性能大约为全工况运行的1/10左右，这充分说明利用水的潜热换热的蒸发式冷凝器比风冷式冷凝器换热效果好。

而研究EER与迎面风速的关系时发现，能效比EER随风速的增大而增大，到达峰值后，开始下降，风速的增大反而降低了整个系统的性能。主要是随着在K值增大的过程中，风机功率也增大，K值增大带来的收益低于风机带来的能耗，故风速不是越大越好。再次说明设计过程中，不能一味的追求传热性能，更要综合考虑整体的性能。

3 结论

1)对于结构给定的蒸发式冷凝器单位传热面积存在最佳风量和水量。本实验台所在测试条件下的最佳单位传热面积风量和水量为299.9 m3/(h·m2) 和0.63 kg/(h·m2)，对应的迎面风速和最佳喷淋密度分别为3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)，对蒸发式冷凝器的开发和设计有一定的指导意义。

2)对比干工况和正常工况，前者的总传热系数约为后者的1/10，证明利用蒸发潜热降温具有较高的传热效率。

3)设计过程中不仅考虑蒸发式冷凝器的传热性能，而且要考虑整个系统的性能，使 EER达到最佳值。

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Research on Optimal Ratio of Air Volume to Water Mass Flowrate for Evaporative Condenser

Shen Jiang Lu Kunlun Liu Li Zhang Cong

(Refrigeration Key Laboratory of Tianjin，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

The influence of air volume to water mass flowrate ratio on heat and mass transfer was investigated in the test bench designed by the authors with oval tube evaporative condenser of parallel flow.Through research on the change of wind speed and spray density，it is found that the optimum air volume and water mass flowrate per unit heat transfer area to are 299.9 m3/(h·m2)and 0.63 kg/(h·m2) respectively，and the best face velocity of air and spraying density are 3.28 m/s and 0.057 kg/(m·s)respectively.The heat transfer coefficient measured at dry condition is only 1/10 of the normal working condition，which fully proves that the heat is mainly taken away by the latent in evaporative condenser.It is also pointed out that the performance of the whole system should be comprehensively considered in the process of design to ensure the best EER of the system.

evaporative condensers；air volume；the amount of water；heat and mass transfer

TQ051.5；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0044－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.044

申江，男(1960－)，教授，天津商业大学机械工程学院院长，天津市天津商业大学机械工程学院制冷系，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu.edu.cn。研究方向:食品冷链技术，制冷系统优化及节能技术等。

2013年10月17日

About the author

Shen Jiang(1960－)，male，professor，dean of Mechanical Engineering School，Tianjin University of Commerce，Dept of Refrigeration Technology，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu. edu.cn.Research fields:food cold chain technology，optimization and conservation technology of refrigeration systems.