一種全管束配水的蒸發(fā)式冷凝器及其風阻實驗研究

李泰宇 歐陽新萍

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

蒸發(fā)式冷凝器是一種水冷式冷凝器和冷卻塔結(jié)構(gòu)一體化的換熱設(shè)備，其最大特點是換熱效率高、循環(huán)水量小(節(jié)能)、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便［1－2］。Ettouney指出蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)效率可高達99%［3］。國外學者對蒸發(fā)式冷凝器的研究起步較早，并建立相關(guān)的數(shù)學模型及傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式［4－6］;國內(nèi)學者在蒸發(fā)式冷凝器的研究上也做出了重要的貢獻，在影響蒸發(fā)式冷凝器換熱性能因素及傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式的研究上，提出了自己的理論成果［7－11］。由于蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)的復雜性，現(xiàn)階段國內(nèi)外學者對蒸發(fā)式冷凝器的實驗研究主要集中在修正分析模型、提出獲得實驗關(guān)聯(lián)式的有效手段及強化換熱等幾個方面［12－15］。蒸發(fā)式冷凝器的主要工作過程是通過管外水膜的蒸發(fā)散熱來對管內(nèi)工質(zhì)進行冷凝。因此，工藝管外液膜合理有效地分布，成為影響蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的主要因素?，F(xiàn)有的蒸發(fā)式冷凝器的噴淋方式存在一定的弊端:如果按照上部工藝管的潤濕條件噴淋，噴淋水量可以較小，但下部工藝管得不到有效潤濕，從而影響冷凝器的換熱效果;如果要照顧到下部工藝管的潤濕，則需增大噴淋水量，上部的工藝管增加了無謂的水量，水泵的耗功將增加。噴淋水的濺散增加空氣流動阻力，導致風機耗功增加。另外，工藝管束上部的液膜厚度也會由于大噴淋量而增厚，增加傳熱熱阻。目前蒸發(fā)冷凝器的實際應(yīng)用中，均是采用較大噴淋水量這種方式。因此為了提高蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能效果，改進現(xiàn)有蒸發(fā)式冷凝器的配水方式是非常重要的。

1 全管束配水蒸發(fā)式冷凝器的基本原理與結(jié)構(gòu)

全管束配水蒸發(fā)式冷凝器與常規(guī)蒸發(fā)冷凝器的最大區(qū)別就是其配水器結(jié)構(gòu)。由于新結(jié)構(gòu)將管束上部集中配水改為分散配水，每一根配水支管僅負責其下部的一根工藝管的布水，從而使工藝管得到有效地潤濕，進而減少噴淋水量，減少水泵的耗功，實現(xiàn)噴淋水泵的節(jié)能。另外，由于噴淋水量的減少和分散布水的方式，使得工藝管之間的濺散水滴減少，從而使得在管間流動的空氣阻力減小、風機的耗功減小，實現(xiàn)風機的節(jié)能。此外，該配水結(jié)構(gòu)可有效避免常規(guī)集中配水系統(tǒng)在小噴淋水量的情況下產(chǎn)生的局部干涸現(xiàn)象。全管束配水的蒸發(fā)式冷凝器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1實驗裝置圖Fig．1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 實驗裝置及實驗流程

2.1 實驗裝置

為了對全管束配水蒸發(fā)式冷凝器的布水效果和管外空氣流動阻力進行實驗，并與集中配水方式進行比較，設(shè)計了如圖1所示的實驗裝置。工藝管及全管束配水管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，全管束配水管長度為300 mm，管徑為6 mm，采用銅管，其底端設(shè)置24個小噴淋孔，噴淋孔直徑為0.5 mm。工藝管采用管徑為19 mm光銅管，長度300 mm，正三角形叉排，管間距38 mm，總共6排、48根銅管。全管束配水管位于工藝管上方2 mm處，配水管數(shù)目與工藝管數(shù)目相同。本實驗的工藝管和配水管均布置在300×300×300 mm的實驗箱體內(nèi)。

實驗中主要使用的儀器儀表有低噪聲軸流風機，轉(zhuǎn)速為2800 r/min，額定風量為6000 m3/h。風量采用變頻器調(diào)節(jié)。噴淋水量由浮子流量計測量;風速由轉(zhuǎn)輪式風速儀(測量范圍0～10 m/s，精度為1%)測量;在管束上下的直管風道的管壁上開有靜壓孔，用數(shù)字式差壓儀(精度為1%)測量管束上下方兩點的壓差，測得空氣流過管束的流動阻力。

2.2 實驗流程

針對順流和逆流兩種流動形式，對集中配水和全管束配水蒸發(fā)式冷凝器進行了相關(guān)實驗。根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器常規(guī)的噴淋水密度范圍，針對試件選取了三個噴淋水量(分別為0.5 m3/h、0.9 m3/h、1.2 m3/h)進行有關(guān)實驗。在噴淋水量不變的情況下，通過由小到大地改變迎面風速(迎面風速范圍0.5～4 m/s)，觀察工藝管上水的噴淋狀況和水膜的分布情況、測量管外空氣的流動阻力。

圖2全管束配水方式結(jié)構(gòu)圖Fig．2 The structure of water distributed tube

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 兩種結(jié)構(gòu)無噴淋水時空氣流動阻力的比較

由于對配水結(jié)構(gòu)的改進，將會對管外空氣流動阻力產(chǎn)生影響，因此，首先針對無噴淋水狀態(tài)，對集中配水結(jié)構(gòu)和全管束配水結(jié)構(gòu)的管外空氣流動阻力進行實驗，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖可以看出，在順流狀態(tài)時，全管束配水相比于集中式配水的管外空氣流動阻力平均增加13%，這是由于全管束配水的噴淋管處于迎風面，影響了氣流在管束間的分布，增加了流動阻力;而在逆流狀態(tài)時，兩種配水方式的管外空氣流動阻力幾乎相同。對于全管束配水，其逆流時管外空氣流動阻力略小于順流時，以迎面風速3 m/s為例，約減少16.7%，原因是由于噴淋管處于背風面，因此，對空氣流動阻力影響較小。工業(yè)用蒸發(fā)式冷凝器的空氣流動形式大多為逆流流動形式，因此可以說在結(jié)構(gòu)上，全管束配水蒸發(fā)式冷凝器基本不會增加流動阻力。

圖3無噴淋順流對比圖Fig．3 Comparison diagram of experimental results for parallel-flow without spray

圖4無噴淋逆流對比圖Fig．4 Comparison diagram of experimental results for counter-flow without spray

3.2 全管束配水結(jié)構(gòu)有噴淋水時的空氣流動阻力

在順流和逆流兩種狀態(tài)下，實驗通過固定噴淋水量，在0.5 m/s～4 m/s的迎面風速范圍內(nèi)，由小到大地改變迎面風速的方法，測量全管束配水蒸發(fā)式冷凝器管外空氣流動阻力的變化情況。結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，在順流狀態(tài)時，在實驗范圍的噴淋量下，噴淋水量對空氣流動阻力影響不大;與圖3比較，順流有噴淋水的空氣流動阻力要略低于無噴淋水狀態(tài)，這是由于同方向流動的噴淋水對空氣的流動有推動作用造成的。由圖6可以看出，在逆流狀態(tài)時，隨著迎面風速的增加，管外空氣流動阻力逐漸增大，在迎面風速達到一定程度時，流動阻力出現(xiàn)激增現(xiàn)象，這個突變點的迎面風速為3.5 m/s左右。據(jù)分析，產(chǎn)生阻力激增這種現(xiàn)象的主要原因是由于風速較大，將逆向流動的噴淋水吹起，致使噴淋水無法有效順利的流動，從而造成阻力急劇增大，即產(chǎn)生“氣堵”現(xiàn)象。從噴淋量角度看，管外空氣流動阻力隨噴淋量的增大，有先增大后減小的趨勢。經(jīng)計算，逆流狀態(tài)時，管外空氣流動阻力隨噴淋量的增大分別增加40%和減少18.7%。這個現(xiàn)象值得關(guān)注和進一步研究，對于逆流形式的全管束配水蒸發(fā)式冷凝器的噴淋水量設(shè)計，要盡量避開產(chǎn)生最大的空氣流動阻力的噴淋水量。

圖5全管束配水順流實驗結(jié)果圖Fig．5 Diagram of experimental results of disturbing water on every tube for parallel-flow

圖6全管束配水逆流實驗結(jié)果圖Fig．6 Diagram of experimental results of disturbing water on every tube for counter-flow

3.3 兩種結(jié)構(gòu)有噴淋水時空氣流動阻力的比較

在順流和逆流狀態(tài)下，對不同噴淋水量的集中配水和全管束配水蒸發(fā)式冷凝器的管外空氣流動阻力的實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果如圖7至圖8所示。

圖7可以看出，在順流狀態(tài)時，對于0.9 m3/h的噴淋水量，兩種方式空氣流動阻力相差不大，而當噴淋水量為1.2 m3/h時，全管束配水比集中配水的管外流動阻力平均減少11.5%。據(jù)分析，全管束配水可以有效地使噴淋水在工藝管外形成水膜，可以大大的減少噴淋水的濺散，因此，全管束配水方式的管外空氣流動阻力較低，在順流較大噴淋量時，這種表現(xiàn)更明顯。因此，全管束配水方式可以有效地節(jié)能。

圖7集中配水與全管束配水順流對比圖Fig．7 Comparison diagram of experimental results of parallel-flow

圖8(a)(b)可以看出，在逆流狀態(tài)時，兩種配水方式均在風速增加到一定程度時出現(xiàn)了阻力激增的現(xiàn)象，集中配水在迎面風速為2.5 m/s，而全管束配水的阻力激增點為3.5 m/s。在阻力激增點之前，全管束配水比集中配水的管外流動阻力平均減少24.2%和49.7%(噴淋量為 0.9 m3/h、1.2 m3/h，迎面風速范圍為1.5～3.0 m/s)。當迎面風速較大時，蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)的空氣更新頻率加快，致使空氣中的水蒸氣分壓力保持較低點，進而增大水膜的蒸發(fā)速率，使得換熱性能大幅度提升，同時較大的迎面風速能夠增大對管外水膜的擾動作用，同樣可以提高換熱性能。由于全管束配水的阻力激增點的迎面風速更高，因此，全管束配水蒸發(fā)式冷凝器可以使用更高的迎面風速達到更大的換熱效果或者采用較低的流速來節(jié)約風機的耗功。

圖8集中配水與全管束配水逆流對比圖Fig．8 Comparison diagram of experimental results of for counter-flow

3.4 兩種結(jié)構(gòu)有噴淋水時的布水觀察

噴淋量的大小以液膜覆蓋換熱管表面為依據(jù)。從實驗情況看，全管束配水結(jié)構(gòu)在噴淋量為0.9～1.2 m3/h(即噴淋密度10～13.3 t/(m2·h))時的液膜覆蓋情況較好，與集中配水結(jié)構(gòu)的噴淋水量1.2～1.5 m3/h(即噴淋密度13.3～16.7 t/(m2·h))時的液膜覆蓋情況相當。說明全管束配水結(jié)構(gòu)的循環(huán)水量可低于集中配水結(jié)構(gòu)的循環(huán)水量。較低的循環(huán)水量有利于減少循環(huán)水泵的功耗。

4 性能評價

一種廣泛采用的換熱器性能評價指標是:換熱量與流體輸送機械消耗的功率的比值。對于蒸發(fā)式冷凝器，與水冷式冷凝器相比，其更大的意義在于能降低冷凝溫度，一般可降低3～4℃，這對于空調(diào)制冷機組而言，壓縮機的功耗約可降低9% ～11%。因此，其評價指標中的功率應(yīng)該包含壓縮機的功耗。該評價指標η可表述為:

由圖8(空氣層厚度12 mm，相對濕度65%)可以看出，當空氣層厚度為12 mm時，供水溫度升高，供冷能力快速減小.供水溫度每升高1 ℃，輻射板表面平均溫度平均升高0.52 ℃，供冷能力平均減少17 W/m2.過高的供水溫度不僅會造成供冷能力的不足，同時會降低輻射板表面的均勻性.當供水溫度降低至14 ℃時，輻射板表面最低溫度與平均溫度的差值增大.當供水溫度為15 ℃時，輻射板表面的最低溫度最接近平均溫度.

式中:Q為蒸發(fā)式冷凝器的換熱量，W;NP為蒸發(fā)式冷凝器流體輸送機械消耗的功率，W;NC為壓縮機的功耗，W。

包含下標“0”的參數(shù)可以是水冷冷凝器及系統(tǒng)的參數(shù)，也可以是作為比較基準的蒸發(fā)式冷凝器及系統(tǒng)參數(shù)。顯然，該值大于1就表示該蒸發(fā)式冷凝器性能優(yōu)秀，數(shù)值越大越好。其中，NP或NP0可包含水泵功率和風機功率，對于水冷冷凝器，NP0只包含水泵功率。對比水冷冷凝器的蒸發(fā)冷凝器評價指標為:

式中:NW為水泵功耗，W;NF為風機功耗，W。

根據(jù)部分企業(yè)的某型號蒸發(fā)冷凝器的參數(shù)統(tǒng)計:100冷噸的蒸發(fā)冷凝器平均風機功率5.5 kW、循環(huán)水泵功率3 kW、循環(huán)噴淋水量70 m3/h，水的蒸發(fā)量0.63 m3/h，28℃濕球溫度下的散熱量約為395 kW，制冷系統(tǒng)壓縮機功率90 kW;相同散熱量下采用水冷式冷凝器的水泵功率為9 kW，壓縮機功率100 kW。則該蒸發(fā)冷凝器的評價指標為:

說明蒸發(fā)冷凝器的性能優(yōu)于水冷冷凝器，該案例可節(jié)能10%左右。隨著濕球溫度或相對濕度的降低，節(jié)能效果還可以提高。

對于全管束配水蒸發(fā)式冷凝器，噴淋水量會減少，噴淋水流動阻力會增加，經(jīng)估算，兩者的變化幅度大致相當，也就是水泵的功率基本不變。以常規(guī)的逆流形式的蒸發(fā)冷凝器比較，全管束配水結(jié)構(gòu)的空氣流動阻力平均降低35%，則全管束配水蒸發(fā)冷凝器的性能評價指標η″為:

因此，全管束配水蒸發(fā)式冷凝器與常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器相比，性能評價指標更高，可節(jié)能2%左右。另外，較小的風機功率可降低噪聲。

當然，全管束配水結(jié)構(gòu)的噴淋孔會較小，可能容易由于水質(zhì)問題而造成堵塞。解決的方法可以是加裝過濾器或?qū)娏芩M行處理、保證其水質(zhì)符合使用的要求。

此外，前述案例中，循環(huán)噴淋水量與水的蒸發(fā)量相比(循環(huán)倍率)為111。由于蒸發(fā)的水量才是帶走熱量的最主要部分，因此111倍的循環(huán)倍率也確實偏高了，但針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，過低的循環(huán)倍率可能會造成部分管子表面干涸。全管束配水結(jié)構(gòu)由于針對每根管子配水，可采用較低的循環(huán)倍率，減少循環(huán)的噴淋水量。

5 結(jié)論

1)全管束配水蒸發(fā)式冷凝器的管外空氣流動阻力，在順流和逆流狀態(tài)下均小于相同噴淋量下的集中配水蒸發(fā)式冷凝器，在噴淋量為1.2 m3/h的情況下，管外空氣流動阻力平均減少11.5%和49.7%，可減少風機功耗，減低噪聲。

2)在逆流狀態(tài)下，全管束配水蒸發(fā)式冷凝器同樣也會出現(xiàn)“氣堵”現(xiàn)象，但相比于集中配水方式，阻力激增點的迎面風速更大，為3.5 m/s。因此全管束配水蒸發(fā)式冷凝器可以使用更高的迎面風速來取得更好的換熱效果。

3)全管束配水結(jié)構(gòu)的循環(huán)水量可低于集中配水結(jié)構(gòu)的循環(huán)水量。較低的循環(huán)水量有利于減少循環(huán)水泵的功耗。

4)逆流時的全管束配水結(jié)構(gòu)隨著噴淋量的變化存在一個空氣流動阻力的峰值點，設(shè)計時要盡量避開這點。

5)全管束配水蒸發(fā)式冷凝器與常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器相比，應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中可節(jié)能2%左右。

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