蒸發式冷凝器單位傳熱面積最佳風量水量配比研究

申江 路坤侖 劉麗 張聰

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

蒸發式冷凝器單位傳熱面積最佳風量水量配比研究

申江 路坤侖 劉麗 張聰

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

利用自主設計的順流式橢圓管型蒸發式冷凝器性能實驗臺，研究風量和水量對其傳熱傳質性能的影響。通過改變迎面風速和噴淋密度的大小，得出單位傳熱面積最佳風量水量配比值為299.9 m3/(h·m2)、0.63 kg/(h·m2)；相對應的最佳迎面風速和噴淋密度分別是3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)；測得干工況運行傳熱系數為正常工況的1/10，充分證明蒸發式冷凝器主要利用潛熱帶走熱量；并指出在設計過程中，要綜合考慮整個系統的性能，保證EER達到最佳值。

蒸發式冷凝器；風量；水量；傳熱傳質

國外對蒸發式冷凝器的研究比較早，目前在一些西方發達國家蒸發式冷凝器已得到了普遍應用。隨著20世紀80年代以來國內對蒸發式冷凝器的研究，蒸發冷卻技術在我國也得到了一定的發展，其應用遍布各個領域，主要包括工業、農業和公共建筑等[1]。20世紀60年代，Parker和Mizusbina等[2－3]開展了對蒸發式冷凝器傳熱傳質性能的研究，系統地闡述了蒸發式冷凝器的傳熱傳質機制，并通過實驗擬合了水膜傳熱系數αw的經驗關聯式，建立了蒸發式冷凝器的傳熱傳質數學模型。近幾年，朱冬生等[4－8]對蒸發式冷凝器的研究比較多，通過實驗分析了風速和噴淋密度對蒸發式冷凝器傳熱傳質的影響。

2001年，Manske總結了蒸發冷卻技術在工業應用中的成果，指出濕球溫度、冷凝溫度、風量及水量控制是影響蒸發冷卻效果的最關鍵因素[9]。蒸發式冷凝器一般采用蛇形盤管，管內為制冷劑，管外為水流的薄膜和空氣，汽、液界面處同時還存在傳質過程，這就決定了其傳熱特性十分復雜。Hasan對橢圓管和圓管進行了實驗研究，表明橢圓管的傳熱與流阻性能是圓管的1.93～1.96倍[10]。大量研究結果表明，管外液膜及其汽、液界面為過程控制熱阻之一，薄液膜的流動形態、更新速率及分布情況將對整個傳熱性能起重要的作用[11]。文中抓住風量和水量兩個關鍵因素，研究對順流式橢圓管型蒸發式冷凝器傳熱傳質性能的影響。

1 實驗裝置與方法

實驗裝置是一個單級壓縮流態隧道速凍機系統，充注制冷劑R404A，冷凝器為蒸發式冷凝器實驗臺。系統管路中安裝科氏質量流量計和殼管式換熱器，用來測量制冷劑的流量；實驗臺為自主設計的順流式橢圓管型蒸發式冷凝器，水泵和風機變頻可調；噴淋水管安裝玻璃轉子流量計測量水量，進風口上方均勻布置風速探頭，取平均風速計算風量；盤管表面合理布置T型熱電偶，并外層充分包裹保溫材料；為保證庫內蒸發溫度恒定，采用開關庫門，增減凍品及調節電磁閥開度三種方法控制。

在蒸發式冷凝器中，進口處的制冷劑為過熱蒸氣，隨著和管外水膜的熱交換很快變化為飽和蒸氣，氣液共存，而后又變為飽和制冷劑液體，換熱不斷變化。由實驗研究表明，過熱區的換熱量很小，約為5%～7%，故在本課題在研究中近似認為冷凝的整個過程為飽和狀態，制冷劑的溫度為冷凝溫度[12]。

實驗所用多點溫度數據采集器(日本橫河儀器有限公司)、多通道風速溫濕度測試儀(日本KANOMAX株式會社)、科氏質量流量計(上海中隆儀器有限公司)、變頻器(丹佛斯自動控制有限公司)精度均符合測試要求。

實驗用蒸發式冷凝器外形結構尺寸:1800 mm× 1127 mm×2202 mm(長×寬×高)，其主要包括換熱盤管系統、循環水系統和通風系統三大部分。換熱盤管管材采用304不銹鋼管，橢圓管型，外表面鍍鋅，成正三角形排列，管間距橫向50 mm，縱向48 mm，管外徑25 mm，管排數10，總面積為22.6 m2。

實驗環境:室外干球溫度16℃，濕度60%。對實驗臺進行干工況、定風量變水量及定水量變風量三種運行方式測試。

2 實驗結果與討論

對實驗數據篩選分析，水量固定在8.8 m3/h，11.6 m3/h和14.2 m3/h，對應噴淋密度分別為0.034 kg/(m·s)，0.046 kg/(m·s)和0.057 kg/(m·s)，能夠較好的反映變化規律，從小到大改變風機頻率，即改變風量(或迎面風速)；同樣把風量固定在6075 m3/ h，6778 m3/h和7154 m3/h，對應迎面風速分別為2.94 m/s，3.28m/s和3.46 m/s，從小到大改變水泵頻率，即改變水量(或噴淋密度)。

2.1 迎面風速對性能參數的影響

迎面風速是一個非常重要的影響因素，由迎風面積和風量確定，迎風風速給定時，單位換熱面積風量是一定的。為了更直觀反映冷凝器所需的風量，利用換算公式gD＝GD/A換算為單位換熱量的風量，其中GD為總風量，A為總換熱面積。

圖1和圖2分別給出了總傳熱系數及水膜傳熱系數隨迎面風速的變化情況。從圖1可以看出，總傳熱系數K隨著風速的增大，開始時快速增大，而后有所減緩，當風速為3.28 m/s時升至最大，當到達峰值后，趨于恒定。K值變化范圍為251～596 W/(m2· K)。分析其原因:開始時水膜和空氣熱質交換的劇烈程度隨著風速增大而增大，傳熱傳質效果隨之增強；風速到達一定范圍后，熱濕交換劇烈程度最優，傳熱系數增大減緩；迎面風速繼續增大，空氣與管外水膜蒸汽接觸時間變短，反而減小了熱濕交換程度，從而K值不會隨著風速的增大而持續增大。由于風速和接觸時間的兩者的矛盾性，導致存在最佳迎面風速。3.28 m/s為本實驗臺最佳迎面風速，換算成最佳單位傳熱面積風量gD為299.9 m3/(h·m2)。

圖1總傳熱系數與迎面風速的關系Fig.1 The relationship between overall heat transfer coefficient and face velocity

圖2 中水膜傳熱系數受迎面風速的影響不大，迎面風速較小時，熱質交換程度不高，導致其開始時隨風速的增大而有所下降。從圖中可以看出噴淋密度對其影響較大。本實驗中αw的變化范圍是1724～1995 W/(m2·K)。

圖2水膜傳熱系數與迎面風速的關系Fig.2 The relationship between coefficient of water film heat transfer and face velocity

圖3 中能效比EER隨風速的增大而增大，與總傳熱系數隨風速變化的趨勢一樣，先快速升高，而后變緩。不同的是在達到最佳風速后，EER的值隨風速的增大而變小，其原因是:在未達到最大值前，冷凝器的傳熱性能帶來的收益占主導地位，而風速繼續增大，風機的功率也隨之增大，導致耗電量升高，使得整個系統的性能降低。設計者在設計中不能只關注冷凝器的性能，還要綜合考慮整個系統的性能。

圖4和圖5為空氣對流傳熱系數及傳質系數隨迎面風速的變化情況，空氣對流傳熱系數αwa和空氣對流傳質系數αm均隨著風速的增大而增大，迎面風速增大不僅促進水膜-空氣界面的傳熱，還可以增強界面的傳質?？諝鈱α鱾鳠嵯禂抵饕芸諝饬髁康挠绊?。

圖3 能效比EER與迎面風速的關系Fig.3 The relationship between EER and face velocity

圖4 空氣對流傳熱系數與迎面風速的關系Fig.4 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and face velocity

綜上可知，迎面風速對總傳熱系數K，熱流密度q，制冷量Qo，空氣對流傳熱系數αwa，空氣對流傳質系數αm和能效比EER的影響較大，而對水膜傳熱系數αw影響較小。本實驗臺的存在最佳迎面風速為3.28 m/s，對應的最佳單位傳熱面積風量gD為299.9 m3/(h·m2)。

2.2 噴淋密度對系統性能參數的影響

另一個影響蒸發式冷凝器傳熱傳質性能的重要因素是噴淋密度。同樣換算為單位換熱面積的水量gw，公式為gw＝Gw/A，其中Gw為總水量，A為總換熱面積。

圖5空氣對流傳質系數與迎面風速的關系Fig.5 The relationship between coefficient of air to circulate heat transfer and face velocity

圖6 給出了總傳熱系數K隨噴淋密度的變化情況。由圖可知，在實驗所選噴淋密度下，K范圍為318～680 W/(m2·K)，隨著噴淋密度Г的增大而增大。Г＝0.057 kg/(m·s)時出現峰值，而后有所降低。主要由于開始時，噴淋密度的增大改善了冷凝盤管表面的布水效果，有效促進了水分在盤管外壁面的吸熱蒸發，傳熱效果增強。隨著噴淋密度的繼續增大，外壁面附著的水分越來越多，水膜厚度增大，水膜熱阻也逐漸增大，水膜熱阻逐漸占主導地位，又阻礙了表面熱交換的進行，水膜的換熱效果降低，制冷效果變差。制冷量Qo、熱流密度q和能效比EER變化趨勢與K值保持一致，唯一區別在于EER在經過最高點后下降趨勢比K下降快，說明增大水量帶來的換熱效益低于水泵的功耗，得不償失。設計時應綜合考慮整個系統的性能。0.057 kg/(m·s)為本實驗臺最佳噴淋密度，最佳單位換熱面積水量0.63 kg/(h· m2)。

圖7中管外水膜傳熱系數隨噴淋密度的增大而不斷增大，在實驗所選噴淋密度范圍內，水膜傳熱系數的范圍為1701～2100 W/(m2·K)。隨噴淋密度的增大，α增大的趨勢稍微有所減弱，主要原因是水膜傳熱系數受噴淋密度和循環水溫的雙重影響。噴淋密度的增大，熱濕交換劇烈程度增強，而水溫趨于恒定，對水膜傳熱系數的影響也變弱，α逐漸由水溫和噴淋密度共同影響慢慢變成僅有噴淋密度的影響，故增大趨勢有所減弱。當u＝2.94 m/s，3.28 m/s和3.46 m/s時，水膜傳熱系數的曲線幾乎重合，再次說明了迎面風速對水膜傳熱系數的影響不大。

圖8給出空氣對流傳熱系數隨噴淋密度的變化情況，從圖可以看出，隨噴淋密度變化的不大。噴淋密度范圍為0.038～0.068 kg/(m·s)時，空氣對流傳熱系數的值很穩定，基本保持不變?？諝鈱α鱾髻|系數與之類似。對流傳熱主要受風量的影響。

圖6 總傳熱系數與噴淋密度的關系Fig.6 The relationship between overall heat transfer coefficient and sprinkle density

圖7 水膜傳熱系數與噴淋密度的關系Fig.7 The relationship between coefficient of water film heat transfer and sprinkle density

圖8 空氣對流傳熱系數與噴淋密度的關系Fig.8 The relationship between coefficient of air convection heat transfer and sprinkle density

綜上可知，對于結構確定的蒸發式冷凝器有最佳的噴淋密度，雖然噴淋密度對空氣對流傳熱傳質影響不大，但對制冷效率、總傳熱系數K、制冷量Qo、熱流密度q、水膜傳熱系數α的影響較大，在噴淋密度為0.057 kg/(m·s)時會出現峰值，即最佳噴淋密度為0.057 kg/(m·s)。這充分說明噴淋密度是影響蒸發式冷凝器的一個十分重要因素，要想優化蒸發式冷凝器的傳熱性能，就要使蒸發式冷凝器達到最佳的噴淋效果。

2.3 干工況運行情況下性能參數分析

只開啟蒸發式冷凝器的風機，進行干工況測試，此時相當于一個風冷式冷凝器。熱流密度q和總傳熱系數K都隨著風速的增大而升高，變化范圍分別是1.64～1.71 kW/m2和39.79～46.57 W/(m2·K)?？梢钥闯鲈龃箫L速能夠提高換熱性能。而其性能大約為全工況運行的1/10左右，這充分說明利用水的潛熱換熱的蒸發式冷凝器比風冷式冷凝器換熱效果好。

而研究EER與迎面風速的關系時發現，能效比EER隨風速的增大而增大，到達峰值后，開始下降，風速的增大反而降低了整個系統的性能。主要是隨著在K值增大的過程中，風機功率也增大，K值增大帶來的收益低于風機帶來的能耗，故風速不是越大越好。再次說明設計過程中，不能一味的追求傳熱性能，更要綜合考慮整體的性能。

3 結論

1)對于結構給定的蒸發式冷凝器單位傳熱面積存在最佳風量和水量。本實驗臺所在測試條件下的最佳單位傳熱面積風量和水量為299.9 m3/(h·m2) 和0.63 kg/(h·m2)，對應的迎面風速和最佳噴淋密度分別為3.28 m/s和0.057 kg/(m·s)，對蒸發式冷凝器的開發和設計有一定的指導意義。

2)對比干工況和正常工況，前者的總傳熱系數約為后者的1/10，證明利用蒸發潛熱降溫具有較高的傳熱效率。

3)設計過程中不僅考慮蒸發式冷凝器的傳熱性能，而且要考慮整個系統的性能，使 EER達到最佳值。

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Research on Optimal Ratio of Air Volume to Water Mass Flowrate for Evaporative Condenser

Shen Jiang Lu Kunlun Liu Li Zhang Cong

(Refrigeration Key Laboratory of Tianjin，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

The influence of air volume to water mass flowrate ratio on heat and mass transfer was investigated in the test bench designed by the authors with oval tube evaporative condenser of parallel flow.Through research on the change of wind speed and spray density，it is found that the optimum air volume and water mass flowrate per unit heat transfer area to are 299.9 m3/(h·m2)and 0.63 kg/(h·m2) respectively，and the best face velocity of air and spraying density are 3.28 m/s and 0.057 kg/(m·s)respectively.The heat transfer coefficient measured at dry condition is only 1/10 of the normal working condition，which fully proves that the heat is mainly taken away by the latent in evaporative condenser.It is also pointed out that the performance of the whole system should be comprehensively considered in the process of design to ensure the best EER of the system.

evaporative condensers；air volume；the amount of water；heat and mass transfer

TQ051.5；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0044－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.044

申江，男(1960－)，教授，天津商業大學機械工程學院院長，天津市天津商業大學機械工程學院制冷系，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu.edu.cn。研究方向:食品冷鏈技術，制冷系統優化及節能技術等。

2013年10月17日

About the author

Shen Jiang(1960－)，male，professor，dean of Mechanical Engineering School，Tianjin University of Commerce，Dept of Refrigeration Technology，(022)26669745，E-mail:shenjiang＠tjcu. edu.cn.Research fields:food cold chain technology，optimization and conservation technology of refrigeration systems.