蒸發式冷凝器在制冷空調節能中的應用

陳太欽

（廈門高鼎機械設備安裝工程有限公司， 福建 廈門 361000）

引言

當前，全世界面臨著資源能源短缺的危機，所以在各領域當中需要開展節能減排工作，積極推動環境保護工程建設。目前大型制冷空調行業存在著電力資源和冷卻水被大量使用的情況, 如果不加以管理會導致大量資源、能源浪費，還會造成環境污染，所以需要在新能源利用的基礎上積極采取全新的工藝和技術，進而節約水費和電費支出，促進社會的可持續發展，以下對相關內容進行分析。

1 蒸發式冷凝技術的概念與原理

1.1 蒸發式冷凝技術的概念

如今我國高度重視水資源和能源節約問題，需要通過技術利用達到節能降耗的目標，該背景下蒸發式冷凝器技術得到高度關注，相關研究取得突破，可以顯著節約工業生產成本，更有利于社會的可持續發展[1]。對于空調制冷設備來講，由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流部件四大部分組成，其中冷凝器作為制冷空調設備中的重要部件，能夠起到機組散熱的作用。結合不同的冷卻方式，傳統意義層面上的冷凝器包括水冷和風冷兩種形式，相比之下水冷的效率更高，隨著制冷空調技術的發展，冷凝器開始采取蒸發式冷凝器，主要原理在于將水和空氣當做冷卻劑，然后制冷劑的冷凝熱向空氣和水排放，利用部分水的蒸發帶走冷凝器的熱量，實現水冷和風冷的有效結合（如圖1）。

圖1 蒸發式冷凝器結構

1.2 蒸發式冷凝技術的原理

蒸發式冷凝器的外殼是鋼板所組成的長方形箱體，外部較薄，在內部設置了循環水裝置換熱管，底部帶有集水盤箱體，外部安裝冷卻循環水泵，并且在箱體頂部安裝了風機。在系統工作過程中，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；冷卻水和風同水同向，能夠確保水膜覆蓋在換熱管表面；循環水膜等溫相變蒸發冷凝溫度低于水冷4～5 ℃，能效比增加12%，并且由于冷卻水泵冷卻水流量與揚程明顯減小，顯著降低了冷卻水泵輸入功率，通過對比發現蒸發式冷凝器空調系統的能效提升了20%。

2 蒸發式冷凝器在制冷空調節能中的應用研究

蒸發式冷凝器是制冷裝備以及工業生產的主要設備，近年來，我國的強化傳熱技術發展迅速，蒸發式冷凝器得到廣泛應用。與此同時，數值模擬技術在蒸發式冷凝器中的利用顯著縮短了研究周期，并且節約了實驗成本。目前的主要研究集中在管式蒸發式冷凝器和板式蒸發式冷凝器，以下進行詳細分析：

2.1 管式蒸發式冷凝器

管式換熱器作為蒸發式冷凝器的核心部件，當前改進主要集中在液膜流動狀態的優化，換熱系數的提升以及減小管外流場的阻力。有研究對圓管、橢圓管和扭曲管的傳熱傳質性能與流動性能分析，發現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系數也更高。還有研究人員模擬了橢圓管、扭曲管和彈形管的空氣流場，采取數值模擬方法發現彈形管的性能更加優異，表現為氣流擾動性最弱、氣流分布均勻，流動阻力更小[2]。

2.2 板式蒸發式冷凝器

板式換熱器其作為板式蒸發冷凝器的核心部件，當前主要的研究集中于新型板。有研究人員發現，根據板內的流動流體建模并優化結構可以讓流體均勻性提升。還有人員對鼓包板片蒸發式冷凝器進行了研究，通過實驗和數據模擬發現傳熱傳質性良好，最佳條件為焊點直徑4～5 cm、溫度達到164 ℃。此外，有研究發現借助數值模擬凹凸板蒸發式冷凝器空氣—水側的傳熱傳質機理，優化了結構理論。

隨著研究的深入，目前已將蒸發式冷凝器用于諸多領域，具體如下：憑借蒸發式冷凝器空調耗水量降低的優勢，適宜在缺水地區中使用；適宜在常年運行的地鐵、電力、電子、醫療化工等工業企業當中能夠發揮出顯著作用；可以用于無條件設置機房的場所。

3 蒸發式冷凝空調與常規水冷空調、風冷空調的優缺點

3.1 風冷空調系統優缺點

風冷空調來優點在于能夠實現冷熱兼用，能夠省去鍋爐采暖的環節，并且無需冷卻水，適宜在缺水地區使用。風冷空調還可以放置在室外環境當中，無需建造專用空調機房。不過風冷空調系統也存在著缺點，主要體現在以下幾個方面，空氣側傳熱系數偏低，并且機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；機組容易受外部氣溫影響，在高溫季節運行過程中可靠性不足[3]。

3.2 水冷空調系統優缺點

水冷空調優勢在于冷凝器的結構緊湊、占用體積小、散熱性能高。不足之處在于需要建造專用機房。與此同時，需要配置冷卻水泵、冷卻塔以及閥門管道，整個系統較為復雜，需要投入較多資金。此外，冷卻水的升溫過程中，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題[4]。

3.3 全新蒸發冷凝式空調系統優缺點

全新蒸發冷凝式空調優勢在于采取一體式結構設計，無需設置專用機房。在蒸發式冷凝器技術下冷凝溫度比水冷可直接降4～5 ℃，機組制冷能效高，并且機組的制冷效果好，能效比可達5.7。有研究發現，1 kg 冷卻水可帶走4.6～6.9 W 熱量，而1 kg 水蒸發（在常壓下）可帶走676 W 熱量，因而，對于蒸發式冷凝器來講，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 蒸發式冷凝器中的節能效果

以某電子廠的車間降溫空調為例，其中非潔凈室廠區面積14 000 m2，按照200 W/M2 的冷負荷估算，總冷負荷2 800 kW，主機冷量參數按照0.8 系數取值，得出所需主機總冷負荷2 240 kW 設計2 臺主機，平均單臺制冷負荷1 120 kW。采用水冷螺桿機組、風冷模塊機組和蒸發冷凝冷水機組，計算運行費用和設備初期投入，相關參數如表1 所示。

表1 水冷螺桿機組、風冷模塊機組和蒸發冷凝冷水機組運行費用和設備初期投入參數

經實踐應用證明，采用蒸發冷凝冷水機組制冷最節能，其次是水冷螺桿機組，最后是風冷模塊機組。采用蒸發冷凝冷水機組比一般螺桿機組系統初期投入多（149-124=25 萬元），而每年運行節省費用30.3 萬元，也就是說采用蒸發冷凝冷水機組設備比一般水冷螺桿機組多出的初期投入在不到1 年時間內就能收回，后期再使用節約的運行費用可以帶來更大效益[5]。

5 結語

我國在大力發展經濟的過程中，由于對資源和能源的不合理利用導致出現能源危機，并且還面臨著水資源短缺的問題。為了實現社會的可持續發展，我國積極推動節能減排工程，制冷空調領域也在加強技術研究，積極利用新工藝新技術，經過研究發現，制冷空調系統中采用蒸發式冷凝器不僅具有更加顯著的節水和節能效果，還具有系統運行費用低和節省空間等優勢，將蒸發式冷凝技術其用于空調系統中的推動有利于節能減排，促進社會的健康發展。