1892
笔,1裟镏r訾趴期)第21卷第4期(总
文章编号:ISSNl005—9180(2002)04.13029—05‘
制”。冷1
蒸发式冷凝器发展和应用
蒋翔,朱冬生
(传热强化与过程节能教育部重点实验室,华南理工大学,广州510640)
[摘要]本文介绍了冷凝器型式特点及应用现状,比较了不同型式的冷凝器,着重阐述了蒸发式冷凝器的
结构、原理及其优点,分析了蒸发式冷凝器的发展及应用现状,总结了蒸发式冷凝器使用中存在的问题并
提出了解决问题的方法,展望了蒸发式冷凝器的发展方向和应用前景。
[关键词]冷凝器;蒸发式冷凝器;原理;特点;发展;应用
[中图分类号]TB657;TQ051.5
[文献标识码]A
PresentSituationofCondenserandDevelopmentofEvaporativeCondenser
JIANGXiang,ZHUDong—sheng
(Chinese
EngineeringResearchInstitute,SouthChinaUniversityoftechnology,Guangzhou,China
510640)
Abstract:Characteristicsandpared,structure,principle
presentsituationofcondenser
are
introduced
are
inthepaper,differentcondensersarecom—expoundedinparticular.Developmentsummarizedand
condenser
andcharacteristicsofevaporativecondenser
are
and印一
are
plicationsofevaporativecondenseranalyzed,problemsinapplications
ale
solutions
to
the
problems
proposed.Finally,developmentprospectandfurtherapplicationsofKeywords:Condenser;Evaporative
evaporative
are
described.
condenser;Principle;Characteristics;Development;Applications
究和应用[2【。
1
引言
热污染当前正引起严重关注,用水冷却化工设
蒸发冷却技术可追溯到古代,那时河流、海洋、湖泊和池塘等都是作为供水水源被利用。随着对水冷却方面机械力学及流体动力学的更深入研究,在设计中采取一定方法以减慢水滴重力沉降速度,并提供空气一水两相更大的接触界面面积,可解决较难的冷却问题,为此产生的凉水塔技术曾经极为普遍的应用。蒸发式冷凝器就是对凉水塔的一种改进设备,它在国外的研究是一个热门课题,美国和澳大利亚在此领域的研究非常活跃,发达国家对蒸发式冷凝器的应用正日益普及。20世纪80年代中期,我国开始从国外引进蒸发冷凝器技术,本文通过介绍冷凝器的形式和特点,着重阐述蒸发式
冷凝器的应用优势及发展趋势。
备、发电透平机或冷冻和空调设备,随后再把热水
直接排放掉是不能容许的,热工艺用水应该冷却后
再排放,或者冷却后再循环¨j。冷却用水占工业用水70%以上,冷却用水直接排放不仅造成热污染,还会造成较大的经济和资源浪费,需要将这些冷却
用水循环重复利用,缓解当前水资源短缺的状况。另外,在工业生产过程中,我国的耗能现象十分严
重,生产同样的产品,往往得比国外多消耗几倍的能量,这样就使我们的产品和国外同类产品相比缺少竞争力。冷却塔、喷淋塔、蒸发式冷却(凝)器等就是冷却水重复利用的关键设备,蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理论上是明显的,在实际
应用中也得到很好的证明。我国水资源非常紧张,
2冷凝器的型式及比较
冷凝器的型式按冷却方式可把冷凝器分为三大
能源危机和节水环保促进了有关蒸发式冷凝器的研
*弹塞自箍科学基金,广东省自然科学基金,国家科技部重大基础研究项目(G20000263)、教育部优秀青年教师资助计划项目资助
收稿日期:2002-7—10
30碰开粥劂770~
类:空气冷却式冷凝器,水冷式冷凝器,空气与水
联合冷却式冷凝器。2.1空气冷却式冷凝器
这类冷凝器简称为风冷式冷凝器,制冷剂放出
一左右。
v01.No
2.41’(船,N赡l。)
水冷式冷凝器系统低3—5℃,这可大大降低压缩机
的功耗,其循环水用量减少,只有凉水塔的三分之
蒸发式冷凝器主要由换热器、水循环系统及鼓
的热量由空气带走,制冷剂在管内冷凝。由于空气
的对流传热系数很低,故在盘管外侧通常加肋片以增加空气侧的传热面积。这种冷凝器的传热系数比较小,冷凝温度较高,使冷凝压力升高,制冷机效
风机三部分组成,其中传热部分的换热器是一个蛇形管组,装在一个立式箱体内,箱体的底部为水盘。水盘内保持一定的水位(用浮球阀控制)。冷
却水用循环水泵压送到冷凝器管的上方,经喷嘴喷淋到蛇形管组上面,当压缩机排出的过热蒸汽进入冷凝盘管内时,冷却循环水连续不断的喷淋在盘管
率降低。空气冷却式冷凝器的最大优点是不需冷却
水,因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合。
2.2水冷式冷凝器
外侧,沿冷凝器管的外表面成膜层下流,水膜从冷
凝管壁吸取制冷剂的热量后,部分水蒸发为水蒸
用水作为冷却介质,使高温高压的气态制冷剂冷凝的设备,称为水冷式冷凝器。水冷式冷凝器的
冷凝温度较风冷式冷凝器低,这对压缩机的制冷能
汽,被鼓风机抽吸的快速流动的空气带走,这样就有效的利用水的蒸发潜热,以较少的水达到盘管内气体冷却冷凝的目的。水受热后一部分变成蒸汽,
其余的水沿蛇形管表面流下,在下降过程中,被高
力和运行的经济性都比较有利,目前在国内工业制冷系统中得到了广泛应用。水冷式冷凝器中使用的冷却水,可以一次流过,也可以循环使用。由于水资源短缺,目前普遍采用循环水的形式。使用循环水时,需设有冷却水塔等装置,使离开冷凝器的水
得到冷却降温,以便重复循环使用。常用的水冷式
速气流吹托滞缓下降或被打碎形成更小水滴,漂飞上扬,有较多时间将热量传与气流带走。所以足够
的配风量和冷却水量,分布均匀的水膜等对提高冷凝效果很重要。流下的水汇集于水盘内,经水泵再
送至喷嘴循环使用。空气的作用主要是将冷凝器管
外激化的水蒸汽带走,而当空气的温度低于水温时,它还可以起一定的冷却作用,空气自下而上从水膜表面吹过时,除把水蒸汽带走外,还夹带一部分小水滴。为了减少水的吹散损失,在箱体的上部装有挡水板。
冷凝器有卧式壳管式冷凝器、立式壳管式冷凝器和
套管式冷凝器等型式。
2.3空气与水联合冷却式冷凝器
2.3.1淋水式冷凝器
冷却水通过配水槽流到换热管组上,以水膜的
形式往下流,水蒸发带走热量,即水以显热和潜热的方式起到冷却作用。但由于水膜外的空气,并不是在风机作用下以较高的速度流过,影响了水的蒸发,传热的效果较差。由于传热管之间需保持较大
蒸发式冷凝器有如下一些突出特点:(1)冷凝效果好。
由于水的蒸发潜热大,单位水的吸热量大,在
盘管内外,空气与制冷剂逆流向流动,提高了传热
的距离使空气畅通,故这种冷凝器占地面积大,金属耗量大,目前生产和使用较少。
2.3.2蒸发式冷凝器
蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基
效率,从而达到更好的冷凝效果。
(2)节水。
蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热,这与风
冷式冷凝器和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂的热量完全不同,比淋水式冷凝器更能充分利用水的蒸发潜热。风冷式冷凝器虽然不用水源,但需要消耗更多的压缩机和冷凝功耗。
一般的水冷式冷凝器中每1kg冷却水能带走
16.75—25.12
础,温度不同的两股流体(空气和水)混合时便放出蒸发潜热,引起较热流体(水)发生冷却,这种
冷却效应是借一部分液体变成汽态因而放出蒸发潜热来实现。
蒸发式冷凝器是从凉水塔改进而来的,其操作
原理和凉水塔基本相同,但相对于凉水塔,由于它
kJ热量,而1kg水在常压下蒸发能带
走约2428kJ热量,因而蒸发式冷凝器理论耗水量只为一般水冷式冷凝器的1%。实际上由于吹散损
省去冷却水在冷凝器中显热传递阶段,使冷凝温度更接近空气的湿球温度,其冷凝温度可比冷却塔/
失,排污换水等,耗水量约为一般水冷式冷凝器的
1213
笔套关獯^絮期1第卷第4期(总
81
期)制”“5%~10%。
(3)节能。
采用蒸发式冷凝器的制冷系统,其冷凝温度可以设计得比风冷式或水冷式冷凝器更低一些,蒸发
式冷凝器与冷却塔加管壳式冷凝器的系统比较,压
缩机动力消耗可节约10%以上,与空冷式冷凝器比较,可节约30%以上。
蒸发式冷凝器的风机动力消耗与水冷式的冷却塔相近,仅为空冷式的三分之~。
由于降低了水泵的压力与流量,泵的动力消耗约为冷却塔系统的四分之一。
蒸发式冷凝器的制冷系数比水冷式和风冷式冷
凝器都高,在单位冷凝负荷条件下,立式水冷式冷凝器功耗占冷凝负荷的2.5%左右,卧式水冷式冷
凝器功耗占冷凝负荷的1.3%左右,蒸发式冷凝器功耗占冷凝负荷的1.1%左右,蒸发式冷凝器相对于立式水冷器节电80%以上,相对于卧式水冷器节电10%左右Hj。
(4)安装、维护方便,占地面积小,运行费用低。
蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用,因此不像一般水冷式冷凝器还需配备冷却塔,水冷式冷凝
器和冷却塔的综合初投资,实际上高于蒸发式冷凝
器。蒸发式冷凝器结构紧凑,占地面积小,而且制造时更容易形成整体,这样给安装带来了极大的方
便。
在运行中,除如上所述的节能节水效果外,蒸发式冷凝器还排除了水冷式系统中水泵的问题和大
量用水而产生的水处理问题,使运行费用大大降低。正是由于初投资省和系统的能耗低,故蒸发式
冷凝器在发达国家得到广泛的应用。
3研究进展及设计制造
3.1研究进展
从国外蒸发冷却技术发展情况来看,他们起步较早,所取得的理论和研究成果水平也较高,美国多年来对蒸发冷却技术进行了深入的研究,许多制
冷学术会议上对蒸发冷却技术的研究非常深入细致。美国供热制冷空调工程师协会ASHRAE
TRANSACTIONS发表了大量有关蒸发冷却技术的研究论文,关于蒸发式冷凝器的研究体系已逐步建
冷
1
立,蒸发式冷凝器制造技术也日趋成熟。
早在20世纪80年代中期,同济大学陈沛霖教授在美国加州劳伦斯伯克利研究所从事蒸发冷却技术的国际合作研究,并将这一技术引入我国。近年来,一些科研单位和企业对蒸发冷却技术进行了理
论和实验研究,取得了~定进展。3.2设计制造
目前蒸发式冷凝器的设计还没有统一的标准,
主要采用的是经验参数和一些厂家的设计标准,国家也推荐使用了一些标准,具体设计时,可参照国
家设计标准,参考各类计算手册、现有厂家设计参数,并结合制造技术水平和气候条件采用合适的标
准。
国内有一些厂家自行设计制造蒸发式冷凝器时,多采用吸风式的蒸发式冷凝器。这些厂家的设计和制造,体现了蒸发式冷凝器的一些优点,较传统风冷式冷凝器和水冷式冷凝器的传热效果有较大的改善,但其总体水平还比较低,除了有价格优势外,在质量和性能上还较难和国外产品竞争。
目前我国较新型的蒸发式冷凝器主要有中美合资的大连冰山一巴尔的摩CXV型和VCl型以及中美合资的上海合众一益美高ATC型和LRC型等。
它们的技术数据主要是采用美国的标准,设计和制造技术也主要从美国引进,并结合了国内生产和需求的特点。
美国巴尔的摩公司成立于1938年,它专门从
事设计、制造蒸发式冷凝器设备,在世界上属领先地位,该公司1968所推出的V一Ⅱne系列蒸发式冷
凝器,已成为美国制冷工业的标准。巴尔的摩公司
设计生产的蒸发式冷凝器,结构上大多采用钢板制造的分上、下两个箱体的组合,整体布局较为合理,有效的利用了二次蒸发技术,使冷凝器传热效率及热容量大大提高。
益美高公司成立于1976年,目前该公司在中国市场推出的都是采用益美高在世界上具有领先地
位的专利技术制造的系列产品,其ATC/LRC型蒸
发式冷凝器颇受欢迎。相对于其它冷凝器,其最大优势在于其获得专利的椭圆形盘管。这种盘管结合
了密封式盘管组管子表面积大和间隔管式盘管组外
空气、水流动特性增强的两者优点,由于采用特殊盘管设计,减小通过机组的空气压降,同时最大限度地利用了盘管的表面积,大大地增强了盘管的传
32
REFRIGERATION
‘———————————————————————————————————————————————————————一
volNo.2.4l’(船然1‘)
热能力,用该盘管组的蒸发式冷凝器的传热容量有
了显著的提高。特殊形状的管子在空气流动方向进
行错排,以获得较高的膜冷凝系数;所有管子朝着制冷剂流动方向倾斜,以利于冷凝后的液体排出。
4应用现状及存在问题
4.1应用现状
目前西方发达国家普遍采用蒸发式冷凝器,在国内的应用中,由于西北地区缺水的实际情况,蒸发式冷凝器在西北地区推广和应用较多,宾馆、办公楼、商场等民用建筑和厂房车间及冷库、温室等的冷却空调设备基本都采用了蒸发式冷凝器,啤
酒、食品、饮料、制药、石油、化工等行业也越来
越多的采用蒸发式冷凝器,据一些公司的应用数据
显示,其冷凝效果好、节能节水的特点是显而易见
的l5|。其它地区也在陆续推广应用,特别是一些新组建的公司或新建的工程采用蒸发式冷凝器较多,当传统冷凝器工作不正常或需要改换时,采用蒸发式冷凝器也较多,这些改变取得较好的社会和经济
效益,基本都达到预期目标。但在较为湿热的中南
地区则显得不足,经一些专家和研究开发人员的理
论研究和实际改进,证明蒸发式冷凝器在中南地区一样也能取得较好的使用效果。4.2存在问题及解决方法
在实际应用过程中也产生了一些问题,首先也
是最主要的是蒸发式冷凝器结垢问题。由于蒸发式
冷凝器结构紧凑,换热效率高,结垢对其传热性能影响相当大。在蒸发式冷凝器中,当水蒸发时,原来存在的杂质还在水中,水中溶解的固体的浓度也会不断提高,如果这些杂质和污物不能有效控制,会引起结垢、腐蚀和泥浆积聚,从而降低传热效率。为了达到蒸发式冷凝器应用的水质要求,使用
单位必须根据当地的实际情况采取相应的水处理措
施。为了最佳的传热效率和最长的使用寿命,应该
控制循环水使用周期,通过排污来控制杂质的积
聚。较先进的冷凝器都采用了防结垢技术,如电子防垢除垢装置,这些除垢装置基本能控制水垢的生
成。但即使采用了防结垢技术,也必须时刻注意结
垢情况,随时采取除垢措施,这样不仅可以提高冷
凝器的传热效率,还可以延长蒸发式冷凝器的使用寿命。
其次是腐蚀问题,蒸发式冷凝器外壳由于常年
处于水与空气的潮湿环境下,易于腐蚀,需要热浸锌处理,用镀锌钢的周期性钝化来防止“白锈”,白锈就是积聚在镀锌钢表面上的白色、蜡状和破坏锌层的腐蚀物。由于浸锌不均匀或厚度不够,部分
地方腐蚀严重影响产品寿命。蒸发式冷凝器的换热管也存在同样问题。因此热浸锌质量要把好关,保
证镀锌厚度,同时注意镀层均匀。
第三是水量的合理分布问题。喷淋水的水量选
择和均匀分布对蒸发式冷凝器换热效果有很大的影响,喷淋水量一般以单位宽度上的冷却水量m来标示,当管子正三角形错列布置时,m=喷淋水量
/(每排管数的2倍X管长的2倍),m的取值一般
在50~200kg/mh之问,在较早的设计手册中,m的取值一般大于100kg/n[1}l,而较新的文献则取50
。70
kg/mh。另外还有用单位冷凝负荷的冷却水用
量来表示,美国标准是64kg/hkW,国内一般取值现在是50—70kg/hkW,要使水量匹配合理需作进一步理论研究。在水分配系统中,采用特大型防堵
式喷淋嘴,取代数量众多的喷水孔,可大大简化水的分配系统,提高了效率,并且使用可靠,使维护容易,且维护费用降低。
第四是风机问题。以往国产蒸发式冷凝器一般
为吹风式结构,风机装在下面,由于挡水板设置不当,或用户操作不当,先开水泵后开风机,造成风
机接线盒进水短路,使电机烧毁。现在采用吸风式
较多,接线盒放在箱体外,避免与水接触,一般不
存在上述问题,但对风机叶片要求较高,要能耐腐
蚀。
5发展前景
蒸发式冷凝器的发展首先应注意理论的创新和完善,寻求新理论的突破。
高效传热管的研制,管型的改进和管表面性质
的改造是蒸发式冷凝器发展的一个重要方面。在管
型改进方面,美国益美高公司设计的获得专利的椭圆形盘管,曾极大地改善了盘管的传热性能,使该公司设计制造的蒸发式冷凝器一直处于世界领先地位。华南理工大学提出的专利技术(专利申请号:
02227886.9)采用交变曲面波纹盘管换热器,将高效填料混合波纹板的原理和薄层流动方式,应用于
2002年12月
第21卷第4期(总81期)
制冷
一个重要发展方向。
33
不连续交变曲面波纹盘管以传质强化传热。采用强化传热特有的变曲面的波纹管型,组成管间距小的盘管管束结构,探索非饱和蒸发界面与传热表面协同强化机理。交变曲面波纹管表面的特殊结构对喷淋水起流动的导向作用,同时由于受重力及交变曲面波纹管向心力的作用,喷淋水将能最大限度的润湿管的表面,从而最大限度的增加有效传热面积;其次流体受到由涡流离心力产生的二次循环和不同流层速度的影响,管表面流体层会变薄,同时流过管子表面时将会形成漩涡,产生了循环和混合,增大了流体湍动程度,这些都可以增大传热系数;在
6结论
(1)蒸发式冷凝器在工作时,表面为薄层水膜所覆盖,外层流动着冷却空气,包括了传质换热和
对流换热,换热效果好;它充分利用水的显热和蒸
发潜热,减少循环水的量,从而减少动力消耗,不仅可以节水,而且可以节能,其用水量仅为水冷式
的3%~5%,动力消耗约为水冷式冷凝器的80%,
风冷式冷凝器的三分之一;蒸发式冷凝器的冷凝温度比风冷式冷凝器约低8~11oC,比水冷式冷凝器
约低3~5oC,可大大降低压缩机所耗能量j以上优
管内,管中心流体比管壁流体有更大的速度并受到
更大的离心力,这将导致二次流在管中心向外而在管壁向内,通过减小边界层厚度和增强混合程度,
点使得蒸发式冷凝器值得大力研究和应用推广。
(2)蒸发冷却技术发展较为迅速,蒸发式冷凝器的研究体系已逐步建立,蒸发式冷凝器制造技术
也日趋成熟。总体来说,我国蒸发式冷凝器的开发
传热系数得以增大,交变曲面波纹管能改善传热效
果;另外由于局部速度区和流体分布的合理化,热传导更加均衡。
对于我国蒸发式冷凝器的发展,应着重探索蒸发式冷凝器的原理和设计思想,结合中国国情引进
和应用相对滞后,应用过程中也存在一些问题。首先是地区的不平衡性,其次是蒸发式冷凝器使用过程中的一些问题,主要是防结垢问题,另外还有防
腐蚀、水量的合理分布和风机的合理布置和使用。
先进的理论与制造技术,这样可以弥补我们技术上
的不足,使我们在较短的时间内达到较高的发展水
平。蒸发式冷凝器制造厂家也在不断改进设计和制造技术,以期为我国冷凝器的发展和经济发展做出更大的贡献。另外,冷凝器生产厂家、科研单位和需使用冷凝设备的企业相互合作,共同设计开发蒸发式冷凝器,也是蒸发式冷凝发展的一个方向。冷
凝器生产厂家发挥他们在设计和制造蒸发式冷凝器
(3)蒸发式冷凝器的理论和应用研究仍有很大的发展余地,随着新技术的出现,新产品的开发和应用方式的改进,都为蒸发式冷凝器的发展提出新课题。能源危机和水环保将促进有关蒸发式冷凝器的研究和应用,对午蒸发式冷凝器的传热强化改进将是一个重要的研究方向。蒸发式冷凝器的性能和使用地区的气候息息相关,如何使其性能结合气候条件进行调整,进行智能化设计也是蒸发式冷凝器
的一个研究方向。
参考文献
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译.凉水塔[M].石油工业出版社,1984[2]Jin—Kuk
cooling
Kim,Luciana
for
方面的长处,科研单位发挥他们的理论和设计方面
的长处,应用企业发挥他们在应用方面的长处,相
互合作,相互配合,不仅会把我国冷凝的理论、设
计和制造技术提高到一个新的层次,对蒸发式冷凝器的应用也大有好处。
值得一提的是,由于我国幅员辽阔,各地气候条件有很大差异,而蒸发式冷凝器的冷凝效果受气候条件影响较大,应结合这些具体情况来设计和制造蒸发式冷凝器。可以针对每个地区的具体情况,设计出专门适用于该地区的蒸发式冷凝器,也可以根据各地条件改变蒸发式冷凝器的设备技术指标,即实现蒸发式冷凝器设计和制造的智能化。为实现这个目标,可以建立各地气候条件数据库,采用计
算机辅助设计,这也是蒸发式冷凝器设计和制造的
Savulescu,RobinSmith.Designof
temperature
systems
effluent
reduction[C]
.Chemical
EngineeringScience56(2001):1811—1830
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报,第20卷第l期,1999,3:45.49
[4]庄友明.蒸发式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比较及
经济性分析[J].制冷,2001,1(20):48~51[5]黄翔,刘鸣.我国新疆地区蒸发冷却技术应用现状分
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蒸发式冷凝器发展和应用
蒋翔,朱冬生
(传热强化与过程节能教育部重点实验室,华南理工大学,广州510640)
[摘要]本文介绍了冷凝器型式特点及应用现状,比较了不同型式的冷凝器,着重阐述了蒸发式冷凝器的
结构、原理及其优点,分析了蒸发式冷凝器的发展及应用现状,总结了蒸发式冷凝器使用中存在的问题并
提出了解决问题的方法,展望了蒸发式冷凝器的发展方向和应用前景。
[关键词]冷凝器;蒸发式冷凝器;原理;特点;发展;应用
[中图分类号]TB657;TQ051.5
[文献标识码]A
PresentSituationofCondenserandDevelopmentofEvaporativeCondenser
JIANGXiang,ZHUDong—sheng
(Chinese
EngineeringResearchInstitute,SouthChinaUniversityoftechnology,Guangzhou,China
510640)
Abstract:Characteristicsandpared,structure,principle
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are
inthepaper,differentcondensersarecom—expoundedinparticular.Developmentsummarizedand
condenser
andcharacteristicsofevaporativecondenser
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plicationsofevaporativecondenseranalyzed,problemsinapplications
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solutions
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problems
proposed.Finally,developmentprospectandfurtherapplicationsofKeywords:Condenser;Evaporative
evaporative
are
described.
condenser;Principle;Characteristics;Development;Applications
究和应用[2【。
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引言
热污染当前正引起严重关注,用水冷却化工设
蒸发冷却技术可追溯到古代,那时河流、海洋、湖泊和池塘等都是作为供水水源被利用。随着对水冷却方面机械力学及流体动力学的更深入研究,在设计中采取一定方法以减慢水滴重力沉降速度,并提供空气一水两相更大的接触界面面积,可解决较难的冷却问题,为此产生的凉水塔技术曾经极为普遍的应用。蒸发式冷凝器就是对凉水塔的一种改进设备,它在国外的研究是一个热门课题,美国和澳大利亚在此领域的研究非常活跃,发达国家对蒸发式冷凝器的应用正日益普及。20世纪80年代中期,我国开始从国外引进蒸发冷凝器技术,本文通过介绍冷凝器的形式和特点,着重阐述蒸发式
冷凝器的应用优势及发展趋势。
备、发电透平机或冷冻和空调设备,随后再把热水
直接排放掉是不能容许的,热工艺用水应该冷却后
再排放,或者冷却后再循环¨j。冷却用水占工业用水70%以上,冷却用水直接排放不仅造成热污染,还会造成较大的经济和资源浪费,需要将这些冷却
用水循环重复利用,缓解当前水资源短缺的状况。另外,在工业生产过程中,我国的耗能现象十分严
重,生产同样的产品,往往得比国外多消耗几倍的能量,这样就使我们的产品和国外同类产品相比缺少竞争力。冷却塔、喷淋塔、蒸发式冷却(凝)器等就是冷却水重复利用的关键设备,蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理论上是明显的,在实际
应用中也得到很好的证明。我国水资源非常紧张,
2冷凝器的型式及比较
冷凝器的型式按冷却方式可把冷凝器分为三大
能源危机和节水环保促进了有关蒸发式冷凝器的研
*弹塞自箍科学基金,广东省自然科学基金,国家科技部重大基础研究项目(G20000263)、教育部优秀青年教师资助计划项目资助
收稿日期:2002-7—10
30碰开粥劂770~
类:空气冷却式冷凝器,水冷式冷凝器,空气与水
联合冷却式冷凝器。2.1空气冷却式冷凝器
这类冷凝器简称为风冷式冷凝器,制冷剂放出
一左右。
v01.No
2.41’(船,N赡l。)
水冷式冷凝器系统低3—5℃,这可大大降低压缩机
的功耗,其循环水用量减少,只有凉水塔的三分之
蒸发式冷凝器主要由换热器、水循环系统及鼓
的热量由空气带走,制冷剂在管内冷凝。由于空气
的对流传热系数很低,故在盘管外侧通常加肋片以增加空气侧的传热面积。这种冷凝器的传热系数比较小,冷凝温度较高,使冷凝压力升高,制冷机效
风机三部分组成,其中传热部分的换热器是一个蛇形管组,装在一个立式箱体内,箱体的底部为水盘。水盘内保持一定的水位(用浮球阀控制)。冷
却水用循环水泵压送到冷凝器管的上方,经喷嘴喷淋到蛇形管组上面,当压缩机排出的过热蒸汽进入冷凝盘管内时,冷却循环水连续不断的喷淋在盘管
率降低。空气冷却式冷凝器的最大优点是不需冷却
水,因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合。
2.2水冷式冷凝器
外侧,沿冷凝器管的外表面成膜层下流,水膜从冷
凝管壁吸取制冷剂的热量后,部分水蒸发为水蒸
用水作为冷却介质,使高温高压的气态制冷剂冷凝的设备,称为水冷式冷凝器。水冷式冷凝器的
冷凝温度较风冷式冷凝器低,这对压缩机的制冷能
汽,被鼓风机抽吸的快速流动的空气带走,这样就有效的利用水的蒸发潜热,以较少的水达到盘管内气体冷却冷凝的目的。水受热后一部分变成蒸汽,
其余的水沿蛇形管表面流下,在下降过程中,被高
力和运行的经济性都比较有利,目前在国内工业制冷系统中得到了广泛应用。水冷式冷凝器中使用的冷却水,可以一次流过,也可以循环使用。由于水资源短缺,目前普遍采用循环水的形式。使用循环水时,需设有冷却水塔等装置,使离开冷凝器的水
得到冷却降温,以便重复循环使用。常用的水冷式
速气流吹托滞缓下降或被打碎形成更小水滴,漂飞上扬,有较多时间将热量传与气流带走。所以足够
的配风量和冷却水量,分布均匀的水膜等对提高冷凝效果很重要。流下的水汇集于水盘内,经水泵再
送至喷嘴循环使用。空气的作用主要是将冷凝器管
外激化的水蒸汽带走,而当空气的温度低于水温时,它还可以起一定的冷却作用,空气自下而上从水膜表面吹过时,除把水蒸汽带走外,还夹带一部分小水滴。为了减少水的吹散损失,在箱体的上部装有挡水板。
冷凝器有卧式壳管式冷凝器、立式壳管式冷凝器和
套管式冷凝器等型式。
2.3空气与水联合冷却式冷凝器
2.3.1淋水式冷凝器
冷却水通过配水槽流到换热管组上,以水膜的
形式往下流,水蒸发带走热量,即水以显热和潜热的方式起到冷却作用。但由于水膜外的空气,并不是在风机作用下以较高的速度流过,影响了水的蒸发,传热的效果较差。由于传热管之间需保持较大
蒸发式冷凝器有如下一些突出特点:(1)冷凝效果好。
由于水的蒸发潜热大,单位水的吸热量大,在
盘管内外,空气与制冷剂逆流向流动,提高了传热
的距离使空气畅通,故这种冷凝器占地面积大,金属耗量大,目前生产和使用较少。
2.3.2蒸发式冷凝器
蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基
效率,从而达到更好的冷凝效果。
(2)节水。
蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热,这与风
冷式冷凝器和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂的热量完全不同,比淋水式冷凝器更能充分利用水的蒸发潜热。风冷式冷凝器虽然不用水源,但需要消耗更多的压缩机和冷凝功耗。
一般的水冷式冷凝器中每1kg冷却水能带走
16.75—25.12
础,温度不同的两股流体(空气和水)混合时便放出蒸发潜热,引起较热流体(水)发生冷却,这种
冷却效应是借一部分液体变成汽态因而放出蒸发潜热来实现。
蒸发式冷凝器是从凉水塔改进而来的,其操作
原理和凉水塔基本相同,但相对于凉水塔,由于它
kJ热量,而1kg水在常压下蒸发能带
走约2428kJ热量,因而蒸发式冷凝器理论耗水量只为一般水冷式冷凝器的1%。实际上由于吹散损
省去冷却水在冷凝器中显热传递阶段,使冷凝温度更接近空气的湿球温度,其冷凝温度可比冷却塔/
失,排污换水等,耗水量约为一般水冷式冷凝器的
1213
笔套关獯^絮期1第卷第4期(总
81
期)制”“5%~10%。
(3)节能。
采用蒸发式冷凝器的制冷系统,其冷凝温度可以设计得比风冷式或水冷式冷凝器更低一些,蒸发
式冷凝器与冷却塔加管壳式冷凝器的系统比较,压
缩机动力消耗可节约10%以上,与空冷式冷凝器比较,可节约30%以上。
蒸发式冷凝器的风机动力消耗与水冷式的冷却塔相近,仅为空冷式的三分之~。
由于降低了水泵的压力与流量,泵的动力消耗约为冷却塔系统的四分之一。
蒸发式冷凝器的制冷系数比水冷式和风冷式冷
凝器都高,在单位冷凝负荷条件下,立式水冷式冷凝器功耗占冷凝负荷的2.5%左右,卧式水冷式冷
凝器功耗占冷凝负荷的1.3%左右,蒸发式冷凝器功耗占冷凝负荷的1.1%左右,蒸发式冷凝器相对于立式水冷器节电80%以上,相对于卧式水冷器节电10%左右Hj。
(4)安装、维护方便,占地面积小,运行费用低。
蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用,因此不像一般水冷式冷凝器还需配备冷却塔,水冷式冷凝
器和冷却塔的综合初投资,实际上高于蒸发式冷凝
器。蒸发式冷凝器结构紧凑,占地面积小,而且制造时更容易形成整体,这样给安装带来了极大的方
便。
在运行中,除如上所述的节能节水效果外,蒸发式冷凝器还排除了水冷式系统中水泵的问题和大
量用水而产生的水处理问题,使运行费用大大降低。正是由于初投资省和系统的能耗低,故蒸发式
冷凝器在发达国家得到广泛的应用。
3研究进展及设计制造
3.1研究进展
从国外蒸发冷却技术发展情况来看,他们起步较早,所取得的理论和研究成果水平也较高,美国多年来对蒸发冷却技术进行了深入的研究,许多制
冷学术会议上对蒸发冷却技术的研究非常深入细致。美国供热制冷空调工程师协会ASHRAE
TRANSACTIONS发表了大量有关蒸发冷却技术的研究论文,关于蒸发式冷凝器的研究体系已逐步建
冷
1
立,蒸发式冷凝器制造技术也日趋成熟。
早在20世纪80年代中期,同济大学陈沛霖教授在美国加州劳伦斯伯克利研究所从事蒸发冷却技术的国际合作研究,并将这一技术引入我国。近年来,一些科研单位和企业对蒸发冷却技术进行了理
论和实验研究,取得了~定进展。3.2设计制造
目前蒸发式冷凝器的设计还没有统一的标准,
主要采用的是经验参数和一些厂家的设计标准,国家也推荐使用了一些标准,具体设计时,可参照国
家设计标准,参考各类计算手册、现有厂家设计参数,并结合制造技术水平和气候条件采用合适的标
准。
国内有一些厂家自行设计制造蒸发式冷凝器时,多采用吸风式的蒸发式冷凝器。这些厂家的设计和制造,体现了蒸发式冷凝器的一些优点,较传统风冷式冷凝器和水冷式冷凝器的传热效果有较大的改善,但其总体水平还比较低,除了有价格优势外,在质量和性能上还较难和国外产品竞争。
目前我国较新型的蒸发式冷凝器主要有中美合资的大连冰山一巴尔的摩CXV型和VCl型以及中美合资的上海合众一益美高ATC型和LRC型等。
它们的技术数据主要是采用美国的标准,设计和制造技术也主要从美国引进,并结合了国内生产和需求的特点。
美国巴尔的摩公司成立于1938年,它专门从
事设计、制造蒸发式冷凝器设备,在世界上属领先地位,该公司1968所推出的V一Ⅱne系列蒸发式冷
凝器,已成为美国制冷工业的标准。巴尔的摩公司
设计生产的蒸发式冷凝器,结构上大多采用钢板制造的分上、下两个箱体的组合,整体布局较为合理,有效的利用了二次蒸发技术,使冷凝器传热效率及热容量大大提高。
益美高公司成立于1976年,目前该公司在中国市场推出的都是采用益美高在世界上具有领先地
位的专利技术制造的系列产品,其ATC/LRC型蒸
发式冷凝器颇受欢迎。相对于其它冷凝器,其最大优势在于其获得专利的椭圆形盘管。这种盘管结合
了密封式盘管组管子表面积大和间隔管式盘管组外
空气、水流动特性增强的两者优点,由于采用特殊盘管设计,减小通过机组的空气压降,同时最大限度地利用了盘管的表面积,大大地增强了盘管的传
32
REFRIGERATION
‘———————————————————————————————————————————————————————一
volNo.2.4l’(船然1‘)
热能力,用该盘管组的蒸发式冷凝器的传热容量有
了显著的提高。特殊形状的管子在空气流动方向进
行错排,以获得较高的膜冷凝系数;所有管子朝着制冷剂流动方向倾斜,以利于冷凝后的液体排出。
4应用现状及存在问题
4.1应用现状
目前西方发达国家普遍采用蒸发式冷凝器,在国内的应用中,由于西北地区缺水的实际情况,蒸发式冷凝器在西北地区推广和应用较多,宾馆、办公楼、商场等民用建筑和厂房车间及冷库、温室等的冷却空调设备基本都采用了蒸发式冷凝器,啤
酒、食品、饮料、制药、石油、化工等行业也越来
越多的采用蒸发式冷凝器,据一些公司的应用数据
显示,其冷凝效果好、节能节水的特点是显而易见
的l5|。其它地区也在陆续推广应用,特别是一些新组建的公司或新建的工程采用蒸发式冷凝器较多,当传统冷凝器工作不正常或需要改换时,采用蒸发式冷凝器也较多,这些改变取得较好的社会和经济
效益,基本都达到预期目标。但在较为湿热的中南
地区则显得不足,经一些专家和研究开发人员的理
论研究和实际改进,证明蒸发式冷凝器在中南地区一样也能取得较好的使用效果。4.2存在问题及解决方法
在实际应用过程中也产生了一些问题,首先也
是最主要的是蒸发式冷凝器结垢问题。由于蒸发式
冷凝器结构紧凑,换热效率高,结垢对其传热性能影响相当大。在蒸发式冷凝器中,当水蒸发时,原来存在的杂质还在水中,水中溶解的固体的浓度也会不断提高,如果这些杂质和污物不能有效控制,会引起结垢、腐蚀和泥浆积聚,从而降低传热效率。为了达到蒸发式冷凝器应用的水质要求,使用
单位必须根据当地的实际情况采取相应的水处理措
施。为了最佳的传热效率和最长的使用寿命,应该
控制循环水使用周期,通过排污来控制杂质的积
聚。较先进的冷凝器都采用了防结垢技术,如电子防垢除垢装置,这些除垢装置基本能控制水垢的生
成。但即使采用了防结垢技术,也必须时刻注意结
垢情况,随时采取除垢措施,这样不仅可以提高冷
凝器的传热效率,还可以延长蒸发式冷凝器的使用寿命。
其次是腐蚀问题,蒸发式冷凝器外壳由于常年
处于水与空气的潮湿环境下,易于腐蚀,需要热浸锌处理,用镀锌钢的周期性钝化来防止“白锈”,白锈就是积聚在镀锌钢表面上的白色、蜡状和破坏锌层的腐蚀物。由于浸锌不均匀或厚度不够,部分
地方腐蚀严重影响产品寿命。蒸发式冷凝器的换热管也存在同样问题。因此热浸锌质量要把好关,保
证镀锌厚度,同时注意镀层均匀。
第三是水量的合理分布问题。喷淋水的水量选
择和均匀分布对蒸发式冷凝器换热效果有很大的影响,喷淋水量一般以单位宽度上的冷却水量m来标示,当管子正三角形错列布置时,m=喷淋水量
/(每排管数的2倍X管长的2倍),m的取值一般
在50~200kg/mh之问,在较早的设计手册中,m的取值一般大于100kg/n[1}l,而较新的文献则取50
。70
kg/mh。另外还有用单位冷凝负荷的冷却水用
量来表示,美国标准是64kg/hkW,国内一般取值现在是50—70kg/hkW,要使水量匹配合理需作进一步理论研究。在水分配系统中,采用特大型防堵
式喷淋嘴,取代数量众多的喷水孔,可大大简化水的分配系统,提高了效率,并且使用可靠,使维护容易,且维护费用降低。
第四是风机问题。以往国产蒸发式冷凝器一般
为吹风式结构,风机装在下面,由于挡水板设置不当,或用户操作不当,先开水泵后开风机,造成风
机接线盒进水短路,使电机烧毁。现在采用吸风式
较多,接线盒放在箱体外,避免与水接触,一般不
存在上述问题,但对风机叶片要求较高,要能耐腐
蚀。
5发展前景
蒸发式冷凝器的发展首先应注意理论的创新和完善,寻求新理论的突破。
高效传热管的研制,管型的改进和管表面性质
的改造是蒸发式冷凝器发展的一个重要方面。在管
型改进方面,美国益美高公司设计的获得专利的椭圆形盘管,曾极大地改善了盘管的传热性能,使该公司设计制造的蒸发式冷凝器一直处于世界领先地位。华南理工大学提出的专利技术(专利申请号:
02227886.9)采用交变曲面波纹盘管换热器,将高效填料混合波纹板的原理和薄层流动方式,应用于
2002年12月
第21卷第4期(总81期)
制冷
一个重要发展方向。
33
不连续交变曲面波纹盘管以传质强化传热。采用强化传热特有的变曲面的波纹管型,组成管间距小的盘管管束结构,探索非饱和蒸发界面与传热表面协同强化机理。交变曲面波纹管表面的特殊结构对喷淋水起流动的导向作用,同时由于受重力及交变曲面波纹管向心力的作用,喷淋水将能最大限度的润湿管的表面,从而最大限度的增加有效传热面积;其次流体受到由涡流离心力产生的二次循环和不同流层速度的影响,管表面流体层会变薄,同时流过管子表面时将会形成漩涡,产生了循环和混合,增大了流体湍动程度,这些都可以增大传热系数;在
6结论
(1)蒸发式冷凝器在工作时,表面为薄层水膜所覆盖,外层流动着冷却空气,包括了传质换热和
对流换热,换热效果好;它充分利用水的显热和蒸
发潜热,减少循环水的量,从而减少动力消耗,不仅可以节水,而且可以节能,其用水量仅为水冷式
的3%~5%,动力消耗约为水冷式冷凝器的80%,
风冷式冷凝器的三分之一;蒸发式冷凝器的冷凝温度比风冷式冷凝器约低8~11oC,比水冷式冷凝器
约低3~5oC,可大大降低压缩机所耗能量j以上优
管内,管中心流体比管壁流体有更大的速度并受到
更大的离心力,这将导致二次流在管中心向外而在管壁向内,通过减小边界层厚度和增强混合程度,
点使得蒸发式冷凝器值得大力研究和应用推广。
(2)蒸发冷却技术发展较为迅速,蒸发式冷凝器的研究体系已逐步建立,蒸发式冷凝器制造技术
也日趋成熟。总体来说,我国蒸发式冷凝器的开发
传热系数得以增大,交变曲面波纹管能改善传热效
果;另外由于局部速度区和流体分布的合理化,热传导更加均衡。
对于我国蒸发式冷凝器的发展,应着重探索蒸发式冷凝器的原理和设计思想,结合中国国情引进
和应用相对滞后,应用过程中也存在一些问题。首先是地区的不平衡性,其次是蒸发式冷凝器使用过程中的一些问题,主要是防结垢问题,另外还有防
腐蚀、水量的合理分布和风机的合理布置和使用。
先进的理论与制造技术,这样可以弥补我们技术上
的不足,使我们在较短的时间内达到较高的发展水
平。蒸发式冷凝器制造厂家也在不断改进设计和制造技术,以期为我国冷凝器的发展和经济发展做出更大的贡献。另外,冷凝器生产厂家、科研单位和需使用冷凝设备的企业相互合作,共同设计开发蒸发式冷凝器,也是蒸发式冷凝发展的一个方向。冷
凝器生产厂家发挥他们在设计和制造蒸发式冷凝器
(3)蒸发式冷凝器的理论和应用研究仍有很大的发展余地,随着新技术的出现,新产品的开发和应用方式的改进,都为蒸发式冷凝器的发展提出新课题。能源危机和水环保将促进有关蒸发式冷凝器的研究和应用,对午蒸发式冷凝器的传热强化改进将是一个重要的研究方向。蒸发式冷凝器的性能和使用地区的气候息息相关,如何使其性能结合气候条件进行调整,进行智能化设计也是蒸发式冷凝器
的一个研究方向。
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cooling
Kim,Luciana
for
方面的长处,科研单位发挥他们的理论和设计方面
的长处,应用企业发挥他们在应用方面的长处,相
互合作,相互配合,不仅会把我国冷凝的理论、设
计和制造技术提高到一个新的层次,对蒸发式冷凝器的应用也大有好处。
值得一提的是,由于我国幅员辽阔,各地气候条件有很大差异,而蒸发式冷凝器的冷凝效果受气候条件影响较大,应结合这些具体情况来设计和制造蒸发式冷凝器。可以针对每个地区的具体情况,设计出专门适用于该地区的蒸发式冷凝器,也可以根据各地条件改变蒸发式冷凝器的设备技术指标,即实现蒸发式冷凝器设计和制造的智能化。为实现这个目标,可以建立各地气候条件数据库,采用计
算机辅助设计,这也是蒸发式冷凝器设计和制造的
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