蒸發(fā)式冷凝器在制冷空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用

陳太欽

（廈門高鼎機(jī)械設(shè)備安裝工程有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

當(dāng)前，全世界面臨著資源能源短缺的危機(jī)，所以在各領(lǐng)域當(dāng)中需要開(kāi)展節(jié)能減排工作，積極推動(dòng)環(huán)境保護(hù)工程建設(shè)。目前大型制冷空調(diào)行業(yè)存在著電力資源和冷卻水被大量使用的情況, 如果不加以管理會(huì)導(dǎo)致大量資源、能源浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染，所以需要在新能源利用的基礎(chǔ)上積極采取全新的工藝和技術(shù)，進(jìn)而節(jié)約水費(fèi)和電費(fèi)支出，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，以下對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 蒸發(fā)式冷凝技術(shù)的概念與原理

1.1 蒸發(fā)式冷凝技術(shù)的概念

如今我國(guó)高度重視水資源和能源節(jié)約問(wèn)題，需要通過(guò)技術(shù)利用達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，該背景下蒸發(fā)式冷凝器技術(shù)得到高度關(guān)注，相關(guān)研究取得突破，可以顯著節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)成本，更有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。對(duì)于空調(diào)制冷設(shè)備來(lái)講，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流部件四大部分組成，其中冷凝器作為制冷空調(diào)設(shè)備中的重要部件，能夠起到機(jī)組散熱的作用。結(jié)合不同的冷卻方式，傳統(tǒng)意義層面上的冷凝器包括水冷和風(fēng)冷兩種形式，相比之下水冷的效率更高，隨著制冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，冷凝器開(kāi)始采取蒸發(fā)式冷凝器，主要原理在于將水和空氣當(dāng)做冷卻劑，然后制冷劑的冷凝熱向空氣和水排放，利用部分水的蒸發(fā)帶走冷凝器的熱量，實(shí)現(xiàn)水冷和風(fēng)冷的有效結(jié)合（如圖1）。

圖1 蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)

1.2 蒸發(fā)式冷凝技術(shù)的原理

蒸發(fā)式冷凝器的外殼是鋼板所組成的長(zhǎng)方形箱體，外部較薄，在內(nèi)部設(shè)置了循環(huán)水裝置換熱管，底部帶有集水盤箱體，外部安裝冷卻循環(huán)水泵，并且在箱體頂部安裝了風(fēng)機(jī)。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，水可以從冷卻水泵上升到換熱管的上部噴嘴部位，然后均勻噴灑到換熱管外表面，由此形成水膜；冷卻水和風(fēng)同水同向，能夠確保水膜覆蓋在換熱管表面；循環(huán)水膜等溫相變蒸發(fā)冷凝溫度低于水冷4～5 ℃，能效比增加12%，并且由于冷卻水泵冷卻水流量與揚(yáng)程明顯減小，顯著降低了冷卻水泵輸入功率，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)式冷凝器空調(diào)系統(tǒng)的能效提升了20%。

2 蒸發(fā)式冷凝器在制冷空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用研究

蒸發(fā)式冷凝器是制冷裝備以及工業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備，近年來(lái)，我國(guó)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展迅速，蒸發(fā)式冷凝器得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，數(shù)值模擬技術(shù)在蒸發(fā)式冷凝器中的利用顯著縮短了研究周期，并且節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。目前的主要研究集中在管式蒸發(fā)式冷凝器和板式蒸發(fā)式冷凝器，以下進(jìn)行詳細(xì)分析：

2.1 管式蒸發(fā)式冷凝器

管式換熱器作為蒸發(fā)式冷凝器的核心部件，當(dāng)前改進(jìn)主要集中在液膜流動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化，換熱系數(shù)的提升以及減小管外流場(chǎng)的阻力。有研究對(duì)圓管、橢圓管和扭曲管的傳熱傳質(zhì)性能與流動(dòng)性能分析，發(fā)現(xiàn)扭曲管間的水流分布均勻，并且脫落速度較快，有利于形成柱狀流，管表面的水膜厚度更小，而扭曲管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)也更高。還有研究人員模擬了橢圓管、扭曲管和彈形管的空氣流場(chǎng)，采取數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)彈形管的性能更加優(yōu)異，表現(xiàn)為氣流擾動(dòng)性最弱、氣流分布均勻，流動(dòng)阻力更小[2]。

2.2 板式蒸發(fā)式冷凝器

板式換熱器其作為板式蒸發(fā)冷凝器的核心部件，當(dāng)前主要的研究集中于新型板。有研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)板內(nèi)的流動(dòng)流體建模并優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以讓流體均勻性提升。還有人員對(duì)鼓包板片蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)性良好，最佳條件為焊點(diǎn)直徑4～5 cm、溫度達(dá)到164 ℃。此外，有研究發(fā)現(xiàn)借助數(shù)值模擬凹凸板蒸發(fā)式冷凝器空氣—水側(cè)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)理論。

隨著研究的深入，目前已將蒸發(fā)式冷凝器用于諸多領(lǐng)域，具體如下：憑借蒸發(fā)式冷凝器空調(diào)耗水量降低的優(yōu)勢(shì)，適宜在缺水地區(qū)中使用；適宜在常年運(yùn)行的地鐵、電力、電子、醫(yī)療化工等工業(yè)企業(yè)當(dāng)中能夠發(fā)揮出顯著作用；可以用于無(wú)條件設(shè)置機(jī)房的場(chǎng)所。

3 蒸發(fā)式冷凝空調(diào)與常規(guī)水冷空調(diào)、風(fēng)冷空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

風(fēng)冷空調(diào)來(lái)優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱兼用，能夠省去鍋爐采暖的環(huán)節(jié)，并且無(wú)需冷卻水，適宜在缺水地區(qū)使用。風(fēng)冷空調(diào)還可以放置在室外環(huán)境當(dāng)中，無(wú)需建造專用空調(diào)機(jī)房。不過(guò)風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)也存在著缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，空氣側(cè)傳熱系數(shù)偏低，并且機(jī)組和盤管的體積較大；空氣密度以及比熱容小、溫升大、冷凝溫度高，能效比偏低；機(jī)組容易受外部氣溫影響，在高溫季節(jié)運(yùn)行過(guò)程中可靠性不足[3]。

3.2 水冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

水冷空調(diào)優(yōu)勢(shì)在于冷凝器的結(jié)構(gòu)緊湊、占用體積小、散熱性能高。不足之處在于需要建造專用機(jī)房。與此同時(shí)，需要配置冷卻水泵、冷卻塔以及閥門管道，整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要投入較多資金。此外，冷卻水的升溫過(guò)程中，冷凝制冷劑蒸汽所需冷卻水量較大，還存在著冷卻水泵的能耗偏高問(wèn)題[4]。

3.3 全新蒸發(fā)冷凝式空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

全新蒸發(fā)冷凝式空調(diào)優(yōu)勢(shì)在于采取一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需設(shè)置專用機(jī)房。在蒸發(fā)式冷凝器技術(shù)下冷凝溫度比水冷可直接降4～5 ℃，機(jī)組制冷能效高，并且機(jī)組的制冷效果好，能效比可達(dá)5.7。有研究發(fā)現(xiàn)，1 kg 冷卻水可帶走4.6～6.9 W 熱量，而1 kg 水蒸發(fā)（在常壓下）可帶走676 W 熱量，因而，對(duì)于蒸發(fā)式冷凝器來(lái)講，耗水量整體偏低，理論耗水量約僅為一般水冷式冷凝器的1%。

4 蒸發(fā)式冷凝器中的節(jié)能效果

以某電子廠的車間降溫空調(diào)為例，其中非潔凈室廠區(qū)面積14 000 m2，按照200 W/M2 的冷負(fù)荷估算，總冷負(fù)荷2 800 kW，主機(jī)冷量參數(shù)按照0.8 系數(shù)取值，得出所需主機(jī)總冷負(fù)荷2 240 kW 設(shè)計(jì)2 臺(tái)主機(jī)，平均單臺(tái)制冷負(fù)荷1 120 kW。采用水冷螺桿機(jī)組、風(fēng)冷模塊機(jī)組和蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組，計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用和設(shè)備初期投入，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 水冷螺桿機(jī)組、風(fēng)冷模塊機(jī)組和蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用和設(shè)備初期投入?yún)?shù)

經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，采用蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組制冷最節(jié)能，其次是水冷螺桿機(jī)組，最后是風(fēng)冷模塊機(jī)組。采用蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組比一般螺桿機(jī)組系統(tǒng)初期投入多（149-124=25 萬(wàn)元），而每年運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用30.3 萬(wàn)元，也就是說(shuō)采用蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組設(shè)備比一般水冷螺桿機(jī)組多出的初期投入在不到1 年時(shí)間內(nèi)就能收回，后期再使用節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用可以帶來(lái)更大效益[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中，由于對(duì)資源和能源的不合理利用導(dǎo)致出現(xiàn)能源危機(jī)，并且還面臨著水資源短缺的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)積極推動(dòng)節(jié)能減排工程，制冷空調(diào)領(lǐng)域也在加強(qiáng)技術(shù)研究，積極利用新工藝新技術(shù)，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，制冷空調(diào)系統(tǒng)中采用蒸發(fā)式冷凝器不僅具有更加顯著的節(jié)水和節(jié)能效果，還具有系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低和節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)，將蒸發(fā)式冷凝技術(shù)其用于空調(diào)系統(tǒng)中的推動(dòng)有利于節(jié)能減排，促進(jìn)社會(huì)的健康發(fā)展。