蒸發式冷凝器噴淋區循環水溫度分布特征

吳娜 周亞素 張恒欽

1 東華大學環境科學與工程學院

2 上海良機冷卻設備有限公司

0 引言

冷凝器，節流閥，蒸發器及壓縮機作為常規制冷系統的四大基本組件，其中冷凝器性能是評價整體制冷系統優劣的重要指標之一。不論在空調冷藏還是在生產工藝中，冷凝器都是非常重要的熱交換設備。冷凝器按其冷卻介質和冷卻方式不同可分為風冷冷凝器，水冷冷凝器和蒸發式冷凝器。與水冷式冷凝器和風冷式冷凝器相比，蒸發式冷凝器具有節水、節能、結構緊湊占地面積少的優點[1-2]。

蒸發式冷凝器與水冷冷凝器和風冷冷凝器主要的區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冷或水冷凝式系統，蒸發式冷凝系統可節能11%～70%[3-4]。換熱盤管作為蒸發式冷凝器最重要的部分，國內外學者對此進行了很多的研究，申江[5]等人利用實驗證明了蒸發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]等人建立蒸發式冷凝器試驗臺研究風量水量等相關參數對蒸發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，蒸發式冷凝器中風量、水量對其性能影響意義重大，循環水作為制冷劑將熱量傳遞到空氣流的中間介質，它的溫度變化特征也需要進一步的探究。基于自行設計搭建的蒸發式冷凝器制冷系統試驗臺，本文擬研究分析在不同的風量和水量下，蒸發式冷凝器噴淋區的循環水溫度分布特征，進一步豐富噴淋區研究體系，為以后研究提供條件。

1 實驗裝置簡介

制冷系統試驗臺包括蒸發式冷凝器，節流閥，板式蒸發器，壓縮機以及一些輔助設備等。蒸發式冷凝器主要由換熱部分，水系統，風系統三部分組成，換熱部分包括換熱盤管以及填料，填料作用是冷卻循環水。噴淋水系統包括集水池、循環水泵以及噴嘴。風系統包括進風口和風機。圖1 為蒸發式冷凝器示意圖：

圖1 蒸發式冷凝器示意圖

蒸發式冷凝器的工作原理：來自壓縮機的高溫高壓制冷劑進入蒸發式冷凝器換熱盤管系統，循環水泵從集水池抽水送到盤管上方的噴淋系統，循環水由噴嘴噴淋到填料表面進行冷卻，而后落到盤管上形成水膜，管內制冷劑冷凝將熱量傳遞到水膜，水膜與空氣進行熱質交換，風機運作，空氣在風機的驅動下流過盤管，將熱量帶出蒸發式冷凝器，而未蒸發的噴淋水落入集水池，進入下一次循環。由工作原理可知噴淋區包括循環水從填料區到換熱盤管區再到集水池整個區域。

蒸發式冷凝器中最重要的部分為換熱盤管，實驗中換熱盤管參數見表1：

表1 換熱盤管參數

實驗測試參數及儀器見表2：

表2 測量參數及儀器

實驗分析前引入兩個相關概念，迎面風速和噴淋密度。迎面風速u指單位橫截換熱面積內通過的風量，單位為m/s。與風量Gf關系式如下[8]：

式中：Vf為風量，m3/h；Sf為進風口處截面積，m2。

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

式中：Gw為水量，kg/s；nt為每排管數；L則為每根管長度，m。

實驗風速選取范圍為：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℃，循環水補水溫度為21℃左右。探究不同風速以及不同噴淋密度的情況下，循環水在噴淋區的溫度分布。

2 循環水溫度動態變化特征

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

圖2 循環噴淋水隨時間的變化

由圖2 可以發現，兩個工況運行時循環水溫度均會先隨時間變化，然后在15 分鐘左右穩定，迎面風速u為1.48 m/s、噴淋密度 Γ 為0.02203 kg/(m·s)的工況循環水溫最終穩定在26.3℃左右。迎面風速u為2.22 m/s、噴淋密度Γ為0.02803 kg/(m·s)的工況循環水溫最終穩定在23.8℃左右。分析原因，迎面風速小噴淋密度小時，流過的空氣帶不走管內工質傳給水膜的熱量，導致循環水中的熱量累積，溫度升高。當迎面風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。所以結論是循環水溫度經過一段時間，最終會達到一個溫度平衡點，穩定溫度值隨工況的不同有所變化。

3 迎面風速對循環水溫的影響

蒸發式冷凝器管內工質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，實驗通過調節風機頻率改變迎面風速。剛運行時循環水溫度會隨時間變化，經過一定時間后循環水溫度基本穩定，此時水池里穩定的水溫隨風速的變化如圖3 所示。圖中為蒸發式冷凝器運行工況將噴淋密度分別調節為0.02203 kg/(m·s)，0.02803 kg/(m·s)，0.03452 kg/(m·s)。

圖3 循環噴淋水隨風速的變化

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

4 循環水溫度縱向分布特征分析

由以上分析可得循環水的溫度總會穩定在某一數值且與迎面風速和噴淋密度有關，在此基礎之上分析循環水在噴淋區沿高度方向上的溫度分布。為測試水膜溫度，在填料區上下各布置1 個熱電偶，換熱盤管區共8 排盤管，每排布置1 個熱電偶，集水池內布置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，通過改變風機頻率得到的不同迎面風速情況下循環水溫度縱向分布圖。

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

圖4 迎面風速為1.48 m/s 時水膜溫度分布

圖5 迎面風速為1.75 m/s 時水膜溫度分布

圖6～8 為迎面風速增加為2.02 m/s、2.22 m/s、2.47 m/s 時的循環水溫度縱向分布圖。觀察圖6～8，發現隨著迎面風速的增加，循環水溫度峰值由盤管第五排（測點7）漸漸變為第三排（測點5）。

圖6 迎面風速為2.02 m/s 時水膜溫度分布

圖7 迎面風速為2.22 m/s 時水膜溫度分布

圖8 迎面風速為2.47 m/s 時水膜溫度分布

從圖9～10 可以發現，循環水溫度峰值穩定在了盤管第三排。換熱盤管區潛熱換熱部分占比增加，顯熱換熱部分占比降低。

圖9 迎面風速為2.65 m/s 時水膜溫度分布

圖10 迎面風速為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，分別是水膜和管內工質的溫差顯熱換熱以及水膜表面的蒸發潛熱換熱。循環水溫度在噴淋區沿高度方向從上到下的整體趨勢是循環水先經過填料進行一定降溫冷卻，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，并且隨著風量一步步增加，循環水溫度曲線中的峰值溫度由盤管第五排（測點7）上移到第三排（測點5），這是因為風量較小時，空氣由下至上從風口上升到盤管第五排（測點7）時，相對濕度很高，水膜邊界層內水蒸氣分壓力和主體空氣的水蒸氣分壓力存在差異很小，水分蒸發效果較差，盤管部分整體換熱大部分由管內制冷劑和水膜的溫差推動，即以顯熱換熱為主。風量增加后，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，水膜與空氣的質量交換過程得到強化，蒸發散熱效果變好，同時風速的增加加劇水膜表面的湍流程度，增強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。所以循環溫度峰值的上移是因為風量的增加使潛熱換熱量占總換熱量的比例增加，顯熱換熱量占比降低，蒸發式冷凝器整體換熱效率提高。

5 總結

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