蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)分析

張子沫 李軼男 孫文禹

【摘 要】本文首先介紹了蒸發(fā)式冷凝器相比其他類型具有更加節(jié)水節(jié)能，體積小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。分析了蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程，把整個(gè)傳熱過程分成兩個(gè)階段，并分析了蒸發(fā)式冷凝器中空氣的狀態(tài)參數(shù)變化過程和各階段的推動(dòng)力以及熱阻；最后通過對(duì)換熱過程關(guān)系式進(jìn)行分析，給出了影響蒸發(fā)式冷凝器換熱強(qiáng)弱的主要因素。

【關(guān)鍵詞】蒸發(fā)式冷凝器；傳熱傳質(zhì)；強(qiáng)化傳熱

1引言

在制冷和空調(diào)等行業(yè)中，冷凝器是其中主要的熱交換設(shè)備，它發(fā)揮著非常重要的作用。在我國，冷卻水占工業(yè)用水的70%以上。直接排放冷卻水不僅會(huì)造成熱污染，還會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)和資源浪費(fèi)，因此有必要重用這些冷卻水循環(huán)來緩解目前的缺水狀況[1]。探索研究新的技術(shù)來解決資源浪費(fèi)問題已經(jīng)迫在眉睫。面對(duì)當(dāng)今的能源消耗問題，我們必須對(duì)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行更加深入的研究，將節(jié)水節(jié)能的目標(biāo)做到最大化，這對(duì)我國能源的保護(hù)和利用以及人類社會(huì)的發(fā)展具有重要意義，而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有非常重要的推動(dòng)作用。

2蒸發(fā)冷卻式冷凝器

與空氣冷卻式冷凝器和水冷卻式冷凝器相比，蒸發(fā)冷卻式冷凝器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，組成部件較多，主要由冷凝換熱盤管、風(fēng)機(jī)等部件組成。壓縮機(jī)排出的過熱高壓制冷劑氣體經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器中的冷凝盤管，使高溫氣態(tài)的制冷劑與盤管外的噴淋水和空氣進(jìn)行熱交換，配套風(fēng)機(jī)的超強(qiáng)風(fēng)力使噴淋水完全均勻地覆蓋在盤管表面，水借風(fēng)勢(shì)，極大的提高了換熱效果[1]。蒸發(fā)冷卻式冷凝器可根據(jù)送風(fēng)方式分為吸風(fēng)式和鼓風(fēng)式兩種型式，又可根據(jù)換熱元件型式分為板式蒸發(fā)式冷凝器和管式蒸發(fā)式冷凝器[2]。

在蒸發(fā)式冷凝器箱體頂部放置風(fēng)機(jī)的是吸風(fēng)式冷凝器，它從箱體下方或側(cè)面吸入環(huán)境中的低溫空氣，吸熱升溫后的熱空氣從設(shè)備頂部排出。吸風(fēng)式冷凝器能使設(shè)備箱體內(nèi)保持一定的負(fù)壓，從而降低了水的蒸發(fā)溫度來強(qiáng)化換熱，因此換熱效果比鼓風(fēng)式冷凝器要好一些。但它也存在一定的缺陷，進(jìn)入設(shè)備后得到的濕空氣會(huì)損壞風(fēng)機(jī)及內(nèi)部其它零部件。而鼓風(fēng)式冷凝器是在蒸發(fā)式冷凝器的箱體下部或側(cè)面布置風(fēng)機(jī)，由風(fēng)機(jī)吹入環(huán)境空氣，然后從箱體頂部排出。

相比之下，蒸發(fā)式冷凝器則節(jié)水節(jié)能、維護(hù)簡(jiǎn)便、占地體積小、費(fèi)用比較低。在相同工況條件下，蒸發(fā)式冷凝器的耗水量依然只是水冷式冷凝器的5%～10%，因此蒸發(fā)式冷凝器特別適合用于于水資源緊張的地區(qū)[3]。正是蒸發(fā)式冷凝器在節(jié)水方面上優(yōu)勢(shì)明顯，冷卻水循環(huán)量少，所以選用功率較小的循環(huán)水泵，可比水冷式冷凝器更加節(jié)能。蒸發(fā)式冷凝器集殼管式水冷冷凝器、水池等為一體，采用上下箱組裝的方式，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，連接管路比較少，安裝相對(duì)方便，降低了安裝費(fèi)用[4]。因此，蒸發(fā)式冷凝器具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

3蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程分析

蒸發(fā)式冷凝器的工作過程十分復(fù)雜，主要是三種流體間四種能量傳遞方式，其工作過程包括對(duì)流換熱、固體導(dǎo)熱、冷凝換熱以及傳質(zhì)傳熱四種能量傳遞方式。蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程可大致分為兩個(gè)階段，首先是管內(nèi)高溫高壓制冷劑由于溫差作用與管外冷卻水水膜引起的傳熱，管內(nèi)制冷劑冷凝放熱通過管壁傳給管外水膜，該過程屬于傳熱過程[5]。第二階段是管外水膜與空氣間由于存在溫差以及水蒸氣分壓力不同而引起的換熱，該過程屬于傳質(zhì)過程。兩個(gè)階段換熱的推動(dòng)力不同，第一階段是制冷劑與水膜之間的溫差作用，第二階段的推動(dòng)力有兩個(gè)，包括水蒸氣分壓力差和水膜與空氣之間的溫差作用。

4蒸發(fā)式冷凝器中空氣狀態(tài)參數(shù)變化分析

下圖中為蒸發(fā)式冷凝器中換熱盤管外濕空氣在焓濕圖上的狀態(tài)變化情況。圖中，1點(diǎn)為空氣進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的初始狀態(tài)（h1，d1，t1），2點(diǎn)為空氣流出蒸發(fā)式冷凝器時(shí)的狀態(tài)（h2，d2，t2），m點(diǎn)為蒸發(fā)式冷凝器中空氣的平均狀態(tài)點(diǎn)（hm，dm，tm），w點(diǎn)為換熱盤管外水膜表面飽和濕空氣的狀態(tài)（hw，dw，tw），一般情況下在水膜附近會(huì)出現(xiàn)飽和。

空氣流出蒸發(fā)式冷凝器時(shí)狀態(tài)為點(diǎn)2狀態(tài)，在一定的條件下，如果提高空氣進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)1的空氣的濕球溫度，那么蒸發(fā)式冷凝器工作過程濕空氣焓差就會(huì)減小，同時(shí)降低了傳熱傳質(zhì)的推動(dòng)力，因此不利于換熱。有研究指出，當(dāng)濕球溫度從16℃提高到28℃時(shí)，制冷量和能效比可分別降低7.1%和22.5% [6]。

5蒸發(fā)式冷凝器熱阻分析

蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程十分復(fù)雜，在不考慮換熱盤管內(nèi)的油垢熱阻和管外的污垢熱阻的情況下，冷凝器總熱阻由管內(nèi)冷凝液膜熱阻R1、管壁熱阻R2、水膜熱阻R3、水膜與空氣交界面的界面熱阻R4所構(gòu)成[7]。示意如下圖所示：

大量研究表明，管外的水膜熱阻及汽液界面處的界面熱阻為蒸發(fā)式冷凝器工作過程的控制熱阻，水膜的分布狀況及界面混合物組分的更新速率對(duì)整個(gè)熱質(zhì)傳遞過程起著決定作用[8]。

6蒸發(fā)式冷凝器的強(qiáng)化傳熱

強(qiáng)化傳熱就是通過一定的技術(shù)手段，盡可能實(shí)現(xiàn)換熱器在單位時(shí)間、單位換熱面積傳遞更多的熱量，進(jìn)而改善換熱器的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[9]。

由蒸發(fā)式冷凝器的傳熱系數(shù)方程式可知，傳熱系數(shù)與管內(nèi)外傳熱系數(shù)、管內(nèi)外污垢系數(shù)、管內(nèi)外徑、管壁厚以及管壁導(dǎo)熱系數(shù)等因素有關(guān)。因此，要提高蒸發(fā)式冷凝器的傳熱系數(shù)，可以從以上幾方面入手。

首先影響蒸發(fā)式冷凝器傳熱系數(shù)的最主要因素是管內(nèi)外傳熱系數(shù)和管內(nèi)外污垢系數(shù)，因此可以通過增大管內(nèi)外傳熱系數(shù)或降低管內(nèi)外污垢系數(shù)的方法來提高冷凝器的傳熱系數(shù)。其次改變換熱盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)也可以提高冷凝器傳熱系數(shù)，即減薄壁厚以及增大導(dǎo)熱系數(shù)。但由于減薄壁厚影響設(shè)備壽命以及安全性，增大導(dǎo)熱系數(shù)又會(huì)導(dǎo)致材料成本增加且效果不明顯，因此這都不是提高傳熱系數(shù)的最佳方法。

因此強(qiáng)化傳熱最好的辦法可以從增大管內(nèi)和管外傳熱系數(shù)和降低管內(nèi)外污垢系數(shù)方面考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹凱杰.蒸發(fā)式冷凝器的強(qiáng)化傳熱分析及程序化設(shè)計(jì)[D].鄭州大學(xué)，2011.

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[3]趙越，周洪劍，謝晶.蒸發(fā)式冷凝器國內(nèi)外研巧進(jìn)展[J].食品與機(jī)械，2012，28（3）：254-256.

[4]張楠楠.蒸發(fā)式冷凝器設(shè)計(jì)與數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱商業(yè)大學(xué)，2017.

[5]崔海亭，彭培英.強(qiáng)化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006，7-11

（作者單位：華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院）