蒸發式冷凝器國內外研究進展

趙 越周洪劍謝 晶

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海寶豐機械制造有限公司，上海 200444）

蒸發式冷凝器國內外研究進展

趙 越1周洪劍2謝 晶1

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海寶豐機械制造有限公司，上海 200444）

介紹蒸發式冷凝器的工作原理、分類、特點及研究進展。具體闡述蒸發式冷凝器結構的改進，包括目前應用較為廣泛的填料蒸發式冷凝器、鼓泡蒸發式冷凝器、板式蒸發式冷凝器等；傳熱研究方面分析了彈性管和扭曲管的優越性以及一些計算模型和設計程序；最后總結水處理及除垢技術的進展，并對今后的研究方向進行展望。

蒸發式冷凝器；特點；結構；傳熱；盤管；模型；除垢

冷凝器是制冷系統的主要換熱設備之一，高溫、高壓的制冷劑氣體經過冷凝器被冷卻為液態。冷凝器一般可分為3種類型：空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器及空氣與水聯合冷卻式冷凝器［1，2］，蒸發式冷凝器是空氣與水聯合冷卻式冷凝器中的一種類型。

蒸發式冷凝器的換熱不僅存在顯熱交換，而且存在潛熱交換，并且以潛熱交換為主［3－5］，相對于顯熱交換，潛熱交換的換熱效率較高，節水是蒸發式冷凝器最大的優點［6］。

1 蒸發式冷凝器結構的改進

隨著蒸發式冷凝器的逐漸成熟與普及，如今的蒸發式冷凝器較傳統的水平管式蒸發式冷凝器相比有了一些結構上的改進。

1.1 填料蒸發式冷凝器

相對于傳統形式的蒸發式冷凝器，填料蒸發式冷凝器的特點是在換熱盤管下方增設一段PVC填料熱交換層，使得循環水的溫度進一步降低。空氣有兩個入口，分別位于冷凝器的上部和側下部。由上部入口進入的空氣與噴淋水同向流動，自上而下從擋水板處錯流流出；由側下部入口進入的空氣與噴淋水反向流動，從填料熱交換層錯流流出。上部的軸流風機把兩部分排出的濕空氣排出。

填料蒸發式冷凝器的結構見圖1。填料蒸發式冷凝器屬于順流式結構，即空氣和噴淋水同向流動，連續不斷飄落的水霧在風壓的作用下充分地包裹覆蓋在冷凝盤管壁上，不會迅速滑落，使得換熱更加充分透徹，也使得盤管表面不容易結垢。

圖1 填料蒸發式冷凝器結構示意圖Figure 1 Structure diagram of packing evaporative condenser

填料蒸發式冷凝器最大的特色就是引入了填料。未蒸發的冷卻水在脫離換熱盤管后，進入填料層，使得自身的溫度得以進一步降低，更好的服務于下一次循環，提高了換熱盤管的單位面積換熱量，從而提高蒸發式冷凝器整體的換熱效率。

1.2 鼓泡蒸發式冷凝器

鼓泡蒸發式冷凝器的特殊之處在于設置了過熱蒸汽冷凝裝置和淺水層鼓泡裝置，其結構見圖2。

圖2 鼓泡蒸發式冷凝器結構示意圖Figure 2 Structure diagram of bubbling evaporative condenser

過熱蒸汽冷凝裝置是鼓泡蒸發式冷凝器的一大特點。其作用就是對進入冷凝盤管之前的高溫制冷劑蒸汽先進行預冷，預冷之后再進入冷凝盤管進行冷凝。通過預冷有效地降低了制冷劑蒸汽的溫度，可以防止噴淋水在高溫段蒸發產生結垢現象。

淺水層鼓泡裝置是鼓泡蒸發式冷凝器的另一個特點。風機引入的新風鼓動水層形成大量的氣泡，流經換熱盤管的水降落在淺水層鼓泡裝置上，大大增加了空氣與水的接觸面積，強化了兩者之間的熱交換，循環水的溫度被有效地降低，從而進一步提高了蒸發式冷凝器的整體性能。

1.3 板式蒸發式冷凝器

板式蒸發式冷凝器是將傳統蒸發式冷凝器的換熱盤管用換熱板束代替。換熱板束、水循環系統及風機是板式蒸發式冷凝器的3個組成部分，其結構見圖3，其中換熱板束板與板之間裝有填料。板式蒸發式冷凝器的工作原理和傳統管式蒸發式冷凝器基本一樣，換熱板束比換熱盤管更加容易使水膜均勻的分布在表面，空氣的分布和流動方式是影響板式蒸發式冷凝器性能的關鍵因素。

圖3 板式蒸發式冷凝器結構示意圖Figure 3 Structure diagram of plate evaporative condenser

2 蒸發式冷凝器傳熱研究方面的進展

2.1 對于盤管的改進

蒸發式冷凝器強化傳熱主要是通過改變換熱盤管管型結構實現的。如圖4、圖5所示的彈性管和扭曲管是兩種非常規的管型，此類盤管稱為異型管。

圖4 彈性管結構示意圖Figure 4 Structure diagram of elastic tube

圖5 扭曲管結構示意圖Figure 5 Structure diagram of distorted tube

彈形管的形狀類似于橢圓形，頂端曲率半徑較小，更加平滑，使得水膜更容易附著，特殊的長短軸形狀，使得空氣導流面積增大，阻力面積減小，水膜在盤管表面蒸發后的水蒸汽可以更快的離開盤管，通過減少空氣與水之間的熱交換時間來強化換熱。彈形管比圓管的總傳熱系數高9.2%～19.0%，彈形管的性能系數比圓管高11.1%～23.0%［7］。

扭曲管的形狀類似螺旋狀，螺旋狀的表面使得水膜湍動程度增大，在換熱完成后不會在管底部聚集，提升了水膜的傳熱性能。扭曲管的管截面形狀是不斷變化的，這種變化導致盤管間空氣的流向不斷的變化，以較小的整體流量即可保持較高的局部流速，使得換熱更加充分。扭曲管比圓管的總傳熱系數高18.0%～33.1%，扭曲管的性能系數比圓管高16.7%～23.7%［7，8］。

此外，翅片管在目前市場中也得到很好的應用，翅片管束與光管之間存在著特定的關聯式，通過最佳的布置方式，使得翅片管發揮最好的換熱性能。前人［9］曾對光管和翅片套管蒸發式冷凝器的傳熱性能進行了試驗研究，結果表明在相同的條件下，翅片套管蒸發式冷凝器比光管蒸發式冷凝器的換熱性能高92%～140%。

2.2 對于整體性能、計算模型及設計程序的研究

劉煥成等［10］對氨蒸發式冷凝器系統進行測試，此蒸發式冷凝器屬于逆流式結構，即水和空氣在冷凝盤管表面逆向流動，下進風上排風，換熱盤管為圓管。結果表明，對于一定結構尺寸的蒸發式冷凝器，影響單位面積熱負荷最重要的因素是冷凝溫度和空氣進出口的濕球溫度，其次是迎面風速，淋水量的影響最小。一種新型的套管蒸發式冷凝器，把套管式冷凝器的優點加入到蒸發式冷凝器中，更加充分地利用了換熱空間，換熱能力比傳統蒸發式冷凝器更強［11］。

在過去，蒸發式冷凝器的熱力計算采用傳統的手工算法，難以獲得較高的精度。隨著國內外科研人員的不懈努力，通過數學模型的建立來進行蒸發式冷凝器的設計及性能優化，不僅提高了計算精度，還簡化了計算過程。

很多學者對蒸發式冷凝器的計算模型及設計程序進行了研究。Hasan［9］建立了針對于光管蒸發式冷凝器和翅片套管蒸發式冷凝器熱力學性能的數學模型；王鐵軍［12］研究建立了噴淋蒸發翅管式冷凝器的傳熱傳質數學模型和設計計算的方法；也有學者［13］建立了翅片蒸發式冷凝器局部穩態湍流的數學模型；還有學者［9］對人工神經網絡在蒸發式冷凝器控制模型中的應用進行研究，得出人工神經網絡能夠替代熱力系統比例積分微分控制器。蔣常建等［14］用無量綱法對橫流式蒸發冷卻器的熱力計算編制了通用的計算機程序。

3 蒸發式冷凝器水處理及除垢技術的進展

3.1 蒸發式冷凝器的水質處理

蒸發式冷凝器的水質處理方法通常有物理法、化學法以及水質穩定劑法等［15］。

物理法是目前常用的水質處理方法。物理法可以使用內磁水處理器或電子式水處理器。內磁水處理器的工作原理是水以一定的流速切割磁場，使水中結垢物質的分子和離子發生形變，導致晶體結構發生了變化，在一定程度上破壞了結垢的能力。電子式水處理器主要是利用高頻電磁場或高壓靜電場來電離結垢的物質。

化學法的原理是用石灰或氫、鈉等離子除去水中的致垢鹽分，防止碳酸鹽的生成。

水質穩定劑法是向蒸發式冷凝器循環冷卻水系統中投加一些藥劑，根據不同的水質情況，投加不同的藥劑，對癥下藥，來克服系統中的結垢問題。

值得注意的是，當系統循環水的pH＞8時，鋼結構部件應進行鈍化處理；使用酸清洗水垢時，為防止設備的腐蝕，應添加緩蝕劑。

3.2 蒸發式冷凝器的除垢方法

蒸發式冷凝器在工作過程中，水中的礦物質逐漸沉積在換熱盤管表面就會形成水垢。水垢的導熱系數很低，僅為1.7W/m2。當結垢厚度為 0.5mm，冷凝壓力會增加0.15MPa，增加耗電19%。結垢厚度為1mm，冷凝壓力上升 0.22MPa，增加耗電39%。不難看出，蒸發式冷凝器的致命缺點是形成水垢后無法更好的發揮其特性，所以蒸發式冷凝器對水質的要求比較高［16］。

有學者［17，18］專門對污垢進行了試驗研究，結果表明污垢可使蒸發式換熱器的熱效率降低55%～78%，出口冷卻流體溫度則升高4.7%。這充分說明了除垢的重要性。

目前常用的除垢方法是酸洗法。若換熱盤管管壁較薄，管外也進行了熱鍍，水的pH值應保持在6.5～8.0，對于鍍鋅構件應使用含緩蝕劑的酸。除垢和水質處理是相輔相成的，對蒸發式冷凝器的循環水進行軟水處理可減緩結垢速度［16］。

目前蒸發式冷凝器在應用中存在兩大問題：腐蝕和結垢。若能很好的解決以上兩個問題，蒸發式冷凝器必將有更好的發展及應用。

1 彥啟森，石文星，田長青.空氣調節用制冷技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

2 蔣翔，朱冬生.蒸發式冷凝器傳熱強化研究［D］.廣州：華南理工大學，2003.

3 Metin Ertunc H，Murat H.Comparative analysis of an evaporative condenser using artificial neural network and adaptive neurofuzzy inference system［J］.International Journal of Refrigeration，2008，8（31）：1 426～1 436.

4 Nasr M M，Salah Hassan M.Experimental and theoretical investigation of an innovative evaporative condenser for residential refrigerator［J］.Renewable Energy，2009，11（34）：2 447～2 454.

5 吳凱東.蒸發式冷凝器在空調系統的應用［J］.機電信息，2009（16）：49～52.

6 肖志英.提高蒸發式冷凝器效率的途徑［J］.河北化工，2007，30（1）：32～33.

7 蔣翔，李元希，涂愛民，等.異形鋼管蒸發式冷凝器的傳熱與能耗性能［J］.現代化工，2008，28（9）：66～70.

8 張景衛，蔣翔，吳治將，等.蒸發式冷凝器異型管束中流體流場數值模擬及實驗研究［J］.流體機械，2008，36（8）：8～11.

9 王定標，萬方方.蒸發式冷凝器的研究進展及應用［J］.中國新技術新產品，2010（2）：12～13.

10 劉煥成，蔡祖康，夏畹.氨蒸發式冷凝器熱工性能實驗研究［J］.制冷技術，1990（3）：4～9.

11 馬瑞華，崔文智，項勇，等.新型套管蒸發式冷凝器的理論研究［J］.制冷與空調，2007，7（2）：32～35.

12 王鐵軍.噴淋蒸發翅管式冷凝器傳熱傳質研究［J］.低溫與超導，2006，34（4）：299～302.

13 朱宏達，王曉.翅片管式蒸發冷凝器的性能分析及CFD模擬［J］.流體機械，2008，36（10）：78～81.

14 蔣常建，徐斌，楊強生.橫流式蒸發冷卻器的熱力分析［J］.上海交通大學學報，1997，31（7）：1～4.

15 鄧建平，呂濟民.蒸發式冷凝器水質管理［J］.冷藏技術，2008（4）：42～49.

16 史一忠，郭強弼.氨用蒸發式冷凝器除垢防垢的實踐［J］.冷藏技術，1999（4）：16～17.

17 Qureshi B A，Zubair S M.The impact of fouling on performance evaluation of evaporative coolers and ensers［J］.International Journal of Energy Research，2005，29：1 313～1 330.

18 Qureshi B A，Zubair S M.A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers.PartI，Performance evaluation［J］.International Journal of Refrigeration，2006，29（4）：645～658.

Research progress on evaporative condenser in domestic and abroad

ZHAO Yue1ZHOU Hong－jian2XIE Jing1

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China；2.Shanghai Baofeng Machine Manutacturing Co.LTD.，Shanghai200444，China）

The working principle，classification，characteristics and research of evaporative condenser were introduced.Improvement of evaporative condenser structure including a wide range of present application packing evaporative condenser，bubbleing evaporation condenser and plate evaporative condenser，the advantages of elastic tubes and twisted tubes and some calculating models and designed programs in heat transfer research，water treatment and descaling technology progress were introduced.The future research direction was also proposed.

evaporative condenser；characteristic；structure；heat transfer；tube；model；descale

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.069

2010年度上海市政府間國際科技合作計劃（編號：10390710500）；上海市教育委員會重點學科建設項目（編號：J50704）

趙越（1987－），男，上海海洋大學在讀碩士研究生。E－mail：15821113434＠163.com

謝晶

2011－12－01