蒸發(fā)式冷凝器的研究進展及應(yīng)用

王定標 萬方方

（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

引言

蒸發(fā)式冷凝器是一種廣泛應(yīng)用于制冷、化工等領(lǐng)域節(jié)能節(jié)水的高效換熱設(shè)備，隨著我國節(jié)能減排等各項政策的頒布實施，蒸發(fā)式冷凝器強化傳熱研究已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域一個重要的發(fā)展方向。國外對其研究較早，產(chǎn)生了廣泛的理論成果，國內(nèi)對其研究始于20世紀80年代，也取得了極大的進展[1]。

1 蒸發(fā)式冷凝器的理論研究進展

1.1 國外研究狀況

國外方面Mizushina et al測試了分別有三種不同管直徑的蒸發(fā)式冷卻器，并假設(shè)蒸發(fā)式冷卻器內(nèi)噴淋水溫度為定值，不隨冷卻器內(nèi)沿著管排變化來測試實驗傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。傳質(zhì)實驗關(guān)聯(lián)式的結(jié)果以空氣和噴淋水的雷諾數(shù)來表示。Niitsu et al測試了光管和翅片管束，管束傾斜布置，給出了光管和翅片管的關(guān)聯(lián)式。Dreyer和Erens開展了錯流布置的光管工作，并和逆流布置的傳熱傳質(zhì)系數(shù)作對比。Koschenz給出了應(yīng)用于天花板的CWCTs模型。他根據(jù)自己提出的模型計算了出口被冷卻水水溫并將數(shù)據(jù)與生產(chǎn)商目錄中的數(shù)據(jù)相對比，指出結(jié)果與實際應(yīng)用數(shù)據(jù)相當吻合。Zalewski和Gryglaszewski給出了蒸發(fā)式流體冷卻器傳熱傳質(zhì)方程的數(shù)學分析模型。提出對傳質(zhì)系數(shù)進行修正作為進口空氣濕球溫度的函數(shù)來改進蒸發(fā)式冷卻器計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的匹配度。Jang和Wang給出了光管管束封閉冷卻塔的數(shù)值模型。根據(jù)其他文獻得出的關(guān)聯(lián)式計算了傳熱傳質(zhì)系數(shù)。結(jié)果顯示空氣和水逆流的布置的傳熱系數(shù)比平行流高10%。HishamM和Ettouney對蒸發(fā)式冷凝器的性能進行實驗研究,同時和風冷式冷凝器進行比較,結(jié)果表明蒸發(fā)式冷凝器的系統(tǒng)效率介于97%～99%之間。Ala Ali Hasan在相同的實驗條件下,對光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能進行分析研究。試驗證明翅片套管蒸發(fā)式冷卻器比光管蒸發(fā)式冷卻器的換熱性能提高了92% ～140%,在假定換熱器噴淋水溫度不變的前提下,建立了光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的熱力學性能數(shù)學模型[2]。Pascal Stabat給出了間接蒸發(fā)冷卻塔工況的簡化模型。模型允許在不同操作工況下如變濕球溫度或變空氣流速情況下評價能量和水的消耗。A.Abbassi,L.Bahar為建立蒸發(fā)式冷凝器的熱容控制運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出了穩(wěn)定工況和變工況下的熱力學模型，研究期間獲取結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠替代熱力系統(tǒng)PID控制器。Bilal A.Qureshi,Syed M.Zubair深入研究了蒸發(fā)式流體冷卻器以及蒸發(fā)式冷凝器的數(shù)學模型來開展復雜設(shè)計和等級分析并運用第一和第二熱力學定律給出了逆流濕式冷卻塔和蒸發(fā)式換熱器的熱力學分析。H.Metin Ertunca*,Murat Hosozb使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和具有自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)技術(shù)進行對比分析來預測蒸發(fā)式冷凝器的性能，研究顯示擁有擴展預測能力的ANFIS技術(shù)與ANN相比同樣也能用來蒸發(fā)式冷凝器的性能。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)方面劉煥成，蔡祖康，夏畹不考慮冷凝器中水膜溫度在管排方向上的變化，采用它的平均溫度值，用算術(shù)平均焓差代替對數(shù)平均焓差，并加以修正，適于工程設(shè)計使用并指出與實驗結(jié)果相當近似[4]。蔣常建,徐斌,楊強生根據(jù)無量綱的法編制了通用的計算機程序,對橫流式蒸發(fā)冷卻器進行了深入的熱力計算[5]。劉洪勝，陳江平，陳芝久介紹了應(yīng)用于家用中央空調(diào)機組的小型氟利昂蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計方法[6]。郝亮，闞杰，袁秀玲采用分布參數(shù)法對蒸發(fā)式冷凝器建立了數(shù)學模型,并進行了數(shù)值計算。唐偉杰,張旭建立了帶有預冷盤管的蒸發(fā)式冷凝器傳遞過程的微分方程組,得到了冷凝盤管外冷卻水溫度和冷卻空氣焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表達式。王鐵軍提出在制冷裝置中采用噴淋蒸發(fā)翅管式冷凝器,分析了噴淋蒸發(fā)翅管式冷凝器的傳熱過程,建立其傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型和設(shè)計計算方法。朱冬生，沈家龍等建立了蒸發(fā)式冷凝器管外水膜傳熱性能測試實驗平臺，通過對實驗數(shù)據(jù)回歸并將實驗關(guān)聯(lián)式和國內(nèi)外學者的關(guān)聯(lián)式進行比較，表明實驗得出的管外水膜傳熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式具有較好的一致性。張建一，秘文濤通過計算與現(xiàn)場測試,分析比較了蒸發(fā)式與水冷式冷凝器的循環(huán)水量和能耗發(fā)現(xiàn)三種典型品牌蒸發(fā)式冷凝器的實際平均循環(huán)水量約為立式水冷式的51%、約為臥式水冷式的76%。朱宏達,王曉建立翅片蒸發(fā)冷凝器局部穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學模型,運用ansys/cfx進行數(shù)值模擬,直觀的表示出有無翅片對于蒸發(fā)冷凝器各熱力學參數(shù)的影響并得出加載翅片有助于蒸發(fā)式冷凝器提高其換熱性能。張景衛(wèi),蔣翔等運用Fluent軟件對蒸發(fā)式冷凝器3種異型管橢圓管、扭曲管及彈形管管束中強制對流空氣進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明流線形設(shè)計的彈形管傳熱效率高,而且流動阻力小。另外建立了波紋板蒸發(fā)式冷凝器的計算模型，考察了氣相，板面結(jié)構(gòu)和噴淋水量對液膜流動的影響。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀以及所存在的問題

2.1 應(yīng)用研究

目前國外蒸發(fā)式冷凝器目前已經(jīng)比較成熟，主要廠家有丹麥的GRAM 公司，荷蘭GEA公司，美國的BAC公司和EVAPCO等公司，其產(chǎn)品型式各有特點。國內(nèi)方面生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器的廠家亦是異軍突起，除在沿海區(qū)域一些較著名的外資企業(yè)外，內(nèi)地生產(chǎn)廠家如洛陽隆華，重慶蜀東等生產(chǎn)廠家生產(chǎn)產(chǎn)量也在逐年增長，但由于蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)過程復雜，目前缺乏較精確的描述其過程的理論，大多廠家只能依據(jù)工程經(jīng)驗，使得蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計制造存在一定問題。

蒸發(fā)式冷凝器按照換熱體部件可以分為管式蒸發(fā)式冷凝器以及板式蒸發(fā)式冷凝器，目前國內(nèi)外普遍使用的是管式蒸發(fā)式冷凝器，板式蒸發(fā)式冷凝器處于實驗研究階段，同時研究高效的換熱管提高換熱效率也需要更多的研究和創(chuàng)新。除了在制冷系統(tǒng)方面的應(yīng)用之外，蒸發(fā)式冷凝器在海水淡化，火電廠冷卻系統(tǒng)等也有廣泛的應(yīng)用。

2.2 所存在的問題以及解決對策

蒸發(fā)式冷凝器在運行過程中產(chǎn)生的問題以及解決方法如下：結(jié)垢問題。蒸發(fā)式冷凝器傳熱過程涉及到水和空氣在盤管表面的對流摻混，管表面粗糙度，管體溫度，循環(huán)水離子含量，管束結(jié)構(gòu)等都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生或多或少的影響，因此對水質(zhì)以及空氣都有一定的要求，另外過多的雜質(zhì)沉積會造成水膜在管表面分布不均產(chǎn)生干斑使管壁局部換熱情況惡化，對管束壽命產(chǎn)生極大影響。解決方法為通過化學方法即在循環(huán)水中添加阻垢劑。物理方法包括超聲波處理，電子除垢如表面改性等。同時應(yīng)對水質(zhì)進行處理并定期更換循環(huán)水，冷凝器底部水盤也應(yīng)定期清理，防止微生物的滋生而破壞水質(zhì)。腐蝕問題。管體腐蝕會對蒸發(fā)冷設(shè)備壽命產(chǎn)生不利的影響，目前有效的防止腐蝕的方法為管體整體熱浸鋅處理。采用不銹鋼管體或者進行防腐表面涂層處理等。水量和風量的合理分配問題。水量和風量的合理分布對蒸發(fā)式冷凝器具有十分重要的影響，水量過大會造成水膜厚度較大，對局部換熱造成影響。同時犧牲了水泵的功率，加大了耗電量和耗水量。另外一方面，風量過大一方面可以使得水膜在管底部的集聚情況減輕，有利于傳熱，但另一方面過大的風量會造成空氣和水的傳熱傳質(zhì)造成影響，使得空氣和水的換熱不均勻，同時加大了風機了電耗量，因此應(yīng)合理的分配水量和風量，使得流場換熱充分，保持較高的換熱效率。運行過程中噪聲問題。蒸發(fā)冷運行過程中噪音來源為風機和水泵的噪音以及箱體噪音，同時有少量的水滴下降形成的噪音，其中，風機噪音占絕大部分，降低風機噪音的方法包括研究風機類型并對軸流葉片進行改進，選用較寬葉片或采用排風消聲器。當對噪音要求較高時箱體噪音的消除可采用吸聲材料。對水滴下降產(chǎn)生噪音的處理可采用消聲毯。

3 結(jié)論

近年來，節(jié)能減排已成為全社會的共識，具有優(yōu)良節(jié)能節(jié)水特性的蒸發(fā)式冷凝器具有良好的發(fā)展勢頭，可在我國西北等缺水地區(qū)廣泛應(yīng)用，且蒸發(fā)冷設(shè)備造價低，制造簡單，初投資小，制冷效率高，經(jīng)濟效益十分明顯。但隨著目前高性能制冷系統(tǒng)精確控溫的發(fā)展對傳熱傳質(zhì)過程理論的研究以及制冷系統(tǒng)自動控制提出了更迫切的要求。

[1]蔣翔，朱冬生，張景衛(wèi)，涂愛民，王長宏.異形管蒸發(fā)式冷凝器的性能與工業(yè)應(yīng)用 [J].化工進展，2008，27（9）：1477-1482.

[2]Ala Hasan,KaiSiren.Performance Investigation ofplain and finned tube evaporatively cooled heat exchangers，Applied Thermal Engineering,2003,23(3):325-340.

[3]Bilal A.Qureshi,Syed M.Zubair.Secondlaw-based performance evaluation of cooling towers and evaporative heat exchangers[J],International Journal of Thermal Sciences 46(2007)188-198.

[4]劉煥成,蔡祖康,夏畹.蒸發(fā)式冷凝器熱力計算的簡化方法 [C].上海制冷學會一九八九年年會論文集,1989年.

[5]蔣常建,徐斌,楊強生.橫流式蒸發(fā)冷卻器的熱力分析[J].上海交通大學學報，1997,31（7）：1-4.

[6]劉洪勝，陳江平，陳芝久.小型氟利昂蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計 [C].上海市制冷學會二○○三年學術(shù)年會論文集,2003,142-145.