蒸發(fā)式冷凝器傳熱強(qiáng)化研究及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

李若蘭，彭　鵬

（1.浙江萬享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海萬享成套制冷設(shè)備有限公司，上海200070）

蒸發(fā)式冷凝器傳熱強(qiáng)化研究及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

李若蘭1，彭鵬2

（1.浙江萬享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海萬享成套制冷設(shè)備有限公司，上海200070）

介紹蒸發(fā)式冷凝器工程信息：結(jié)構(gòu)形式，強(qiáng)化傳熱技術(shù)，強(qiáng)化傳熱效率；應(yīng)用現(xiàn)狀；運(yùn)行面臨的問題及應(yīng)對方法；簡述蒸發(fā)式冷凝器的工作原理，分析強(qiáng)化傳熱機(jī)理。

蒸發(fā)式冷凝器；強(qiáng)化傳熱；管式；板式

0　引言

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)冷凝過程所用的熱交換設(shè)備通稱冷凝器，類型：水冷式、風(fēng)冷式、蒸發(fā)式。根據(jù)《2012年蒸發(fā)器、冷凝器行業(yè)調(diào)查報告》統(tǒng)計［1］，蒸發(fā)式冷凝器（以下簡稱蒸發(fā)冷）產(chǎn)品市場應(yīng)用分布僅僅占4%，分布情況如圖1所示。目前國內(nèi)采用率十分低下，但在北美應(yīng)用普遍，據(jù)報道，張建一對北美62家冷庫制冷設(shè)備應(yīng)用統(tǒng)計顯示，蒸發(fā)冷用量占81%，遠(yuǎn)高于國內(nèi)，具體分布如圖2所示［2］。

蒸發(fā)冷的優(yōu)勢：首先用于帶走制冷劑冷凝熱的冷卻水量遠(yuǎn)小于水冷式冷凝器，水冷式冷凝器中，冷卻水以自身溫度提高帶走的冷凝熱，冷卻水溫升范圍一般為2～6℃，則每公斤冷卻水可以帶走的冷凝熱量為8.4～25.2kJ；蒸發(fā)冷中冷卻水汽化蒸發(fā)帶走冷凝熱，大氣壓下水在35℃時汽化潛熱為2423kJ/kg，顯然后者冷卻水用量僅為前者的1%，實際過程考慮換熱過程對環(huán)境的漂水以及換熱器表面需要形成水膜等因素，后者冷卻水循環(huán)用量為前者的5%～10%，循環(huán)水量減少，系統(tǒng)運(yùn)行水泵需求功率顯著下降，后者約為前者的25%［3］。其二，由于蒸發(fā)冷中冷卻水交換的顯熱很少，所以冷凝器的冷凝溫度趨近空氣的濕球溫度，實際運(yùn)行檢測證明，比冷卻塔水冷式冷凝器系統(tǒng)低約3℃，冷凝溫度降低，意味著制冷系統(tǒng)的制冷量增加的同時減小壓縮機(jī)的功率消耗，制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到提高。其三，傳熱效率提高，減少換熱器的面積，使得蒸發(fā)冷外形尺寸較小、方便運(yùn)輸、安裝，占地減少，投資少。蒸發(fā)冷確是節(jié)能降耗的優(yōu)良換熱設(shè)備。

圖1　2012年蒸發(fā)器、冷凝器運(yùn)用分布

圖2　北美62家冷庫各類冷凝器使用分布

1　蒸發(fā)冷的工作過程與分類

1.1蒸發(fā)冷的組成

主要部分：換熱器、循環(huán)水系統(tǒng)、空氣流動強(qiáng)迫系統(tǒng)，輔助元器件為：除水器、電子水除垢儀、填料熱交換層外殼等。

1.2蒸發(fā)冷的工作過程

蒸發(fā)冷利用自然條件下空氣干濕球溫差使換熱器外部冷卻水汽化蒸發(fā)，質(zhì)量傳遞的同時產(chǎn)生熱量傳遞：冷卻水膜通過管壁吸收制冷劑的冷凝熱，使之凝結(jié)成液態(tài)。

實質(zhì)上，蒸發(fā)冷集合了水冷式冷凝器的冷凝過程和冷卻塔的水冷卻過程。各部分協(xié)同完成熱交換，工作過程：

換熱器：外部液膜通過換熱管壁吸收來自換熱器內(nèi)部制冷劑蒸汽的凝結(jié)熱；

水循環(huán)系統(tǒng)：水泵將集水盤內(nèi)冷卻水送到噴淋裝置，噴淋裝置將冷卻水噴灑在換熱器表面形成水膜，水膜蒸發(fā)帶走換熱器內(nèi)部制冷劑傳出的熱量，未被蒸發(fā)的冷卻水落到下部集水盤內(nèi)，完成冷卻水循環(huán)；

鼓風(fēng)系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣經(jīng)過入風(fēng)口通過換熱器，促進(jìn)水膜蒸發(fā)，并且冷卻未被蒸發(fā)的下落的冷卻水。見圖3所示。

圖3　蒸發(fā)冷的組成

1.3蒸發(fā)冷分類

按照換熱器機(jī)械結(jié)構(gòu)分為管式和板片式。按照空氣被強(qiáng)迫流動的形態(tài)分成鼓風(fēng)式和吸風(fēng)式。按照換熱流體流動方式分成順流、逆流和混流。

2　蒸發(fā)冷結(jié)構(gòu)型式

2.1管式蒸發(fā)冷

管式蒸發(fā)冷按照換熱管的裝配后的空間位置分類為：立管式和水平管式。

立管式蒸發(fā)冷的構(gòu)造如圖4所示。換熱器由立式管束構(gòu)成，管內(nèi)熱蒸汽冷凝放熱成液體，管外為冷卻水膜和受迫流動的空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)蒸發(fā)帶走冷凝熱。

水平管式蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)的換熱器的換熱管束呈水平狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示，管內(nèi)熱蒸汽放熱冷凝成液體，管外水膜和受迫流動的氣流進(jìn)行傳熱傳質(zhì)蒸發(fā)帶走冷凝熱。

2.2板片式蒸發(fā)冷

板片式蒸發(fā)冷的換熱器由金屬板片制成的換熱單元構(gòu)成。如圖5所示，兩片金屬板片組成經(jīng)過焊接、塑性成型制成換熱單元，蒸汽在換熱單元流道內(nèi)凝結(jié)放出冷凝熱，循環(huán)冷卻水吸收冷凝熱和受迫流動的空氣在換熱單元外部進(jìn)行傳熱傳質(zhì)帶走冷凝熱。金屬板片換熱單元形狀如圖6所示。金屬板片換熱單元構(gòu)成的換熱器換熱效果優(yōu)良，產(chǎn)品的熱流密度可達(dá)20kW/m2。

圖4　立管式蒸發(fā)冷示意

圖5　板片式蒸發(fā)冷示意

圖6　板片換熱單元結(jié)構(gòu)

2.3吸風(fēng)式蒸發(fā)冷

吸風(fēng)式蒸發(fā)冷，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)造成負(fù)壓吸入空氣，吸入空氣經(jīng)過換熱器，與換熱器表面水膜進(jìn)行熱質(zhì)交換，帶走冷凝熱。負(fù)壓能夠促進(jìn)冷卻水汽化蒸發(fā)，增強(qiáng)換熱，但是熱濕空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生腐蝕。如圖7所示。

2.4鼓風(fēng)式蒸發(fā)冷

鼓風(fēng)式蒸發(fā)冷，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時強(qiáng)迫空氣流動經(jīng)過換熱器，與換熱器表面的水膜產(chǎn)生熱值交換，帶走冷凝熱。換熱效果不如吸風(fēng)式，但是不存在濕空氣腐蝕風(fēng)機(jī)問題，如圖8所示。

圖7　吸風(fēng)式示意圖

圖8　鼓風(fēng)式示意圖

3　蒸發(fā)冷的傳熱強(qiáng)化方法

蒸發(fā)冷傳熱強(qiáng)化方法，和其它換熱器一樣根據(jù)Q=KAΔt，提高傳熱效率—改變換熱器壁上液膜的流動狀態(tài)，促進(jìn)液膜和空氣的傳熱傳質(zhì)，管式蒸發(fā)冷行之有效的方法是采用強(qiáng)化換熱管；增大換熱面積—強(qiáng)化換熱管即增加熱阻大一側(cè)的表面積；通過降低冷卻介質(zhì)溫度來增大傳熱溫差。

3.1強(qiáng)化換熱管傳熱

蒸發(fā)冷中占比大的熱阻在于管外水膜與空氣界面的傳熱傳質(zhì)。［4］同時，初始管式蒸發(fā)冷換熱器設(shè)計采用圓管。因此，改變換熱管型是行之有效的方法，換熱管形變化為換熱管幾何外形的變化，幾何外形變換帶來液膜覆蓋狀態(tài)、液體流動狀態(tài)有益變化，幾何外形變化一般伴隨增加液膜覆蓋率、減薄液膜厚度、增加流體的湍流度等效應(yīng)，改善管外傳熱效果。

3.1.1彈形管

彈形管上部平坦，曲率半徑小易于水膜付著，如圖9所示。類似橢圓狀換熱管長軸沿著氣流方向，使得空氣流程延長，接觸面積增加，阻力減小。水膜在換熱管表面蒸發(fā)后能快速離開，空氣與冷卻水的熱傳遞的時間縮短，從而提高熱傳遞能力。彈形管的傳熱系數(shù)比等當(dāng)量尺寸的圓管高9.2%～19.0%。［5］

圖9　彈形管

圖10　溝槽管

3.1.2扭曲管

扭曲管實際上是橢圓管或壓扁的圓管扭成螺旋狀。螺旋形成的空間扭曲表面的扭曲使的水膜湍動增大，提高水膜的換熱效率，同時扭曲管截面變化使得空氣的沿扭曲管表面運(yùn)動，方向不斷發(fā)生變化，局部流動加快，促進(jìn)空氣充分換熱，換熱效果得到提高。同樣傳熱工況下，圓管扭曲管的傳熱系數(shù)比同幾何尺寸基管高18.0%～33.0%。［5］

3.1.3橢圓管

橢圓管管型是換熱管截面為一橢圓，傳熱面積比圓管增加，水膜覆蓋面積大于圓管，加強(qiáng)了空氣與液膜的交互作用，同時促進(jìn)液膜流動的推力增加，液膜流動的速度增加，液膜減薄，液膜的傳熱效率提高。研究顯示，當(dāng)橢圓管長軸與短軸之比為4，且長軸垂直放置，總傳熱系數(shù)比當(dāng)量等直徑圓管提高20%。［6］

3.1.4溝槽管

溝槽管的橫截面形狀如圖10所示。對內(nèi)徑為21mm，管長為1m豎直布置的溝槽管，理論計算結(jié)果表明溝槽豎管管內(nèi)冷凝傳熱能力是光管的3倍［7］。數(shù)值模擬顯示表明，豎直溝槽管管外水膜分布均勻且薄，管形相同時，豎管的冷凝換熱系數(shù)高于水平管。

3.2提高傳熱溫差

在蒸發(fā)冷內(nèi)增加換熱單元，如增加填料、鼓泡裝置降低冷卻水溫度，提高傳熱溫差，進(jìn)而提高傳熱效率。

3.2.1填料蒸發(fā)冷

在換熱器上部或下部加上填料層，如圖11、圖12所示。冷卻水循環(huán)流經(jīng)填料層時，與空氣發(fā)生傳熱傳質(zhì)，使得本身溫度降低，促使換熱器內(nèi)的冷凝溫度降低，蒸發(fā)冷的熱交換效果得到提高。實驗表明，水平光管式蒸發(fā)冷，在換熱器下部安裝填料層后，循環(huán)冷卻水溫度下降，傳熱系數(shù)可提高7.2%～16.9%［8］。水平管式蒸發(fā)冷下部加填料強(qiáng)化傳熱，考慮運(yùn)行過程減少水飄逸、產(chǎn)品維護(hù)需求后實際結(jié)構(gòu)如圖13所示。［9］

3.2.2鼓泡式蒸發(fā)冷

在換熱器底部設(shè)置淺水鼓泡設(shè)施，風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣鼓動淺水層，產(chǎn)生大量汽泡，加大水和空氣的熱交換面，空氣和水之間的熱質(zhì)交換加強(qiáng)，有效降低噴淋水的溫度，促進(jìn)冷凝溫度降低，傳熱得到強(qiáng)化，如圖14所示。

3.3其它技術(shù)

在冷卻水側(cè)應(yīng)用親水涂層，降低表面張力，促進(jìn)水膜均勻；在換熱板片之間增加填料，填料促進(jìn)板片表面水膜連續(xù)分布，增加冷卻水與空氣接觸面，提高水與空氣的熱交換強(qiáng)度，同樣工況下，降低循環(huán)冷卻水的溫度。

圖11　填料在盤管上部結(jié)構(gòu)

圖12　填料在盤管下方結(jié)構(gòu)

4　蒸發(fā)冷應(yīng)用現(xiàn)狀

圖13　水平管蒸發(fā)冷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

國外發(fā)達(dá)國家普遍采用蒸發(fā)式冷凝器。雖然早在上世紀(jì)八十年代已經(jīng)引入國內(nèi)，但是蒸發(fā)冷首先在水資源缺乏的西北地區(qū)推廣使用，形成這種局面的主要因素，首先制冷大規(guī)模應(yīng)用在冷卻水充沛的沿海地區(qū)，其次當(dāng)初制冷系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理水平普遍較低，再則發(fā)展初期尚不具備節(jié)能意識，然后，蒸發(fā)冷的性能和濕球溫度密切相關(guān)，沿海梅雨季節(jié)干濕度溫差小，蒸發(fā)冷優(yōu)勢不能充分發(fā)揮，因此，初期制冷系統(tǒng)普遍配用立式冷凝器或管殼式冷凝器。西北發(fā)展恰逢節(jié)能降耗，加上水資源缺乏，氣候干燥，蒸發(fā)冷簡直是為其量身打造，因而得到推廣。

圖14　鼓泡式蒸發(fā)冷示意

5　蒸發(fā)冷運(yùn)行存在問題及應(yīng)對

蒸發(fā)冷運(yùn)行過程的結(jié)垢、腐蝕是工業(yè)冷卻水共同面臨的兩大問題。結(jié)垢影響傳熱效率，蒸發(fā)冷換熱盤管上CaCO3的垢層厚度為2.4mm時，蒸發(fā)冷的排熱量降低約55%，隨著垢層厚度增加，排熱量會繼續(xù)下降［10］。

結(jié)垢不可避免，只能采取措施阻垢，結(jié)垢由冷卻水運(yùn)行產(chǎn)生，因此，首要是冷卻水管理，當(dāng)前循環(huán)冷卻水的控制指標(biāo)是濃縮倍數(shù)，其定義為N=Qm/（Qb+Qw）（循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)=補(bǔ)充水量/（排污水量+風(fēng)吹損失量），工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計規(guī)范指定：設(shè)計濃縮倍數(shù)，間接冷卻開式系統(tǒng)不宜小于5.0，不應(yīng)小于3.0［11］。實際運(yùn)行按照設(shè)計要求，對冷卻水運(yùn)行進(jìn)行有效監(jiān)察，及時分析，采取措施，可以有效阻垢。另外，追蹤發(fā)展，采用新技術(shù)，目前，冷卻水阻垢新思路：軟化冷水，即除去冷卻水、補(bǔ)充水中的鈣、鎂離子，另冷卻水在超高濃縮倍數(shù)（20～600倍）下循環(huán)，不會結(jié)垢影響傳熱［12］。

如果結(jié)垢形成，除垢的補(bǔ)救方法，立式冷凝器、管殼式冷凝器的冷卻水在換熱管內(nèi)流動，形成的結(jié)垢可以用機(jī)械的方式清理，水平管式蒸發(fā)冷由于結(jié)構(gòu)原因，不能機(jī)械清洗，酸洗是可取的方法，清洗過程應(yīng)考慮不可破壞防腐蝕涂層。改進(jìn)蒸發(fā)冷中換熱器的結(jié)構(gòu)，目前，板式蒸發(fā)冷用板片換熱器替代冷凝盤管，板片外部如果結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行機(jī)械清洗［9］。但是板片式換熱器的設(shè)計工作壓力目前僅為2.0MPa。適用壓力范圍受限制。

蒸發(fā)冷露天安裝，循環(huán)水蒸發(fā)發(fā)散至大氣，蒸發(fā)冷整體處于潮濕環(huán)境中，腐蝕不可避免存在，箱體采用鍍鋅鋼板，運(yùn)行實際結(jié)果證實可行。腐蝕產(chǎn)生不良后果，影響設(shè)備使用，依然存在與循環(huán)冷卻水接觸的換熱器部分，腐蝕造成換熱器泄漏，降低設(shè)備使用壽命。換熱器的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕：冷卻水循環(huán)中和空氣接觸，水中的溶解氧充裕，蒸發(fā)濃縮使得水中的各種離子含量增加，電導(dǎo)率增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。工業(yè)實用的緩蝕途徑：一是在換熱管接觸水的表面采用熱浸鋅處理，二冷卻水處理，將阻垢和緩蝕這一矛盾的兩個方面作為系統(tǒng)管理、處理。有實際證實經(jīng)過后軟化冷卻水在超高濃縮倍數(shù)下循環(huán)，設(shè)備得的緩蝕，阻垢效果良好［12］。

6　結(jié)語

隨著能源的日益緊缺，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、降耗的顯著優(yōu)點將推動蒸發(fā)冷得到空前的發(fā)展。理論研究方面，建模計算、設(shè)計程序方法被眾多學(xué)者用于蒸發(fā)冷的整體性能研究：熱質(zhì)傳遞的數(shù)學(xué)建模和設(shè)計計算準(zhǔn)則；計算模型及計算程序；熱力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型；強(qiáng)化傳熱實驗研究；理論研究在實際應(yīng)用上仍然存在局限性。蒸發(fā)冷對氣候條件的適宜區(qū)域、實際運(yùn)行采用阻垢、緩蝕的方法、方式的合理性、先進(jìn)性等，無論是理論研究還是應(yīng)用探討仍然有發(fā)展前景。同時上游新技術(shù)的蓬勃進(jìn)步，下游新技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，將會不停推動研究向前發(fā)展。

［1］羅明.2012年蒸發(fā)器、冷凝器行業(yè)調(diào)查報告［EB/0L］.http：//bao.hvacr. cn/201210_2029778.html 2012-10-31.

［2］張建一，秘文濤.氨制冷裝置用蒸發(fā)式冷凝器的實際能耗研究［J］.制冷學(xué)報，2007，28（5）：36～39.

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［9］浙江萬享科技股份有限公司SWLB高效節(jié)能版是蒸發(fā)式冷凝器［Z］.

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［11］GB50050-2007，工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范［S］.

［12］鮑其鼐.我國循環(huán)冷卻水處理三十年［J］.工業(yè)水處理，2010，30（12）.

Evaporative Condenser and Heat Transfer Enhancement

LI Ruo-lan1，PENG Peng2
（1.Zhejiang Wanxiang Science and Technology Co.，Ltd.，Huzhou 313100，China；2.Shanghai Wanxiang Refrigeration Equipment Co.，Ltd，Shanghai 200070，China）

This article introduces the engineering information of the evaporative condenser：the structural form，the enhanced heat transfer technology，the enhanced heat transfer efficiency，the application status，the operation problems and response measures.Briefly describe the working principle of the evaporative condenser，and analyzes its enhanced heat transfer mechanism.

evaporative condenser；heat transfer enhancement；tube；plate

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.017

TB611

B

2095-3429（2015）04-0061-05

2015-06-15

修回日期：2015-08-06

李若蘭（1957-），女，福建莆田人，高級工程師，主要研究方向：制冷設(shè)備、制冷壓力容器；

彭鵬（1981-），男，浙江溫嶺人，研究生，董事長。