蒸發式冷凝器傳熱強化研究及應用現狀分析

李若蘭，彭　鵬

（1.浙江萬享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海萬享成套制冷設備有限公司，上海200070）

蒸發式冷凝器傳熱強化研究及應用現狀分析

李若蘭1，彭鵬2

（1.浙江萬享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海萬享成套制冷設備有限公司，上海200070）

介紹蒸發式冷凝器工程信息：結構形式，強化傳熱技術，強化傳熱效率；應用現狀；運行面臨的問題及應對方法；簡述蒸發式冷凝器的工作原理，分析強化傳熱機理。

蒸發式冷凝器；強化傳熱；管式；板式

0　引言

蒸汽壓縮式制冷循環冷凝過程所用的熱交換設備通稱冷凝器，類型：水冷式、風冷式、蒸發式。根據《2012年蒸發器、冷凝器行業調查報告》統計［1］，蒸發式冷凝器（以下簡稱蒸發冷）產品市場應用分布僅僅占4%，分布情況如圖1所示。目前國內采用率十分低下，但在北美應用普遍，據報道，張建一對北美62家冷庫制冷設備應用統計顯示，蒸發冷用量占81%，遠高于國內，具體分布如圖2所示［2］。

蒸發冷的優勢：首先用于帶走制冷劑冷凝熱的冷卻水量遠小于水冷式冷凝器，水冷式冷凝器中，冷卻水以自身溫度提高帶走的冷凝熱，冷卻水溫升范圍一般為2～6℃，則每公斤冷卻水可以帶走的冷凝熱量為8.4～25.2kJ；蒸發冷中冷卻水汽化蒸發帶走冷凝熱，大氣壓下水在35℃時汽化潛熱為2423kJ/kg，顯然后者冷卻水用量僅為前者的1%，實際過程考慮換熱過程對環境的漂水以及換熱器表面需要形成水膜等因素，后者冷卻水循環用量為前者的5%～10%，循環水量減少，系統運行水泵需求功率顯著下降，后者約為前者的25%［3］。其二，由于蒸發冷中冷卻水交換的顯熱很少，所以冷凝器的冷凝溫度趨近空氣的濕球溫度，實際運行檢測證明，比冷卻塔水冷式冷凝器系統低約3℃，冷凝溫度降低，意味著制冷系統的制冷量增加的同時減小壓縮機的功率消耗，制冷系統的經濟性得到提高。其三，傳熱效率提高，減少換熱器的面積，使得蒸發冷外形尺寸較小、方便運輸、安裝，占地減少，投資少。蒸發冷確是節能降耗的優良換熱設備。

圖1　2012年蒸發器、冷凝器運用分布

圖2　北美62家冷庫各類冷凝器使用分布

1　蒸發冷的工作過程與分類

1.1蒸發冷的組成

主要部分：換熱器、循環水系統、空氣流動強迫系統，輔助元器件為：除水器、電子水除垢儀、填料熱交換層外殼等。

1.2蒸發冷的工作過程

蒸發冷利用自然條件下空氣干濕球溫差使換熱器外部冷卻水汽化蒸發，質量傳遞的同時產生熱量傳遞：冷卻水膜通過管壁吸收制冷劑的冷凝熱，使之凝結成液態。

實質上，蒸發冷集合了水冷式冷凝器的冷凝過程和冷卻塔的水冷卻過程。各部分協同完成熱交換，工作過程：

換熱器：外部液膜通過換熱管壁吸收來自換熱器內部制冷劑蒸汽的凝結熱；

水循環系統：水泵將集水盤內冷卻水送到噴淋裝置，噴淋裝置將冷卻水噴灑在換熱器表面形成水膜，水膜蒸發帶走換熱器內部制冷劑傳出的熱量，未被蒸發的冷卻水落到下部集水盤內，完成冷卻水循環；

鼓風系統：風機強迫空氣經過入風口通過換熱器，促進水膜蒸發，并且冷卻未被蒸發的下落的冷卻水。見圖3所示。

圖3　蒸發冷的組成

1.3蒸發冷分類

按照換熱器機械結構分為管式和板片式。按照空氣被強迫流動的形態分成鼓風式和吸風式。按照換熱流體流動方式分成順流、逆流和混流。

2　蒸發冷結構型式

2.1管式蒸發冷

管式蒸發冷按照換熱管的裝配后的空間位置分類為：立管式和水平管式。

立管式蒸發冷的構造如圖4所示。換熱器由立式管束構成，管內熱蒸汽冷凝放熱成液體，管外為冷卻水膜和受迫流動的空氣進行傳熱傳質蒸發帶走冷凝熱。

水平管式蒸發式冷凝器內的換熱器的換熱管束呈水平狀態結構如圖3所示，管內熱蒸汽放熱冷凝成液體，管外水膜和受迫流動的氣流進行傳熱傳質蒸發帶走冷凝熱。

2.2板片式蒸發冷

板片式蒸發冷的換熱器由金屬板片制成的換熱單元構成。如圖5所示，兩片金屬板片組成經過焊接、塑性成型制成換熱單元，蒸汽在換熱單元流道內凝結放出冷凝熱，循環冷卻水吸收冷凝熱和受迫流動的空氣在換熱單元外部進行傳熱傳質帶走冷凝熱。金屬板片換熱單元形狀如圖6所示。金屬板片換熱單元構成的換熱器換熱效果優良，產品的熱流密度可達20kW/m2。

圖4　立管式蒸發冷示意

圖5　板片式蒸發冷示意

圖6　板片換熱單元結構

2.3吸風式蒸發冷

吸風式蒸發冷，風機運轉造成負壓吸入空氣，吸入空氣經過換熱器，與換熱器表面水膜進行熱質交換，帶走冷凝熱。負壓能夠促進冷卻水汽化蒸發，增強換熱，但是熱濕空氣經過風機產生腐蝕。如圖7所示。

2.4鼓風式蒸發冷

鼓風式蒸發冷，風機運轉時強迫空氣流動經過換熱器，與換熱器表面的水膜產生熱值交換，帶走冷凝熱。換熱效果不如吸風式，但是不存在濕空氣腐蝕風機問題，如圖8所示。

圖7　吸風式示意圖

圖8　鼓風式示意圖

3　蒸發冷的傳熱強化方法

蒸發冷傳熱強化方法，和其它換熱器一樣根據Q=KAΔt，提高傳熱效率—改變換熱器壁上液膜的流動狀態，促進液膜和空氣的傳熱傳質，管式蒸發冷行之有效的方法是采用強化換熱管；增大換熱面積—強化換熱管即增加熱阻大一側的表面積；通過降低冷卻介質溫度來增大傳熱溫差。

3.1強化換熱管傳熱

蒸發冷中占比大的熱阻在于管外水膜與空氣界面的傳熱傳質。［4］同時，初始管式蒸發冷換熱器設計采用圓管。因此，改變換熱管型是行之有效的方法，換熱管形變化為換熱管幾何外形的變化，幾何外形變換帶來液膜覆蓋狀態、液體流動狀態有益變化，幾何外形變化一般伴隨增加液膜覆蓋率、減薄液膜厚度、增加流體的湍流度等效應，改善管外傳熱效果。

3.1.1彈形管

彈形管上部平坦，曲率半徑小易于水膜付著，如圖9所示。類似橢圓狀換熱管長軸沿著氣流方向，使得空氣流程延長，接觸面積增加，阻力減小。水膜在換熱管表面蒸發后能快速離開，空氣與冷卻水的熱傳遞的時間縮短，從而提高熱傳遞能力。彈形管的傳熱系數比等當量尺寸的圓管高9.2%～19.0%。［5］

圖9　彈形管

圖10　溝槽管

3.1.2扭曲管

扭曲管實際上是橢圓管或壓扁的圓管扭成螺旋狀。螺旋形成的空間扭曲表面的扭曲使的水膜湍動增大，提高水膜的換熱效率，同時扭曲管截面變化使得空氣的沿扭曲管表面運動，方向不斷發生變化，局部流動加快，促進空氣充分換熱，換熱效果得到提高。同樣傳熱工況下，圓管扭曲管的傳熱系數比同幾何尺寸基管高18.0%～33.0%。［5］

3.1.3橢圓管

橢圓管管型是換熱管截面為一橢圓，傳熱面積比圓管增加，水膜覆蓋面積大于圓管，加強了空氣與液膜的交互作用，同時促進液膜流動的推力增加，液膜流動的速度增加，液膜減薄，液膜的傳熱效率提高。研究顯示，當橢圓管長軸與短軸之比為4，且長軸垂直放置，總傳熱系數比當量等直徑圓管提高20%。［6］

3.1.4溝槽管

溝槽管的橫截面形狀如圖10所示。對內徑為21mm，管長為1m豎直布置的溝槽管，理論計算結果表明溝槽豎管管內冷凝傳熱能力是光管的3倍［7］。數值模擬顯示表明，豎直溝槽管管外水膜分布均勻且薄，管形相同時，豎管的冷凝換熱系數高于水平管。

3.2提高傳熱溫差

在蒸發冷內增加換熱單元，如增加填料、鼓泡裝置降低冷卻水溫度，提高傳熱溫差，進而提高傳熱效率。

3.2.1填料蒸發冷

在換熱器上部或下部加上填料層，如圖11、圖12所示。冷卻水循環流經填料層時，與空氣發生傳熱傳質，使得本身溫度降低，促使換熱器內的冷凝溫度降低，蒸發冷的熱交換效果得到提高。實驗表明，水平光管式蒸發冷，在換熱器下部安裝填料層后，循環冷卻水溫度下降，傳熱系數可提高7.2%～16.9%［8］。水平管式蒸發冷下部加填料強化傳熱，考慮運行過程減少水飄逸、產品維護需求后實際結構如圖13所示。［9］

3.2.2鼓泡式蒸發冷

在換熱器底部設置淺水鼓泡設施，風機強迫空氣鼓動淺水層，產生大量汽泡，加大水和空氣的熱交換面，空氣和水之間的熱質交換加強，有效降低噴淋水的溫度，促進冷凝溫度降低，傳熱得到強化，如圖14所示。

3.3其它技術

在冷卻水側應用親水涂層，降低表面張力，促進水膜均勻；在換熱板片之間增加填料，填料促進板片表面水膜連續分布，增加冷卻水與空氣接觸面，提高水與空氣的熱交換強度，同樣工況下，降低循環冷卻水的溫度。

圖11　填料在盤管上部結構

圖12　填料在盤管下方結構

4　蒸發冷應用現狀

圖13　水平管蒸發冷產品結構

國外發達國家普遍采用蒸發式冷凝器。雖然早在上世紀八十年代已經引入國內，但是蒸發冷首先在水資源缺乏的西北地區推廣使用，形成這種局面的主要因素，首先制冷大規模應用在冷卻水充沛的沿海地區，其次當初制冷系統運行維護管理水平普遍較低，再則發展初期尚不具備節能意識，然后，蒸發冷的性能和濕球溫度密切相關，沿海梅雨季節干濕度溫差小，蒸發冷優勢不能充分發揮，因此，初期制冷系統普遍配用立式冷凝器或管殼式冷凝器。西北發展恰逢節能降耗，加上水資源缺乏，氣候干燥，蒸發冷簡直是為其量身打造，因而得到推廣。

圖14　鼓泡式蒸發冷示意

5　蒸發冷運行存在問題及應對

蒸發冷運行過程的結垢、腐蝕是工業冷卻水共同面臨的兩大問題。結垢影響傳熱效率，蒸發冷換熱盤管上CaCO3的垢層厚度為2.4mm時，蒸發冷的排熱量降低約55%，隨著垢層厚度增加，排熱量會繼續下降［10］。

結垢不可避免，只能采取措施阻垢，結垢由冷卻水運行產生，因此，首要是冷卻水管理，當前循環冷卻水的控制指標是濃縮倍數，其定義為N=Qm/（Qb+Qw）（循環冷卻水濃縮倍數=補充水量/（排污水量+風吹損失量），工業循環冷卻水設計規范指定：設計濃縮倍數，間接冷卻開式系統不宜小于5.0，不應小于3.0［11］。實際運行按照設計要求，對冷卻水運行進行有效監察，及時分析，采取措施，可以有效阻垢。另外，追蹤發展，采用新技術，目前，冷卻水阻垢新思路：軟化冷水，即除去冷卻水、補充水中的鈣、鎂離子，另冷卻水在超高濃縮倍數（20～600倍）下循環，不會結垢影響傳熱［12］。

如果結垢形成，除垢的補救方法，立式冷凝器、管殼式冷凝器的冷卻水在換熱管內流動，形成的結垢可以用機械的方式清理，水平管式蒸發冷由于結構原因，不能機械清洗，酸洗是可取的方法，清洗過程應考慮不可破壞防腐蝕涂層。改進蒸發冷中換熱器的結構，目前，板式蒸發冷用板片換熱器替代冷凝盤管，板片外部如果結構，可以進行機械清洗［9］。但是板片式換熱器的設計工作壓力目前僅為2.0MPa。適用壓力范圍受限制。

蒸發冷露天安裝，循環水蒸發發散至大氣，蒸發冷整體處于潮濕環境中，腐蝕不可避免存在，箱體采用鍍鋅鋼板，運行實際結果證實可行。腐蝕產生不良后果，影響設備使用，依然存在與循環冷卻水接觸的換熱器部分，腐蝕造成換熱器泄漏，降低設備使用壽命。換熱器的腐蝕主要是電化學腐蝕：冷卻水循環中和空氣接觸，水中的溶解氧充裕，蒸發濃縮使得水中的各種離子含量增加，電導率增加，導致換熱器產生電化學腐蝕。工業實用的緩蝕途徑：一是在換熱管接觸水的表面采用熱浸鋅處理，二冷卻水處理，將阻垢和緩蝕這一矛盾的兩個方面作為系統管理、處理。有實際證實經過后軟化冷卻水在超高濃縮倍數下循環，設備得的緩蝕，阻垢效果良好［12］。

6　結語

隨著能源的日益緊缺，節能、經濟、降耗的顯著優點將推動蒸發冷得到空前的發展。理論研究方面，建模計算、設計程序方法被眾多學者用于蒸發冷的整體性能研究：熱質傳遞的數學建模和設計計算準則；計算模型及計算程序；熱力學性能的數學模型；強化傳熱實驗研究；理論研究在實際應用上仍然存在局限性。蒸發冷對氣候條件的適宜區域、實際運行采用阻垢、緩蝕的方法、方式的合理性、先進性等，無論是理論研究還是應用探討仍然有發展前景。同時上游新技術的蓬勃進步，下游新技術的持續發展，將會不停推動研究向前發展。

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Evaporative Condenser and Heat Transfer Enhancement

LI Ruo-lan1，PENG Peng2
（1.Zhejiang Wanxiang Science and Technology Co.，Ltd.，Huzhou 313100，China；2.Shanghai Wanxiang Refrigeration Equipment Co.，Ltd，Shanghai 200070，China）

This article introduces the engineering information of the evaporative condenser：the structural form，the enhanced heat transfer technology，the enhanced heat transfer efficiency，the application status，the operation problems and response measures.Briefly describe the working principle of the evaporative condenser，and analyzes its enhanced heat transfer mechanism.

evaporative condenser；heat transfer enhancement；tube；plate

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.017

TB611

B

2095-3429（2015）04-0061-05

2015-06-15

修回日期：2015-08-06

李若蘭（1957-），女，福建莆田人，高級工程師，主要研究方向：制冷設備、制冷壓力容器；

彭鵬（1981-），男，浙江溫嶺人，研究生，董事長。