新型蒸發(fā)式冷凝器換熱性能理論及實驗研究

陳培生，劉洋，李陽

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

蒸發(fā)式冷凝器是一種將冷凝器與閉式冷卻塔合二為一的換熱設(shè)備。與風(fēng)冷、水冷機(jī)組相比，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝，兼?zhèn)涔?jié)水節(jié)能和換熱性能優(yōu)良的特點[1-4]。近年來，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組廣泛應(yīng)用于冷凍冷藏、生物食品、建筑空調(diào)和石油化工等各個領(lǐng)域[5-7]。研究各個因素對空氣-水兩相流在蒸發(fā)式冷凝器中的熱質(zhì)傳遞性能影響，具有較高的工程實踐意義和理論研究價值。

國內(nèi)外學(xué)者主要以板管型[1,8-9]、翅片管型[5]、套管型[10-11]、蛇管型[12]等傳統(tǒng)換熱器結(jié)構(gòu)研究蒸發(fā)冷熱質(zhì)傳遞性能。王紅根[1]研究了噴淋水、入口濕空氣狀態(tài)對板管型蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)增大噴淋水流量、入口空氣流速可提高板片換熱性能。董俐言等[13]建立了蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)傳遞二維數(shù)學(xué)模型，研究了冷卻水溫度、空氣溫度和空氣含濕量的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)空氣濕球溫度對板式蒸發(fā)式冷凝器換熱性能影響顯著，空氣干球溫度對其影響較小。楊永安等[14]使用橢圓管三角形叉排結(jié)構(gòu)，研究了風(fēng)量、噴淋水量對蒸發(fā)冷換熱性能影響，結(jié)果表明：蒸發(fā)式冷凝器換熱性能在最佳風(fēng)量和噴淋水量下達(dá)到最優(yōu)。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)式冷凝器研究結(jié)果難以適用于新型緊湊型橫排管結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)式冷凝器，本文旨在探究風(fēng)量、噴淋水量對橫排管蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響，為蒸發(fā)冷機(jī)組強(qiáng)化換熱提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)

圖1所示為緊湊型橫排管蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)。

圖1 緊湊型橫排管蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)

新型冷凝器采用不銹鋼換熱直管多流程設(shè)計，每一流程設(shè)置最優(yōu)管數(shù)，確保冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊、換熱性能最優(yōu)。利用噴淋水在管外主動布水成膜，提高換熱管外壁面與水膜之間的換熱性能，單位體積傳熱面積較大。同時，增設(shè)填料以增加水膜與空氣之間的熱質(zhì)交換面積，降低循環(huán)水溫度[15]。取排間距42 mm，換熱管內(nèi)徑10 mm，管長1 600 mm，排數(shù)25排，填料長度1 700 mm，填料寬度1 300 mm。

1.2 緊湊型橫排管蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)學(xué)模型前，假設(shè)為：1）系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)不隨時間變化；2）各管排流通斷面上空氣質(zhì)量流量分布均勻且恒定；3）與噴淋水量相比，液膜蒸發(fā)水量損失很小，可忽略不計；4）忽略輻射換熱；5）忽略水膜與空氣傳質(zhì)過程中的空氣質(zhì)量變化，空氣密度可認(rèn)為恒定不變；6）換熱管表面清潔無垢。

制冷劑R134a在橫排管內(nèi)液膜處于紊流區(qū)，橫強(qiáng)化管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)由式(1)計算[16]：

式中，hi為橫強(qiáng)化管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；q為熱流密度，W/m2；αc,n為管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)[16]，W/(m2·K)。

式中，di為內(nèi)螺紋管管內(nèi)徑，m；β為制冷劑物性系數(shù)，(W3·N)/(m6·K3·s)。

式中，λ為進(jìn)口氣態(tài)制冷劑導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為進(jìn)口氣態(tài)制冷劑密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；r為制冷劑潛熱，J/kg；μ為進(jìn)口氣態(tài)制冷劑動力黏度，Pa·s。

管壁與管外噴淋水傳熱系數(shù)由式(4)計算[17]：

式中，αs為管壁與管外噴淋水傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；do為內(nèi)螺紋管外徑，m；A1和B1根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合而得，取A1=529.3；B1=1/3；Г為管外噴淋水密度，kg/(m·s)。

式中，Q為噴淋水量，m3/h；n為蒸發(fā)式冷凝器橫排管排數(shù)；L為蒸發(fā)式冷凝器管排長度，m。

管外水膜與空氣傳質(zhì)換熱量由式(6)計算：

式中，Qt為管外水膜與空氣傳熱換熱量，kW；為填料側(cè)平均噴淋水溫下飽和濕空氣焓值，kJ/kg；為填料側(cè)濕空氣平均焓值，kJ/kg；At為管壁外表面積，m2；Kt為管外水膜與空氣傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)。

管外水膜與空氣傳質(zhì)系數(shù)由式(7)計算[18]：

式中，A2和B2根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合而得，取A2=0.011 4，B2=1；Gt為管外側(cè)單位流通面積空氣質(zhì)量流量，kg/(m2·s)。

式中，qma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；n為排數(shù)；w為排間距，m；L為蒸發(fā)式冷凝器管排長度，m。

填料水膜與空氣傳質(zhì)換熱量由式(9)計算：

式中，QP為填料水膜與空氣傳熱換熱量，kW；AP為填料表面積，m2；為填料側(cè)平均噴淋水溫下飽和濕空氣焓值，kJ/kg；為填料側(cè)濕空氣平均焓值，kJ/kg；KP為填料水膜與空氣傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)。

填料水膜與空氣傳質(zhì)系數(shù)由式(10)計算[18]：

式中，A3和B3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合而得，取A3=0.0114，B3=1；Gp為填料側(cè)單位流通面積空氣質(zhì)量流量，kg/(m2·s)。

式中，qma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Lp為填料長度，m；Wp為填料寬度，m。

噴淋水的蒸發(fā)傳質(zhì)過程（包含換熱管外表面和填料內(nèi)的蒸發(fā)過程）選取換熱管外表面為參考面積，噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)heq由式(12)計算：

式中，Δt為噴淋水平均水溫與冷凝器進(jìn)出風(fēng)平均濕球溫度差，℃。

Qc為冷凝器總換熱量，kW。

冷凝器總傳熱系數(shù)由式(14)計算：

風(fēng)機(jī)功率由式(15)計算：

式中，Nf為單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)機(jī)功率，W/kW。

式中，pf為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa，取312 Pa[19]；LD為相應(yīng)于單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)量，m3/(kW·s)。

1.3 橫排管蒸發(fā)式冷凝器設(shè)計思路

蒸發(fā)式冷凝器換熱計算流程如圖2所示，具體計算步驟如下：1）定義蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱參數(shù)；2）設(shè)定蒸發(fā)式冷凝器噴淋水平均溫度、換熱量初始值，分別計算蒸發(fā)式冷凝器的管內(nèi)傳熱系數(shù)、管外水側(cè)傳熱系數(shù)以及管外水與空氣傳熱系數(shù)；3）計算蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)以及換熱量；4）若|Qc-Qc′|＞1%或|Qt-Qt′|＞1%，以本次換熱量計算值作為換熱量迭代初始值，進(jìn)行迭代計算；|Qc-|＜1%且|Qt-|＜1%，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)；5）若|A-A′|＞1%，重設(shè)噴淋水平均溫度；若|A-A′|＜1%，計算總傳熱系數(shù)，輸出所有參數(shù)。

圖2 橫排管蒸發(fā)式冷凝器理論計算流程

2 計算結(jié)果與理論分析

分別計算不同風(fēng)量、噴淋水量下的總傳熱系數(shù)、噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)，分析風(fēng)量、噴淋水量對橫排管蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)傳遞性能的影響。

2.1 熱阻占比分析

蒸發(fā)式冷凝器各換熱環(huán)節(jié)熱阻占比見圖3。噴淋水量為38 m3/h，風(fēng)量為20 000 m3/h，冷凝溫度為40 ℃，進(jìn)風(fēng)濕球溫度為24 ℃，蒸發(fā)式冷凝器管內(nèi)對流傳熱系數(shù)、管壁與管外噴淋水對流傳熱系數(shù)、噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)分別為2 294.34、1 466.00和509.02 W/(m2·K)，各環(huán)節(jié)換熱熱阻分別為0.000 44、0.000 60和0.001 96 (m2·K)/W，熱阻占比分別為14.14%、22.13%和63.73%。結(jié)果表明：噴淋水與空氣熱質(zhì)交換環(huán)節(jié)熱阻占比最大，強(qiáng)化噴淋水與空氣側(cè)換熱有利于提升蒸發(fā)式冷凝器整體換熱性能。

圖3 蒸發(fā)式冷凝器各換熱環(huán)節(jié)熱阻占比

2.2 風(fēng)量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響

圖4所示為風(fēng)量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響。由圖4(a)可知，在相同噴淋水量條件下，蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)隨風(fēng)量增加而增大。當(dāng)噴淋水量為32 m3/h時，風(fēng)量16 000 m3/h時的總傳熱系數(shù)比風(fēng)量14 000 m3/h時增長了8.95%。然而，隨著風(fēng)量的增加總傳熱系數(shù)增長率逐步減小。當(dāng)噴淋水量為32 m3/h時，風(fēng)量24 000 m3/h時的總傳熱系數(shù)僅比風(fēng)量22 000 m3/h時增長了4.69%。

由圖4(b)可知，在同一噴淋水量下，噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)隨風(fēng)量增加而線性增大。當(dāng)噴淋水量為32 m3/h時，風(fēng)量16 000 m3/h時的噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)比風(fēng)量14 000 m3/h時增加了13.5%。隨著風(fēng)量增加噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)增長率逐漸減小。當(dāng)噴淋水量為32 m3/h、風(fēng)量為24 000 m3/h時的噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)僅比風(fēng)量為22 000 m3/h時增長了8.27%。原因是當(dāng)噴淋水量不變、風(fēng)量較小時，水膜蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣不能及時被空氣帶走，使換熱器局部空間內(nèi)的空氣相對濕度升高、水膜蒸發(fā)速率降低，噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)減小。隨著風(fēng)量的進(jìn)一步增加，空氣與水膜之間擾動愈發(fā)劇烈，空氣在整個換熱空間內(nèi)流速分布趨于均勻，水膜蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣能夠及時隨空氣排出冷凝器，確保空氣與水膜在高水蒸氣分壓力差條件下進(jìn)行熱質(zhì)交換，從而獲得更好的換熱性能。

圖4 風(fēng)量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響

當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增加，水膜與空氣間雖然仍維持在高水蒸氣分壓力差條件下進(jìn)行熱質(zhì)交換，但是此時高流速空氣產(chǎn)生的慣性力足以克服水膜表面張力及其重力作用，導(dǎo)致水膜在換熱管、填料表面的水膜-空氣界面穩(wěn)定性被破壞；水膜與空氣之間熱質(zhì)交換面積減小；噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)增長率減小。此外，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加時，風(fēng)機(jī)功耗也增大。風(fēng)量24 000 m3/h時風(fēng)機(jī)功率比風(fēng)量22 000 m3/h時增加了30%，如圖5所示。因此，存在最佳風(fēng)量使蒸發(fā)式冷凝器換熱效果達(dá)到最優(yōu)，且不可以無限制增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量以提高蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能。

圖5 風(fēng)量對蒸發(fā)式冷凝器能耗影響

2.3 噴淋水對橫排管蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響

圖6所示為噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響。

圖6 噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響

由圖6(a)可知，在同一風(fēng)量下，蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)隨噴淋水量的增加而增加，當(dāng)風(fēng)量為14 000 m3/h時，噴淋水量34 m3/h時的總傳熱系數(shù)比噴淋水量32 m3/h時增長了（0.14%）。隨著噴淋水量的增加，總傳熱系數(shù)增長率逐漸減小。噴淋水量44 m3/h時的總傳熱系數(shù)僅比噴淋水量42 m3/h時增長了0.08%。由圖6(b)可知，在同一風(fēng)量下，噴淋水量對噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)的影響較小，當(dāng)風(fēng)量為14 000 m3/h時，噴淋水量為44 m3/h時的噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)僅比噴淋水量32 m3/h時高約0.56%。說明噴淋水量對噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)的影響較小。當(dāng)增大噴淋水量后總傳熱系數(shù)存在略微增大，這可能是由于增加噴淋水量強(qiáng)化了管壁與管外噴淋水間的對流換熱。但由于蒸發(fā)式冷凝器的主要換熱熱阻為噴淋水膜與空氣之間的換熱熱阻，因此增大噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器性能的影響并不明顯。

以風(fēng)量14 000 m3/h、噴淋水量為32 m3/h為例，當(dāng)風(fēng)量維持在14 000 m3/h，噴淋水量增加到44 m3/h時，總傳熱系數(shù)比噴淋水量為32 m3/h時增大了1.02倍，噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)僅比噴淋水量32 m3/h時增大了1.006倍，說明噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響較小。

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)簡介

實測空調(diào)系統(tǒng)包括滿液式蒸發(fā)器、蒸發(fā)式冷凝器和壓縮機(jī)組，如圖7所示。蒸發(fā)式冷凝器換熱量為190 kW。通過焓差實驗室將環(huán)境干濕球溫度分別控制在35 ℃和24 ℃。蒸發(fā)式冷凝器換熱盤管管排間距為42 mm，換熱管內(nèi)徑為10 mm，管排長度為1 600 mm，填料長度為1 700 mm，填料寬度為1 300 mm。實驗中使用標(biāo)定的T型熱電偶，測溫誤差為±0.2 ℃；噴淋水流量由流量計測量，精度±2.5%；風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過畢托管測量；噴淋水量和風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別使用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

圖7 實測空調(diào)系統(tǒng)

3.2 實驗結(jié)果與分析

圖8所示為風(fēng)量、噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)影響。由圖8(a)可知，隨著風(fēng)量增加，總傳熱系數(shù)先增加而后基本保持不變。如前所述，風(fēng)量增加到一定程度后，噴淋水與空氣熱質(zhì)交換面積減小。繼續(xù)增大風(fēng)量難以提升蒸發(fā)式冷凝器換熱性能。從總傳熱系數(shù)隨風(fēng)量變化的擬合曲線可知，當(dāng)風(fēng)量達(dá)到22 540.3 m3/h時，總傳熱系數(shù)基本保持不變，冷凝器換熱性能達(dá)到最優(yōu)。

由圖8(b)可知，隨著噴淋水量的增加，總傳熱系數(shù)增大（噴淋水量小于48.86 m3/h）。當(dāng)風(fēng)量為13 600.4 m3/h時，噴淋水量36.74 m3/h下總傳熱系數(shù)比噴淋水量32.3 m3/h時增長了高達(dá)9.6%。這是由于噴淋水未完全在換熱管表面布水成膜，空氣與水膜之間傳熱面積小、總傳熱系數(shù)低。從擬合曲線可以看出，當(dāng)噴淋水量大于48.86 m3/h時，總傳熱系數(shù)基本保持不變。此時冷凝器換熱性能達(dá)到最優(yōu)，說明噴淋水已完全在換熱管束上布水成膜，空氣與水膜之間的傳熱面積達(dá)到最大。

圖8 風(fēng)量、噴淋水量對蒸發(fā)式冷凝器總傳熱系數(shù)影響

4 結(jié)論

本文研究了不同換熱環(huán)節(jié)的熱阻占比以及風(fēng)量、噴淋水量對橫排管蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的影響，結(jié)果表明：

1）蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)交換由管內(nèi)對流換熱、管壁與管外噴淋水對流換熱、噴淋水與空氣熱質(zhì)交換等3個換熱環(huán)節(jié)組成，噴淋水與空氣側(cè)熱質(zhì)交換環(huán)節(jié)熱阻占比最大（63.73%），應(yīng)優(yōu)先強(qiáng)化噴淋水與空氣側(cè)熱質(zhì)傳遞效果以提高蒸發(fā)式冷凝器換熱性能；

2）噴淋水與空氣等效傳熱系數(shù)在低風(fēng)量時可提升13.5%，在高風(fēng)量時可提升8.27%，增大風(fēng)量能夠顯著提升蒸發(fā)式冷凝器的換熱性能；

3）當(dāng)噴淋水量高于48.86 m3/h時，繼續(xù)增大噴淋水量對換熱器總傳熱系數(shù)影響較小，無法有效強(qiáng)化冷凝器換熱性能；

4）實驗表明，風(fēng)量在22 540.3 m3/h、噴淋水量在48.86 m3/h時冷凝器換熱性能最佳；繼續(xù)增大風(fēng)量對換熱器換熱性能提升有限，且隨著風(fēng)機(jī)功耗增加，系統(tǒng)能效降低。