蒸發(fā)式冷凝器的研究進(jìn)展及應(yīng)用

王定標(biāo) 萬方方

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(guó)節(jié)能減排等各項(xiàng)政策的頒布實(shí)施，蒸發(fā)式冷凝器強(qiáng)化傳熱研究已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。國(guó)外對(duì)其研究較早，產(chǎn)生了廣泛的理論成果，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究始于20世紀(jì)80年代，也取得了極大的進(jìn)展[1]。

1 蒸發(fā)式冷凝器的理論研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究狀況

國(guó)外方面Mizushina et al測(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cuò)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(duì)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(jì)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(duì)比，指出結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)相當(dāng)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(xué)分析模型。提出對(duì)傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行修正作為進(jìn)口空氣濕球溫度的函數(shù)來改進(jìn)蒸發(fā)式冷卻器計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(xiàn)得出的關(guān)聯(lián)式計(jì)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(duì)蒸發(fā)式冷凝器的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)和風(fēng)冷式冷凝器進(jìn)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(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)光管和翅片套管蒸發(fā)式冷卻器的傳熱性能進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)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(xué)性能數(shù)學(xué)模型[2]。Pascal Stabat給出了間接蒸發(fā)冷卻塔工況的簡(jiǎn)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(píng)價(jià)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(yùn)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(xué)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(xué)模型來開展復(fù)雜設(shè)計(jì)和等級(jí)分析并運(yùn)用第一和第二熱力學(xué)定律給出了逆流濕式冷卻塔和蒸發(fā)式換熱器的熱力學(xué)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(jìn)行對(duì)比分析來預(yù)測(cè)蒸發(fā)式冷凝器的性能，研究顯示擁有擴(kuò)展預(yù)測(cè)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)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(duì)數(shù)平均焓差，并加以修正，適于工程設(shè)計(jì)使用并指出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)近似[4]。蔣常建,徐斌,楊強(qiáng)生根據(jù)無量綱的法編制了通用的計(jì)算機(jī)程序,對(duì)橫流式蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了深入的熱力計(jì)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(jī)組的小型氟利昂蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)方法[6]。郝亮，闞杰，袁秀玲采用分布參數(shù)法對(duì)蒸發(fā)式冷凝器建立了數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。唐偉杰,張旭建立了帶有預(yù)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(dá)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(xué)模型和設(shè)計(jì)計(jì)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(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸并將實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較，表明實(shí)驗(yàn)得出的管外水膜傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式具有較好的一致性。張建一，秘文濤通過計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)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(dá),王曉建立翅片蒸發(fā)冷凝器局部穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用ansys/cfx進(jìn)行數(shù)值模擬,直觀的表示出有無翅片對(duì)于蒸發(fā)冷凝器各熱力學(xué)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(yùn)用Fluent軟件對(duì)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(qiáng)制對(duì)流空氣進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明流線形設(shè)計(jì)的彈形管傳熱效率高,而且流動(dòng)阻力小。另外建立了波紋板蒸發(fā)式冷凝器的計(jì)算模型，考察了氣相，板面結(jié)構(gòu)和噴淋水量對(duì)液膜流動(dòng)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(guó)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(guó)的BAC公司和EVAPCO等公司，其產(chǎn)品型式各有特點(diǎn)。國(guó)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(zhǎng)，但由于蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)過程復(fù)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(yàn)，使得蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)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(guó)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(shí)驗(yàn)研究階段，同時(shí)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(duì)策

蒸發(fā)式冷凝器在運(yùn)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(duì)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生或多或少的影響，因此對(duì)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(huì)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(duì)管束壽命產(chǎn)生極大影響。解決方法為通過化學(xué)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(shí)應(yīng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)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(huì)對(duì)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(jìn)行防腐表面涂層處理等。水量和風(fēng)量的合理分配問題。水量和風(fēng)量的合理分布對(duì)蒸發(fā)式冷凝器具有十分重要的影響，水量過大會(huì)造成水膜厚度較大，對(duì)局部換熱造成影響。同時(shí)犧牲了水泵的功率，加大了耗電量和耗水量。另外一方面，風(fēng)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(fēng)量會(huì)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(shí)加大了風(fēng)機(jī)了電耗量，因此應(yīng)合理的分配水量和風(fēng)量，使得流場(chǎng)換熱充分，保持較高的換熱效率。運(yùn)行過程中噪聲問題。蒸發(fā)冷運(yùn)行過程中噪音來源為風(fēng)機(jī)和水泵的噪音以及箱體噪音，同時(shí)有少量的水滴下降形成的噪音，其中，風(fēng)機(jī)噪音占絕大部分，降低風(fēng)機(jī)噪音的方法包括研究風(fēng)機(jī)類型并對(duì)軸流葉片進(jìn)行改進(jìn)，選用較寬葉片或采用排風(fēng)消聲器。當(dāng)對(duì)噪音要求較高時(shí)箱體噪音的消除可采用吸聲材料。對(duì)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(huì)的共識(shí)，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(shì)頭，可在我國(guó)西北等缺水地區(qū)廣泛應(yīng)用，且蒸發(fā)冷設(shè)備造價(jià)低，制造簡(jiǎn)單，初投資小，制冷效率高，經(jīng)濟(jì)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(duì)傳熱傳質(zhì)過程理論的研究以及制冷系統(tǒng)自動(dòng)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(zhǎng)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(jìn)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(jì)算的簡(jiǎn)化方法 [C].上海制冷學(xué)會(huì)一九八九年年會(huì)論文集,1989年.

[5]蔣常建,徐斌,楊強(qiáng)生.橫流式蒸發(fā)冷卻器的熱力分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì) [C].上海市制冷學(xué)會(huì)二○○三年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2003,142-145.