蒸發(fā)式冷凝器噴淋區(qū)循環(huán)水溫度分布特征

吳娜 周亞素 張恒欽

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司

0 引言

冷凝器，節(jié)流閥，蒸發(fā)器及壓縮機(jī)作為常規(guī)制冷系統(tǒng)的四大基本組件，其中冷凝器性能是評價整體制冷系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。不論在空調(diào)冷藏還是在生產(chǎn)工藝中，冷凝器都是非常重要的熱交換設(shè)備。冷凝器按其冷卻介質(zhì)和冷卻方式不同可分為風(fēng)冷冷凝器，水冷冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器。與水冷式冷凝器和風(fēng)冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

蒸發(fā)式冷凝器與水冷冷凝器和風(fēng)冷冷凝器主要的區(qū)別在于換熱過程中潛熱換熱占主要作用，有研究表明相對于風(fēng)冷或水冷凝式系統(tǒng)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)可節(jié)能11%～70%[3-4]。換熱盤管作為蒸發(fā)式冷凝器最重要的部分，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了很多的研究，申江[5]等人利用實(shí)驗證明了蒸發(fā)式冷凝器靠潛熱帶走熱量時具有更高的換熱效率。王少為[6]、蔣翔[7]等人建立蒸發(fā)式冷凝器試驗臺研究風(fēng)量水量等相關(guān)參數(shù)對蒸發(fā)式冷凝器性能的影響，探究影響因素的最佳范圍值。

綜上可知，蒸發(fā)式冷凝器中風(fēng)量、水量對其性能影響意義重大，循環(huán)水作為制冷劑將熱量傳遞到空氣流的中間介質(zhì)，它的溫度變化特征也需要進(jìn)一步的探究?；谧孕性O(shè)計搭建的蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)試驗臺，本文擬研究分析在不同的風(fēng)量和水量下，蒸發(fā)式冷凝器噴淋區(qū)的循環(huán)水溫度分布特征，進(jìn)一步豐富噴淋區(qū)研究體系，為以后研究提供條件。

1 實(shí)驗裝置簡介

制冷系統(tǒng)試驗臺包括蒸發(fā)式冷凝器，節(jié)流閥，板式蒸發(fā)器，壓縮機(jī)以及一些輔助設(shè)備等。蒸發(fā)式冷凝器主要由換熱部分，水系統(tǒng)，風(fēng)系統(tǒng)三部分組成，換熱部分包括換熱盤管以及填料，填料作用是冷卻循環(huán)水。噴淋水系統(tǒng)包括集水池、循環(huán)水泵以及噴嘴。風(fēng)系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)機(jī)。圖1 為蒸發(fā)式冷凝器示意圖：

圖1 蒸發(fā)式冷凝器示意圖

蒸發(fā)式冷凝器的工作原理：來自壓縮機(jī)的高溫高壓制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器換熱盤管系統(tǒng)，循環(huán)水泵從集水池抽水送到盤管上方的噴淋系統(tǒng)，循環(huán)水由噴嘴噴淋到填料表面進(jìn)行冷卻，而后落到盤管上形成水膜，管內(nèi)制冷劑冷凝將熱量傳遞到水膜，水膜與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，風(fēng)機(jī)運(yùn)作，空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動下流過盤管，將熱量帶出蒸發(fā)式冷凝器，而未蒸發(fā)的噴淋水落入集水池，進(jìn)入下一次循環(huán)。由工作原理可知噴淋區(qū)包括循環(huán)水從填料區(qū)到換熱盤管區(qū)再到集水池整個區(qū)域。

蒸發(fā)式冷凝器中最重要的部分為換熱盤管，實(shí)驗中換熱盤管參數(shù)見表1：

表1 換熱盤管參數(shù)

實(shí)驗測試參數(shù)及儀器見表2：

表2 測量參數(shù)及儀器

實(shí)驗分析前引入兩個相關(guān)概念，迎面風(fēng)速和噴淋密度。迎面風(fēng)速u指單位橫截?fù)Q熱面積內(nèi)通過的風(fēng)量，單位為m/s。與風(fēng)量Gf關(guān)系式如下[8]：

式中：Vf為風(fēng)量，m3/h；Sf為進(jìn)風(fēng)口處截面積，m2。

噴淋密度Γ指單側(cè)傳熱管單位管長內(nèi)的噴淋循環(huán)水流量，單位為kg/(m·s)。叉排管噴淋密度Γ與噴淋水量Gw關(guān)系式如下[8]：

式中：Gw為水量，kg/s；nt為每排管數(shù)；L則為每根管長度，m。

實(shí)驗風(fēng)速選取范圍為：1.48～2.91 m/s，噴淋密度選取范圍為：0.02203～0.03452 kg/(m·s)，空氣干球溫度25℃，濕球溫度為19.6℃，循環(huán)水補(bǔ)水溫度為21℃左右。探究不同風(fēng)速以及不同噴淋密度的情況下，循環(huán)水在噴淋區(qū)的溫度分布。

2 循環(huán)水溫度動態(tài)變化特征

蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行工況分別為迎面風(fēng)速u為2.22 m/s、噴淋密度Γ為0.02803 kg/(m·s)和迎面風(fēng)速u為1.48 m/s、噴淋密度Γ為0.02203 kg/(m·s)時。觀察循環(huán)水落到水池后水池內(nèi)水溫隨時間變化過程，如圖2 所示。

圖2 循環(huán)噴淋水隨時間的變化

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，兩個工況運(yùn)行時循環(huán)水溫度均會先隨時間變化，然后在15 分鐘左右穩(wěn)定，迎面風(fēng)速u為1.48 m/s、噴淋密度 Γ 為0.02203 kg/(m·s)的工況循環(huán)水溫最終穩(wěn)定在26.3℃左右。迎面風(fēng)速u為2.22 m/s、噴淋密度Γ為0.02803 kg/(m·s)的工況循環(huán)水溫最終穩(wěn)定在23.8℃左右。分析原因，迎面風(fēng)速小噴淋密度小時，流過的空氣帶不走管內(nèi)工質(zhì)傳給水膜的熱量，導(dǎo)致循環(huán)水中的熱量累積，溫度升高。當(dāng)迎面風(fēng)速和噴淋密度都增加時，空氣與水膜的接觸面積增加，流過的空氣可以帶走水膜中大部分的吸熱量。所以結(jié)論是循環(huán)水溫度經(jīng)過一段時間，最終會達(dá)到一個溫度平衡點(diǎn)，穩(wěn)定溫度值隨工況的不同有所變化。

3 迎面風(fēng)速對循環(huán)水溫的影響

蒸發(fā)式冷凝器管內(nèi)工質(zhì)的冷凝熱量主要靠空氣帶走，所以空氣流量對換熱盤管的換熱性能十分重要，實(shí)驗通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率改變迎面風(fēng)速。剛運(yùn)行時循環(huán)水溫度會隨時間變化，經(jīng)過一定時間后循環(huán)水溫度基本穩(wěn)定，此時水池里穩(wěn)定的水溫隨風(fēng)速的變化如圖3 所示。圖中為蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行工況將噴淋密度分別調(diào)節(jié)為0.02203 kg/(m·s)，0.02803 kg/(m·s)，0.03452 kg/(m·s)。

圖3 循環(huán)噴淋水隨風(fēng)速的變化

如圖3，觀察實(shí)驗數(shù)據(jù)可知循環(huán)水的溫度隨著迎面風(fēng)速的增加逐漸降低。這是由于迎面風(fēng)速的增加，管外空氣更新加快，帶走更多熱量，管外熱質(zhì)交換加劇，循環(huán)水溫度降低。同時發(fā)現(xiàn)迎面風(fēng)速在增加到一定量之后循環(huán)水溫度的降低趨勢在減小，這是因為空氣和水的熱質(zhì)交換趨近飽和，迎面風(fēng)速的增加對循環(huán)水溫度影響變小。同時可以發(fā)現(xiàn)，迎面風(fēng)速一定時，實(shí)驗范圍內(nèi)噴淋密度越大，循環(huán)水溫度越低。

4 循環(huán)水溫度縱向分布特征分析

由以上分析可得循環(huán)水的溫度總會穩(wěn)定在某一數(shù)值且與迎面風(fēng)速和噴淋密度有關(guān)，在此基礎(chǔ)之上分析循環(huán)水在噴淋區(qū)沿高度方向上的溫度分布。為測試水膜溫度，在填料區(qū)上下各布置1 個熱電偶，換熱盤管區(qū)共8 排盤管，每排布置1 個熱電偶，集水池內(nèi)布置1 個熱電偶。圖4～9 為固定噴淋密度為0.02203 kg/(m·s)，0.02803 kg/(m·s)，0.03452 kg/(m·s)時，通過改變風(fēng)機(jī)頻率得到的不同迎面風(fēng)速情況下循環(huán)水溫度縱向分布圖。

如圖4 和圖5，分別給出了風(fēng)速為1.48 m/s 和1.75m/s 時噴淋區(qū)由上到下循環(huán)水溫度的分布情況，從圖中可發(fā)現(xiàn)在換熱盤管第五排（測點(diǎn)7）處存在循環(huán)水溫度峰值，這是由于空氣從下部風(fēng)口到達(dá)此處時相對濕度增高，焓值增大，水膜表面水分難以蒸發(fā)，空氣帶不走熱量，潛熱換熱效果變差。而循環(huán)水從填料中落下經(jīng)過四排盤管到達(dá)此處時，循環(huán)水溫度增加，與管內(nèi)制冷劑溫差減小，顯熱換熱效果變差，因此循環(huán)水溫度峰值點(diǎn)即為換熱效果最差點(diǎn)。盤管部分循環(huán)水溫度峰值點(diǎn)縱向往上以顯熱換熱為主，往下以潛熱換熱為主。

圖4 迎面風(fēng)速為1.48 m/s 時水膜溫度分布

圖5 迎面風(fēng)速為1.75 m/s 時水膜溫度分布

圖6～8 為迎面風(fēng)速增加為2.02 m/s、2.22 m/s、2.47 m/s 時的循環(huán)水溫度縱向分布圖。觀察圖6～8，發(fā)現(xiàn)隨著迎面風(fēng)速的增加，循環(huán)水溫度峰值由盤管第五排（測點(diǎn)7）漸漸變?yōu)榈谌牛y點(diǎn)5）。

圖6 迎面風(fēng)速為2.02 m/s 時水膜溫度分布

圖7 迎面風(fēng)速為2.22 m/s 時水膜溫度分布

圖8 迎面風(fēng)速為2.47 m/s 時水膜溫度分布

從圖9～10 可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水溫度峰值穩(wěn)定在了盤管第三排。換熱盤管區(qū)潛熱換熱部分占比增加，顯熱換熱部分占比降低。

圖9 迎面風(fēng)速為2.65 m/s 時水膜溫度分布

圖10 迎面風(fēng)速為2.91 m/s 時水膜溫度分布

綜上可知，盤管部分的換熱由兩種方式組成，分別是水膜和管內(nèi)工質(zhì)的溫差顯熱換熱以及水膜表面的蒸發(fā)潛熱換熱。循環(huán)水溫度在噴淋區(qū)沿高度方向從上到下的整體趨勢是循環(huán)水先經(jīng)過填料進(jìn)行一定降溫冷卻，從填料落下后在接觸到盤管時溫度上升，上升到一個峰值后慢慢下降，并且隨著風(fēng)量一步步增加，循環(huán)水溫度曲線中的峰值溫度由盤管第五排（測點(diǎn)7）上移到第三排（測點(diǎn)5），這是因為風(fēng)量較小時，空氣由下至上從風(fēng)口上升到盤管第五排（測點(diǎn)7）時，相對濕度很高，水膜邊界層內(nèi)水蒸氣分壓力和主體空氣的水蒸氣分壓力存在差異很小，水分蒸發(fā)效果較差，盤管部分整體換熱大部分由管內(nèi)制冷劑和水膜的溫差推動，即以顯熱換熱為主。風(fēng)量增加后，空氣的更新速度加快，空氣在掠過盤管時相對濕度可以維持在較低的水平，水膜與空氣的質(zhì)量交換過程得到強(qiáng)化，蒸發(fā)散熱效果變好，同時風(fēng)速的增加加劇水膜表面的湍流程度，增強(qiáng)水膜和空氣的對流換熱，此時整體換熱由焓差推動，即以潛熱換熱為主。所以循環(huán)溫度峰值的上移是因為風(fēng)量的增加使?jié)摕釗Q熱量占總換熱量的比例增加，顯熱換熱量占比降低，蒸發(fā)式冷凝器整體換熱效率提高。

5 總結(jié)

通過本實(shí)驗研究分析可得以下結(jié)論：隨著風(fēng)量的增加，集水池內(nèi)循環(huán)水溫度逐步降低，且降低幅度會逐漸減小。在固定風(fēng)量水量工況下，循環(huán)水溫度最終會穩(wěn)定在某一溫度值。噴淋區(qū)縱向循環(huán)水溫度分布中存在峰值，且隨著風(fēng)量的增加，峰值位置上移，換熱區(qū)域的潛熱換熱量占比增加、顯熱換熱量占比減小，蒸發(fā)式冷凝器換熱效率提高。