联合冷却在制冷空调工程中的研究及应用

毕明华，方贤德，苏庆勇，朱 辉，陈洪杰

（1.桂林航天工业学院，广西 桂林 541004；2.南京航空航天大学，南京 210016）

冷凝器是蒸汽压缩式制冷系统的四大部件之一，作用是将蒸发器吸收的热量以及压缩机做功转化产生的热量一同释放给环境介质，同时流经冷凝器的高温高压制冷剂蒸汽凝结为液态，其换热性能的优劣对整个系统运行具有直接影响。根据冷却介质不同，制冷空调设备及工程中冷凝器常用的冷却方式有空气冷却式、水冷却式、水-空气联合冷却式以及蒸发-冷凝式。空气冷却式冷凝器通常称作风冷冷凝器，以空气作为环境介质，运行维护方便。但由于空气导热系数和比热容较小，往往换热器体积较大，而且随着季节变化，工作条件不够稳定，尤其在高温的夏季冷凝温度和压力较高。水冷冷凝器换热效果较好，可有效降低制冷压缩机功耗，但水资源消耗大，对水质有一定要求。联合冷却式冷凝器提高了对气候、地域、工作时间及环境等影响因素的适应性，实现了空气能与水资源的优势互补，在国内多种行业得到广泛应用[1]。加强对该类换热器的研究开发，对相关行业节能减排及资源综合利用具有重要意义。

本文分别从强化传热、新型换热器开发、控制模式等方面，详细阐述了联合冷却在制冷空调设备和工程中的应用研究及技术特点。

1 传热强化研究

传统的联合冷却主要使用蒸发式和淋激式冷凝器，该类冷凝器最大的优点是耗水量较少。原理上与单一风冷和单一水冷冷凝器通过显热吸收冷媒的热量大不相同，工作时主要通过水蒸发的气化潜热吸收冷媒放出的热量。冷却水在冷凝器换热管外形成水膜蒸发吸收冷媒冷凝热，使管内冷媒得到降温和冷凝，节约水资源，并且冷却效果优于风冷和水冷冷凝器[2-3]。近年来，科研人员一直在致力于联合冷却式冷凝器传热强化的研究。

1.1 蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器相当于把蛇管形冷凝器和开式冷却塔集成为一体，在国外率先得到大量使用，如今在国内的应用也越来越广。影响蒸发式冷凝器换热效率的主要因素有换热管的布置形式、换热管的形状、空气流速、淋水量的大小以及布水均匀性等。以下分别从强化换热管传热、采用翅片管式换热器主体以及采用亲水导热涂层三方面讨论蒸发式冷凝器的传热强化研究和应用。

1.1.1 强化换热管传热

蒸发式冷凝器换热管通常采用圆形光管，改进换热管管型是强化传热的有效途径。郑州大学尹凯杰等研究认为，水膜热阻及管内冷凝热阻二者是最可能经强化传热加以控制和减小的热阻[4]。水膜热阻是由管外水膜厚度决定的，管内冷凝热阻取决于制冷剂冷凝液膜的厚度，这也为强化传热指出了方向。因此，随着相关研究的不断深入，人们开发出椭圆管、扭曲管、弹形管及沟槽管等强化传热管。

椭圆管相比于圆形光管，水膜分布和水面覆盖面积得到了较大改善；扭曲管的螺旋状表面使得水膜和气流扰动增加，提高了水膜与空气的换热效果；弹形管较之椭圆管与扭曲管，截面采用流线型设计，空气掠过时形成的涡流较少，流场分布均匀，在压力降及传热方面具有较大优势；换热管内开设沟槽，有效增加换热面积，沟槽管竖直布置时还有利于管内制冷剂冷凝液的排除[5-6]。

1.1.2 采用翅片管式换热器主体

翅片管式换热器是由基管和翅片加工组合而成，通常用作与空气换热的表冷器和加热器。将翅片管式换热器应用于蒸发式冷却，直接增加了换热面积。学者朱宏达等建立了翅片管蒸发式冷凝器的局部稳态湍流数学模型并进行数值模拟，经过分析得出光管加载翅片有助于提高换热性能[7]。研究发现，增加翅片的蒸发式冷凝器平均换热系数比原冷凝器理论上能够增加80%～100%。增加翅片后虽然翅片表面存在摩擦力，但翅片区域的平均出口风速不减反增，相对压损也减小。

学者王铁军等设计开发了采用翅片管蒸发式冷凝器的户式空调机，并对翅片管蒸发式冷凝器的传热传质过程进行了分析与计算，得出翅片管蒸发式冷凝器具有高效率、强化换热以及节能的优点[8]。所设计的机组在标准空调工况下进行了性能测试，且获得了EER（能效比）为4.2的良好效果。效率得到提高主要是因为采用了喷淋蒸发式冷却方式，通过潜热为主并辅以显热的热交换过程，冷凝温度相比普通的家用风冷式空调下降6～9℃，制冷压缩机能耗显著降低。

1.1.3 采用亲水导热涂层

蒸发式冷凝器工作时，应尽量确保换热管外表面湿润均匀。针对换热表面水膜分布均匀性问题，一些生产厂家会对管材进行处理，使其表面涂覆一层亲水性导热涂料。该涂层对水有较好的亲和力，可加强水分子扩散，能够使水膜均匀覆盖在换热管表面。机组运行时，可加快换热表面冷却水的向下流动并减小水膜厚度，降低传热热阻，加强水膜蒸发。

1.2 淋激式冷凝器

淋激式冷凝器又称为大气式冷凝器，它常见用于大、中型氨制冷剂系统中。工作原理与蒸发式冷凝器类似，但是不设置风机，由冷却水淋水降温并结合大气自然对流蒸发冷却。

在产品创新和改革中，广大技术人员、生产人员大胆革新和设计，提出了以垂直螺旋管作为换热主体的淋激式冷凝器的方案[9]。具体方法是将螺旋盘管采用焊接与总管连接，形成冷凝管组，冷却水在螺旋管外吸热，高温高压氨气于管内冷凝。

螺旋管分为上下三层，可把上游冷凝后的氨液由中间的集管及时导出，同时管外冷却水以膜状流下被空气蒸发冷却。和水平管蒸发式冷凝器比较，其增加了单位体积的换热管面积，冷媒冷凝后排液通畅。和立式壳管式冷凝器比较，因省去了壳体和管板，其显著减少了材料消耗和制造工时。材料的消耗降低40%，制造工时可减少约30%。换热管外的冷却水除了向下淋激以外，还伴有螺旋形的旋转流动，更有利于水膜均匀分布。经测试，新型螺旋管淋激式冷凝器的单位热负荷和传热系数都比一般水平圆管淋激式冷凝器高。

2 新型换热器开发

传统的联合冷却由于高效率地利用了蒸发式冷却换热方式，效率较高。但该类冷凝器在气候较为干燥的地区才能发挥出良好的性能，体现出节能优势。此外，冷却水淋在换热管外侧蒸发吸热，极易造成管外腐蚀和结垢，运行维护比管内冷却困难，工作量大。一些新型换热器的开发，增加了换热管内侧的冷却换热，不仅提高了传热量，还使得机组能够更加适应不同工作时期环境条件的变化。

2.1 套管蒸发式冷凝器开发研究

马瑞华等人设计了一种新型套管蒸发式冷凝器，简单来说是指在原蒸发式冷凝器的水平换热管中多插入一支内套管[10]。该换热器的外管外表面与空气和冷却水膜进行传热传质，外管内表面与冷媒接触进行冷凝换热。内套管通冷却水，使得冷媒增加了在管内一侧与冷却水进行换热，因而改善了机组性能。另外，他们还分析了循环水量、送风量、热流密度对冷凝器换热系数的影响，并得出该类冷凝器最小配水量与最小配风量的要求，为套管蒸发式冷凝器的应用提供了参考依据。

2.2 翅片-套管式复合换热器的开发研究

周光辉等开发了翅片-套管式三介质复合换热器并在试验中将其应用于双热源系统[11]。该换热器由同心圆内外套管以及表面肋片构成，如图1所示，相当于翅片管换热器与套管式热交换器的集成。制冷系统的冷凝器使用该热交换器，可以实现冷媒向两种高温热源同步释放热量，这对双冷却系统的开发和推广具有重要影响。但该类换热器由于内外套管的连接处外套管为圆管弯曲部分，焊缝不规则不对称，应力集中易变形，焊接的质量不易保证，要批量化生产还需要在工艺方面改进。

图1 翅片-套管式复合换热器

复合换热器双冷却系统的开发，提高了制冷系统冷凝器工作的灵活性。相比切换式双冷却系统，复合换热器双冷却制冷系统高压一侧只需配置一台复合换热器作为冷凝器，冷媒可同时与水和空气进行换热，如图2所示。运行时压缩机不需要停机来切换高温热源侧不同的冷凝器，仅通过风机和水泵的启停控制，就能实现冷凝器不同冷却方式的转换以及系统的持续制冷。

图2 复合换热器双冷却系统

2.3 多工质板式复合换热器的开发研究

针对复合换热器双冷却系统和太阳能辅助热泵双热源系统，桂林航天工业学院申请了多工质板式换热器的专利，开发出使用多工质板（翅）式换热器的双冷却系统并进行了样机的试制，如图3所示[12]。该换热器冷媒通道的两侧分别可以通过冷却水与冷却空气，与交叉排列的翅片管式热交换器相比，空气一侧的换热面得到充分利用，实际运行效率更高。此外，空气阻力有所降低，可对空气进行大温差、大流量冷却处理。

图3 双冷却系统室外机组

3 控制模式探讨

采用复合换热器的双冷却机组有单一空气冷却、空气-水复合冷却以及单一水冷却三种运行模式，使得制冷空调机组的冷却运行方式的选择更为灵活。

3.1 单一空气冷却模式

空气作为机组的环境介质，使用安全，控制方便。因此，当空气温度相对较低或者水源冷却水量和水质不能满足要求时，优先采用单一空气冷却模式。此模式运行时换热器配套风机开启而水泵关闭停止向冷凝器提供冷却水。

3.2 空气-水复合冷却模式

当空气温度相对较高而引起冷凝温度和压力偏高时，可加入水冷却，即采用空气-水复合冷却模式。在空气-水复合冷却模式下，风机和水泵同时开启，制冷空调系统的冷凝温度会同时受冷却水和空气两种介质温度的影响，获得优良的冷却效果。该模式也可以实现对机组冷凝热进行部分热回收，或者作为风冷与水冷之间延时切换的中间模式。

3.3 单一水冷却模式

当室外空气温度较高而使得风冷却基本不起作用，且机组工作期间能够提供充足水源时，可以选用单一水冷却模式。该模式运行要保证冷却水的质量和水量充足，此时风机停止运转而冷却水泵投入运行。对于应用多台小型机组的分散式系统，可采用集中冷却的方式。此外，该模式可以对系统冷凝热进行全热回收。

4 结语

传统的蒸发式冷凝器和淋激式冷凝器，换热效果均高于普通的风冷冷凝器和水冷冷凝器，但通常适用于大、中型制冷空调系统，而且运行维护较为复杂。复合换热器的开发和设计，提高了制冷系统冷凝器运行的灵活性，也可用于小型机组。这种新型的换热器使得系统构成更为精简，合理地实现了空气能和水资源的综合利用和优势互补，为冷却方式的确定提供了更大的选择空间。此外，系统逆循环运行时，复合换热器也可以作为蒸发器来工作[13]。