蒸發(fā)式冷凝器國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

趙 越周洪劍謝 晶

（1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海寶豐機(jī)械制造有限公司，上海 200444）

蒸發(fā)式冷凝器國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

趙 越1周洪劍2謝 晶1

（1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海寶豐機(jī)械制造有限公司，上海 200444）

介紹蒸發(fā)式冷凝器的工作原理、分類、特點(diǎn)及研究進(jìn)展。具體闡述蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，包括目前應(yīng)用較為廣泛的填料蒸發(fā)式冷凝器、鼓泡蒸發(fā)式冷凝器、板式蒸發(fā)式冷凝器等；傳熱研究方面分析了彈性管和扭曲管的優(yōu)越性以及一些計(jì)算模型和設(shè)計(jì)程序；最后總結(jié)水處理及除垢技術(shù)的進(jìn)展，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

蒸發(fā)式冷凝器；特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)；傳熱；盤管；模型；除垢

冷凝器是制冷系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備之一，高溫、高壓的制冷劑氣體經(jīng)過(guò)冷凝器被冷卻為液態(tài)。冷凝器一般可分為3種類型：空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器及空氣與水聯(lián)合冷卻式冷凝器［1，2］，蒸發(fā)式冷凝器是空氣與水聯(lián)合冷卻式冷凝器中的一種類型。

蒸發(fā)式冷凝器的換熱不僅存在顯熱交換，而且存在潛熱交換，并且以潛熱交換為主［3－5］，相對(duì)于顯熱交換，潛熱交換的換熱效率較高，節(jié)水是蒸發(fā)式冷凝器最大的優(yōu)點(diǎn)［6］。

1 蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

隨著蒸發(fā)式冷凝器的逐漸成熟與普及，如今的蒸發(fā)式冷凝器較傳統(tǒng)的水平管式蒸發(fā)式冷凝器相比有了一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。

1.1 填料蒸發(fā)式冷凝器

相對(duì)于傳統(tǒng)形式的蒸發(fā)式冷凝器，填料蒸發(fā)式冷凝器的特點(diǎn)是在換熱盤管下方增設(shè)一段PVC填料熱交換層，使得循環(huán)水的溫度進(jìn)一步降低?？諝庥袃蓚€(gè)入口，分別位于冷凝器的上部和側(cè)下部。由上部入口進(jìn)入的空氣與噴淋水同向流動(dòng)，自上而下從擋水板處錯(cuò)流流出；由側(cè)下部入口進(jìn)入的空氣與噴淋水反向流動(dòng)，從填料熱交換層錯(cuò)流流出。上部的軸流風(fēng)機(jī)把兩部分排出的濕空氣排出。

填料蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。填料蒸發(fā)式冷凝器屬于順流式結(jié)構(gòu)，即空氣和噴淋水同向流動(dòng)，連續(xù)不斷飄落的水霧在風(fēng)壓的作用下充分地包裹覆蓋在冷凝盤管壁上，不會(huì)迅速滑落，使得換熱更加充分透徹，也使得盤管表面不容易結(jié)垢。

圖1 填料蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of packing evaporative condenser

填料蒸發(fā)式冷凝器最大的特色就是引入了填料。未蒸發(fā)的冷卻水在脫離換熱盤管后，進(jìn)入填料層，使得自身的溫度得以進(jìn)一步降低，更好的服務(wù)于下一次循環(huán)，提高了換熱盤管的單位面積換熱量，從而提高蒸發(fā)式冷凝器整體的換熱效率。

1.2 鼓泡蒸發(fā)式冷凝器

鼓泡蒸發(fā)式冷凝器的特殊之處在于設(shè)置了過(guò)熱蒸汽冷凝裝置和淺水層鼓泡裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 鼓泡蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of bubbling evaporative condenser

過(guò)熱蒸汽冷凝裝置是鼓泡蒸發(fā)式冷凝器的一大特點(diǎn)。其作用就是對(duì)進(jìn)入冷凝盤管之前的高溫制冷劑蒸汽先進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷之后再進(jìn)入冷凝盤管進(jìn)行冷凝。通過(guò)預(yù)冷有效地降低了制冷劑蒸汽的溫度，可以防止噴淋水在高溫段蒸發(fā)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象。

淺水層鼓泡裝置是鼓泡蒸發(fā)式冷凝器的另一個(gè)特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)引入的新風(fēng)鼓動(dòng)水層形成大量的氣泡，流經(jīng)換熱盤管的水降落在淺水層鼓泡裝置上，大大增加了空氣與水的接觸面積，強(qiáng)化了兩者之間的熱交換，循環(huán)水的溫度被有效地降低，從而進(jìn)一步提高了蒸發(fā)式冷凝器的整體性能。

1.3 板式蒸發(fā)式冷凝器

板式蒸發(fā)式冷凝器是將傳統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器的換熱盤管用換熱板束代替。換熱板束、水循環(huán)系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)是板式蒸發(fā)式冷凝器的3個(gè)組成部分，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，其中換熱板束板與板之間裝有填料。板式蒸發(fā)式冷凝器的工作原理和傳統(tǒng)管式蒸發(fā)式冷凝器基本一樣，換熱板束比換熱盤管更加容易使水膜均勻的分布在表面，空氣的分布和流動(dòng)方式是影響板式蒸發(fā)式冷凝器性能的關(guān)鍵因素。

圖3 板式蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Structure diagram of plate evaporative condenser

2 蒸發(fā)式冷凝器傳熱研究方面的進(jìn)展

2.1 對(duì)于盤管的改進(jìn)

蒸發(fā)式冷凝器強(qiáng)化傳熱主要是通過(guò)改變換熱盤管管型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。如圖4、圖5所示的彈性管和扭曲管是兩種非常規(guī)的管型，此類盤管稱為異型管。

圖4 彈性管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Structure diagram of elastic tube

圖5 扭曲管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structure diagram of distorted tube

彈形管的形狀類似于橢圓形，頂端曲率半徑較小，更加平滑，使得水膜更容易附著，特殊的長(zhǎng)短軸形狀，使得空氣導(dǎo)流面積增大，阻力面積減小，水膜在盤管表面蒸發(fā)后的水蒸汽可以更快的離開(kāi)盤管，通過(guò)減少空氣與水之間的熱交換時(shí)間來(lái)強(qiáng)化換熱。彈形管比圓管的總傳熱系數(shù)高9.2%～19.0%，彈形管的性能系數(shù)比圓管高11.1%～23.0%［7］。

扭曲管的形狀類似螺旋狀，螺旋狀的表面使得水膜湍動(dòng)程度增大，在換熱完成后不會(huì)在管底部聚集，提升了水膜的傳熱性能。扭曲管的管截面形狀是不斷變化的，這種變化導(dǎo)致盤管間空氣的流向不斷的變化，以較小的整體流量即可保持較高的局部流速，使得換熱更加充分。扭曲管比圓管的總傳熱系數(shù)高18.0%～33.1%，扭曲管的性能系數(shù)比圓管高16.7%～23.7%［7，8］。

此外，翅片管在目前市場(chǎng)中也得到很好的應(yīng)用，翅片管束與光管之間存在著特定的關(guān)聯(lián)式，通過(guò)最佳的布置方式，使得翅片管發(fā)揮最好的換熱性能。前人［9］曾對(duì)光管和翅片套管蒸發(fā)式冷凝器的傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在相同的條件下，翅片套管蒸發(fā)式冷凝器比光管蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能高92%～140%。

2.2 對(duì)于整體性能、計(jì)算模型及設(shè)計(jì)程序的研究

劉煥成等［10］對(duì)氨蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，此蒸發(fā)式冷凝器屬于逆流式結(jié)構(gòu)，即水和空氣在冷凝盤管表面逆向流動(dòng)，下進(jìn)風(fēng)上排風(fēng)，換熱盤管為圓管。結(jié)果表明，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)尺寸的蒸發(fā)式冷凝器，影響單位面積熱負(fù)荷最重要的因素是冷凝溫度和空氣進(jìn)出口的濕球溫度，其次是迎面風(fēng)速，淋水量的影響最小。一種新型的套管蒸發(fā)式冷凝器，把套管式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)加入到蒸發(fā)式冷凝器中，更加充分地利用了換熱空間，換熱能力比傳統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器更強(qiáng)［11］。

在過(guò)去，蒸發(fā)式冷凝器的熱力計(jì)算采用傳統(tǒng)的手工算法，難以獲得較高的精度。隨著國(guó)內(nèi)外科研人員的不懈努力，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化，不僅提高了計(jì)算精度，還簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。

很多學(xué)者對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的計(jì)算模型及設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了研究。Hasan［9］建立了針對(duì)于光管蒸發(fā)式冷凝器和翅片套管蒸發(fā)式冷凝器熱力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型；王鐵軍［12］研究建立了噴淋蒸發(fā)翅管式冷凝器的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)計(jì)算的方法；也有學(xué)者［13］建立了翅片蒸發(fā)式冷凝器局部穩(wěn)態(tài)湍流的數(shù)學(xué)模型；還有學(xué)者［9］對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在蒸發(fā)式冷凝器控制模型中的應(yīng)用進(jìn)行研究，得出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠替代熱力系統(tǒng)比例積分微分控制器。蔣常建等［14］用無(wú)量綱法對(duì)橫流式蒸發(fā)冷卻器的熱力計(jì)算編制了通用的計(jì)算機(jī)程序。

3 蒸發(fā)式冷凝器水處理及除垢技術(shù)的進(jìn)展

3.1 蒸發(fā)式冷凝器的水質(zhì)處理

蒸發(fā)式冷凝器的水質(zhì)處理方法通常有物理法、化學(xué)法以及水質(zhì)穩(wěn)定劑法等［15］。

物理法是目前常用的水質(zhì)處理方法。物理法可以使用內(nèi)磁水處理器或電子式水處理器。內(nèi)磁水處理器的工作原理是水以一定的流速切割磁場(chǎng)，使水中結(jié)垢物質(zhì)的分子和離子發(fā)生形變，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在一定程度上破壞了結(jié)垢的能力。電子式水處理器主要是利用高頻電磁場(chǎng)或高壓靜電場(chǎng)來(lái)電離結(jié)垢的物質(zhì)。

化學(xué)法的原理是用石灰或氫、鈉等離子除去水中的致垢鹽分，防止碳酸鹽的生成。

水質(zhì)穩(wěn)定劑法是向蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中投加一些藥劑，根據(jù)不同的水質(zhì)情況，投加不同的藥劑，對(duì)癥下藥，來(lái)克服系統(tǒng)中的結(jié)垢問(wèn)題。

值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水的pH＞8時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)部件應(yīng)進(jìn)行鈍化處理；使用酸清洗水垢時(shí)，為防止設(shè)備的腐蝕，應(yīng)添加緩蝕劑。

3.2 蒸發(fā)式冷凝器的除垢方法

蒸發(fā)式冷凝器在工作過(guò)程中，水中的礦物質(zhì)逐漸沉積在換熱盤管表面就會(huì)形成水垢。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅為1.7W/m2。當(dāng)結(jié)垢厚度為 0.5mm，冷凝壓力會(huì)增加0.15MPa，增加耗電19%。結(jié)垢厚度為1mm，冷凝壓力上升 0.22MPa，增加耗電39%。不難看出，蒸發(fā)式冷凝器的致命缺點(diǎn)是形成水垢后無(wú)法更好的發(fā)揮其特性，所以蒸發(fā)式冷凝器對(duì)水質(zhì)的要求比較高［16］。

有學(xué)者［17，18］專門對(duì)污垢進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明污垢可使蒸發(fā)式換熱器的熱效率降低55%～78%，出口冷卻流體溫度則升高4.7%。這充分說(shuō)明了除垢的重要性。

目前常用的除垢方法是酸洗法。若換熱盤管管壁較薄，管外也進(jìn)行了熱鍍，水的pH值應(yīng)保持在6.5～8.0，對(duì)于鍍鋅構(gòu)件應(yīng)使用含緩蝕劑的酸。除垢和水質(zhì)處理是相輔相成的，對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水進(jìn)行軟水處理可減緩結(jié)垢速度［16］。

目前蒸發(fā)式冷凝器在應(yīng)用中存在兩大問(wèn)題：腐蝕和結(jié)垢。若能很好的解決以上兩個(gè)問(wèn)題，蒸發(fā)式冷凝器必將有更好的發(fā)展及應(yīng)用。

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Research progress on evaporative condenser in domestic and abroad

ZHAO Yue1ZHOU Hong－jian2XIE Jing1

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China；2.Shanghai Baofeng Machine Manutacturing Co.LTD.，Shanghai200444，China）

The working principle，classification，characteristics and research of evaporative condenser were introduced.Improvement of evaporative condenser structure including a wide range of present application packing evaporative condenser，bubbleing evaporation condenser and plate evaporative condenser，the advantages of elastic tubes and twisted tubes and some calculating models and designed programs in heat transfer research，water treatment and descaling technology progress were introduced.The future research direction was also proposed.

evaporative condenser；characteristic；structure；heat transfer；tube；model；descale

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.069

2010年度上海市政府間國(guó)際科技合作計(jì)劃（編號(hào)：10390710500）；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：J50704）

趙越（1987－），男，上海海洋大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：15821113434＠163.com

謝晶

2011－12－01