蒸發(fā)式冷凝器的研究及應用進展

張旭，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

冷凝器廣泛應用在制冷空調、石油化工、電力、冶金、制藥等行業(yè)，是一種高耗能耗水設備。根據冷卻介質和冷卻方式的不同，冷凝器分為空冷、水冷和蒸發(fā)冷。在蒸發(fā)式冷凝器中，被冷卻介質在熱交換器中冷凝，同時通過水噴淋系統(tǒng)在熱交換器外表面形成水膜，水蒸發(fā)以潛熱的形式帶走被冷卻介質的冷凝熱量，并通過強制對流空氣排出熱量。

蒸發(fā)式冷凝器具有以下優(yōu)勢：換熱效果好，被冷卻介質的終溫更接近于空氣的濕球溫度；節(jié)水節(jié)能，所需的循環(huán)水量為水冷設備的10%～30%，水泵能耗降低。蒸發(fā)式冷凝器的綜合優(yōu)勢明顯，近年來在我國的研究應用日益廣泛。

1 管式蒸發(fā)式冷凝器

管式蒸發(fā)式冷凝器是一種研究和應用最廣泛的蒸發(fā)式冷凝器，國內外比較知名的廠商，如BAC大連有限公司采用的是圓形盤管換熱器，益美高ATC型蒸發(fā)式冷凝器采用的是橢圓管換熱器，洛陽隆華高效復合型冷卻(凝)器采用的是圓形翅片管加圓形盤管換熱器。

管式換熱器是管式蒸發(fā)式冷凝器的核心部件，管型的改進應以優(yōu)化液膜的流動狀態(tài)、提高換熱系數(shù)、減小管外流場的流動阻力為目的。

蔣翔等[1]通過實驗測試了圓管、橢圓管、扭曲管的流動與傳熱傳質性能。結果表明，扭曲管間水流分布均勻，脫落速度快，更易形成柱狀流，管表面水膜厚度比圓管和橢圓管小，扭曲管的傳熱傳質系數(shù)高于橢圓管和圓管。

張景衛(wèi)等[2]通過數(shù)值模擬的方法對橢圓管、扭曲管、彈形管的空氣流場進行了模擬，結果表明，彈形管管束中氣流擾動性最弱，流動阻力小，氣流分布均勻。

王定標等[3]對蒸發(fā)式冷凝器采用的圓管、橢圓管、彈形管以及異型扁管的空氣流場進行數(shù)值模擬，結果表明，異形扁管與圓管、橢圓管、彈形管相比，壓降分別降低了30%，21%和15%。

對蒸發(fā)式冷凝器性能影響因素的研究是蒸發(fā)式冷凝器優(yōu)化設計的主要內容。其影響因素主要有：空氣干濕球溫度、空氣流量、噴淋水溫度和噴淋水流量等。

Heyns等[4]通過實驗研究了蒸發(fā)式冷凝器的熱流特性。得出的結論是，水膜傳熱系數(shù)與空氣流速、噴淋水流量和噴淋水溫度的函數(shù)?？諝?水之間的傳質系數(shù)是空氣流速和噴淋水流量的函數(shù)。通過管束的壓降是空氣流速和噴淋水流量的函數(shù)。

Zheng等[5]研究了橢圓管閉式冷卻塔的性能特點。結果表明，水膜傳熱系數(shù)是噴淋水溫度、噴淋水質量流量、空氣流速的函數(shù)，而空氣-水傳質系數(shù)是空氣流速的函數(shù)。

申江等[6]設計了順流式橢圓管型蒸發(fā)式冷凝器實驗臺，研究了總傳熱系數(shù)與風速、噴淋密度的關系，得出單位換熱面積的最佳風量為299.9 m3/(h·m2)，最佳水量為0.63 kg/(h·m2)。

Junior等[7]對實驗室控制條件下運行的小型蒸發(fā)式冷凝器進行實驗研究。40種工況的換熱量保持一致，并且為入口空氣溫度、體積流量和噴淋水流量的函數(shù)，入口濕球溫度為換熱量的主要影響因素。實驗結果可為研究者的分析和模擬提供依據。

2 板式蒸發(fā)式冷凝器

板式蒸發(fā)式冷凝器利用了板式換熱器的高效換熱性能和平面液膜蒸發(fā)式冷凝技術，具有空氣阻力小、布水均勻，宜于維修保養(yǎng)的優(yōu)勢，成為了目前研究的一個熱點。廣州華德低溫螺桿機組、螺桿式冷熱水機組等產品均采用的是板管式蒸發(fā)冷凝器，浙江萬享SWLB高效節(jié)能板片式蒸發(fā)式冷凝器采用的是板片式換熱器。

板式換熱器是板式蒸發(fā)式冷凝器的核心部件，在新板型的開發(fā)研究方面。孫荷靜[8]對板內流體流動建模，通過模擬對板內結構進行優(yōu)化，使得流體的流動更加均勻。戴晨影[9]對鼓包板片蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質熱性進行了實驗和數(shù)值模擬研究，板片焊點直徑和焊點角度影響水膜的厚度和停留時間，當焊點直徑4～5 mm，角度164°時，具有最佳的傳熱傳質性能。任勤[10]在實驗的基礎上，通過數(shù)值模擬研究了凹凸板蒸發(fā)式冷凝器空氣-水側的傳熱傳質機理和流動特性，得出了凹凸板蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質關聯(lián)式，可對結構優(yōu)化提供理論指導。王紅根[11]對某特定結構的板管型蒸發(fā)式冷凝器進行了理論分析，并在實驗的基礎上應用CFD方法對板間流體流動進行模擬計算，分析了板片結構對蒸發(fā)式冷凝器的影響。板片的換熱性能隨著板片凹形結構高度和凹形結構大小徑的增大而提高，當板片凹形結構高度為5 mm，大小徑分別為29 mm和12 mm時，板片的換熱性能最優(yōu)。

影響板式蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的外部參數(shù)主要有：空氣干濕球溫度、空氣流量、噴淋水溫度、噴淋水流量和板間距等。

朱冬生等[12]建立了波紋板換熱器板外兩相流傳熱傳質的計算模型，分析了熱流密度、噴淋水溫度、噴淋水量、空氣流速及板間距對板外換熱性能的影響。

董俐言等[13]建立了板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質過程的二維數(shù)學模型，模擬結果通過實驗驗證，誤差在10%以內。結果表明，板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度隨著進風速度的增加而增大，隨著空氣濕球溫度的增加而減小，幾乎不受空氣干球溫度的影響；熱流密度隨冷卻水噴淋密度的增加而增大，但增大至一定量后對熱流密度幾乎沒有影響。上述結論可為蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)化設計提供指導作用。

在蒸發(fā)式冷凝器中加入填料是一種常見的方式，主要有換熱器和填料組合作為換熱單元，以及單獨加裝填料兩種方式。

石仲璟等[14]將填料和板片組合成熱交換單元，通過這種混合冷卻方式來增強傳熱。建立了測試平臺，研究填料層數(shù)對組合板蒸發(fā)冷卻器傳熱性能的影響。在相同噴淋密度或風速下，熱流密度隨著填料層數(shù)的增加而增大?？紤]到填料層對壓降的影響，宜選用3層填料。

簡棄非等[15]在不同的填料間距、氣流速度及噴淋水流量下對蒸發(fā)式冷凝器波紋填料間的熱質傳遞過程進行了數(shù)值模擬，得到了填料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、空氣含濕量、空氣進出口壓差的變化規(guī)律。當填料之間的距離為6 mm，空氣流速為2 m/s，噴淋水流量為0.025 kg/s時，有一定的顯熱和潛熱交換量，水膜少量蒸發(fā)，同時降低了水泵和風機的能耗，提高了系統(tǒng)的能效比。

3 蒸發(fā)式冷凝器的應用現(xiàn)狀

蒸發(fā)式冷凝器在國外的應用已經比較成熟，近年來，蒸發(fā)式冷凝器在國內工業(yè)領域得到了快速推廣應用，涉及到氨合成、氨冰機冷凍、電廠汽輪機冷卻、甲醇合成等工藝過程的冷凝冷卻系統(tǒng)，取得了較好的應用效果。

吉勇[16]介紹了某公司合成氨和聯(lián)堿生產改造擴容裝置中使用蒸發(fā)式冷凝器的情況，根據工程需要選用4臺熱負荷為3 200 kW的蒸發(fā)式冷凝器，投資費用比采用傳統(tǒng)的管殼式水冷器加冷卻塔的方式低490萬元，年運行費用比管殼式冷凝器低約210萬元。

包曉暉[17]對三化合成氨生產冷凍系統(tǒng)中的冰機冷卻系統(tǒng)進行改造，將原有的8臺立式管殼式水冷器和2臺臥式水冷器改造為蒸發(fā)式冷凝器。改造后冰機出口壓力由1.4～1.5 MPa降低為1.3 MPa，冰機出口溫度由152 ℃降低為140 ℃，年耗電量由1 247萬kW·h減少為138.44萬kW·h，投資回報周期約7個月。

Liu等[18]研究了蒸發(fā)式冷凝器用于燃氣機熱泵的冷卻性能和節(jié)能效果。燃氣機熱泵采用蒸發(fā)冷凝器比采用傳統(tǒng)的空冷冷凝器一次能源節(jié)約28.1%。

Wei等[19]設計了一套用于電廠小型汽輪機的蒸發(fā)式冷凝器。

史文玎等[20]介紹了漳山電廠引用蒸發(fā)式冷凝器對600 MW機組進行擴容改造的情況，通過采用蒸發(fā)式冷凝器擴大汽輪發(fā)電機組冷端換熱面積的方式，使得機組夏季滿發(fā)背壓由35 kPa降為20 kPa，提高了機組熱效率。每年收益1 192.208萬元，約4年收回建設成本。

朱東生等[21]介紹了電站冷卻系統(tǒng)的特點，分析了蒸發(fā)式冷凝器用于電站冷卻系統(tǒng)的可行性及優(yōu)點，并提出應用中需要注意凝汽器真空的問題。

蘇曉青等[22]以西安某數(shù)據中心機房為例，對采用蒸發(fā)式冷凝冷水機組和水冷式冷水機組的能效比EER、系統(tǒng)運行費用、系統(tǒng)耗水量等進行分析計算。結果表明，蒸發(fā)式冷凝冷水機組比水冷式冷水機組節(jié)能約29.5%，年節(jié)約電量20.5 kW·h，節(jié)水率51.11%。

Mckenzie等[23]分析了加利福尼亞州6個氣候區(qū)的新建和使用15年的三種家用空調系統(tǒng)：標準空氣冷凝器、蒸發(fā)式預冷冷凝器和蒸發(fā)冷凝器的總電力負荷和水負荷。與風冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式預冷冷凝器和蒸發(fā)冷凝器的年平均直接節(jié)電率分別為17.7%和11.3%。蒸發(fā)冷凝器在用電高峰時比蒸發(fā)預冷冷凝器節(jié)省了更多的能量(峰值節(jié)能分別為30.9%和23.8%)，這對于炎熱的干旱氣候區(qū)是非常有利的。

席鐵峰[24]針對國際焦化有限公司甲醇系統(tǒng)水冷效果差的特點，新增了兩臺蒸發(fā)式冷凝器，改造后，通過蒸發(fā)式冷凝器完全取代甲醇水冷器，達到了循環(huán)氣溫度的設計要求；甲醇水冷器停用后，減少甲醇循環(huán)水用量1 300 m3/h；噸甲醇消耗焦爐煤氣降低約100 m3/h，每月增產甲醇約750 t，增產170萬元。

4 總結與展望

蒸發(fā)式冷凝器因其高效的換熱性能、節(jié)能節(jié)水的特點日益受到人們的重視，成為一種可替代空冷式冷凝器和水冷式冷凝器的高效冷凝器。高性能計算機和CFD技術的使用為蒸發(fā)式冷凝器的研究提供了一種重要的手段。應用數(shù)值計算技術既加快了研究速度，又拓寬了研究參數(shù)的變化范圍，從而增加蒸發(fā)式冷凝器研究的深度和廣度。目前，國內外學者針對管式和板式蒸發(fā)式冷凝器以及對蒸發(fā)式冷凝器工程應用的研究愈加活躍，新系統(tǒng)新方法不斷呈現(xiàn)。蒸發(fā)式冷凝器的應用領域、應用范圍不斷拓寬。

雖然蒸發(fā)式冷凝器的研究已經取得了很多成果，但也存在諸多不足之處，有待進一步的解決。

(1)換熱器的結垢腐蝕問題一直是影響其性能穩(wěn)定的關鍵因素，在這方面雖然已有較多的方法，但大多數(shù)方法處理結垢問題復雜，使用的化學處理劑對環(huán)境有危害，結垢腐蝕問題仍是困擾其高效應用的難點。

(2)缺乏公認的蒸發(fā)式冷凝器的設計計算方法，在蒸發(fā)式冷凝器的結構設計及運行策略方面仍有很高的研究價值。