蒸發式冷凝器的優化設計

王 俊 黃 翔 蘇曉青

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蒸發式冷凝器的優化設計

王 俊 黃 翔 蘇曉青

（西安工程大學 西安 710048）

通過對蒸發式冷凝器換熱原理進行分析，將立管間接蒸發冷卻器、直接蒸發冷卻填料和冷凝盤管相結合，提出冷凝效率更高的復合型蒸發式冷凝器，并對其主要部件進行設計計算，得出各部分所需換熱面積，此設計計算簡單實用。

蒸發式冷凝器；立管間接蒸發冷卻器；直接蒸發冷卻器；冷凝盤管；效率

0 引言

冷凝器是制冷系統中的重要換熱設備，根據冷卻方式的不同分為空冷式、水冷式、蒸發冷式[1,2]。我國水資源比較緊張，尤其是城市地區缺水嚴重[5]，空冷式冷凝器雖節省了水耗，但是冷凝效率受室外空氣干球溫度的影響，冷凝效率不高，尤其是在夏季高溫時段；水冷式冷凝器傳熱系數較高，能保證冷凝效率，但是需要設置冷卻塔，在消耗大量水資源的同時也造成循環水泵功耗損失；蒸發式冷凝器依靠管外水膜的蒸發進行散熱，水的汽化潛熱帶走熱量遠遠大于顯熱換熱，而蒸發式冷凝器所用循環水量為水冷式的10%-30%，水泵功耗只有水冷系統的1/8-1/4[2]，在保證冷凝效果的前提下減少了水耗，降低了水泵的電耗，其壓縮機、風機等功耗也小于空冷系統，并且蒸發式冷凝器結構緊湊，占地面積小，因此在工業和民用建筑中得到了廣泛的應用。

蒸發式冷凝器相比于空冷和水冷方式，雖然具有較大的優勢，但是其冷凝效果和節能潛力還有很大的上升空間。隨著能源危機的出現，人們越來越重視自然資源的節約利用，蒸發式冷凝器若是能進一步提高冷凝效率，充分發揮其節水節能的優勢，必定會得到更廣泛的應用，為國家的可持續發展戰略做出重大貢獻，因此對蒸發式冷凝器的優化更顯得重要。蒸發式冷凝器的冷凝過程比較復雜，影響其冷凝效率的因素有很多，包括噴淋水量、風量、盤管布置、機組結構等，本文主要從換熱原理上對蒸發式冷凝器進行分析，由機組結構入手對其進行優化，提出一種復合型蒸發式冷凝器，其冷凝效率高于常規蒸發式冷凝器[5,6]。

1 復合型蒸發式冷凝器結構

復合型蒸發式冷凝器主要由立管間接蒸發冷卻器、直接蒸發冷卻填料、閉式換熱盤管、風機系統和噴淋系統五大部分組成，其結構如圖1所示。

1.立管間接蒸發冷卻器；2.風機；3.預冷盤管；4.直接蒸發冷卻填料；6.冷凝盤管；7.噴淋架

復合型蒸發式冷凝器運行過程：室外空氣在風機作用下進入立管間接蒸發冷卻器，立管間接蒸發冷卻器中一部分室外空氣走管內（即一次空氣），一部分室外空氣走管外（即二次空氣），水泵將水箱中的循環水送到立管間接蒸發冷卻器上部，由布水器對立管管內進行布水，管內空氣與淋水逆流換熱，水溫降低，通過管壁與管外一次空氣進行顯熱換熱，實現一次空氣的預冷過程，二次空氣在風機作用下經收水器后排出機組；預冷一次空氣與冷凝盤管部分的淋水在直接蒸發冷卻填料上發生熱濕交換，空氣和淋水溫發生等焓降溫過程，空氣和淋水溫度降低，冷凝盤管內熱量依靠水分蒸發、降溫空氣和淋水帶走，實現冷凝過程，一次空氣經預冷盤管和收水器后由風機排出。

常規蒸發式冷凝器的重要部件為冷凝盤管，主要依靠管外淋水的蒸發帶走管內熱量，同時管外空氣和淋水也會帶走部分熱量，因此室外空氣濕球溫度越低，冷凝效果越好，而復合型蒸發式冷凝器在結構上采用立管間接蒸發冷卻器對室外空氣進行預冷，相當于降低了室外空氣濕球溫度，采用直接蒸發冷卻填料分層布置在冷凝盤管之間增加空氣與淋水的熱交換面積和接觸時間，經過兩者的充分接觸降低經冷凝盤管外空氣和淋水溫度，從而提高了冷凝效率[3,9]。

由于光管形式的間接蒸發冷卻器處理空氣量比較少，此機組立管間接蒸發冷卻器采用翅片管，在增強換熱的同時增加了空氣處理量，避免了機組尺寸過大的現象；直接蒸發冷卻填料分層布置在冷凝盤管中間可使空氣和淋水的熱濕交換更加充分，從而空氣和淋水溫降更低，增強冷凝效果；預冷盤管的設置可以避免因氣態介質溫度太高，在盤管上直接淋水而產生結垢的現象，同時起到一定收水作用，避免漂水損失。

2 設計計算

2.1 設計參數的確定[1,5,7]

我國西北地區水資源匱乏，蒸發式冷凝器由于其高效節水的特點在該地區得到廣泛應用，而西北地區氣候干燥，干空氣能豐富，非常適合間接蒸發冷卻器和直接蒸發冷卻器的應用，因此選取新疆烏魯木齊地區作為設計地區。根據中國建筑熱環境分析專用氣象數據集，該地區夏季空氣調節室外計算干球溫度為33.5℃，濕球溫度為18.2℃；該機組對蒸汽進行冷凝，蒸汽溫度為65℃，冷凝溫度為40℃，冷凝蒸汽量為1t/h，則機組冷凝負荷為670kW。

配風量是指該機組通過冷凝盤管的總風量，即一次風量。中國機械行業標準規定單位換熱量所需風量為220m3/（h·kW），美國標準為0.03m3/（s·kW）。風量增大，則帶走熱量增加，換熱效果增強，但是風量增加的同時風機功耗大，造成電耗的增加和噪音的污染，因此應合理選擇配風量。本設計選取美國標準=0.03m3/（s·kW），根據計算公式1=×計算得一次風量為72000m3/h。

淋水量是指冷凝盤管部分的總淋水量。淋水量以能否保證全部潤濕盤管、形成連續水膜為標準。淋水量過小，水膜對盤管的包覆不充分，不能滿足冷凝要求；淋水量過大，則水膜變厚，不利于換熱，并且水泵的功率增大，電耗增加。中國JB/T7658.5-95標準中單位冷凝負荷淋水量為0.032L/（s·kW），美國工業制冷手冊標準為0.018L/（s·kW）。本設計選用美國工業制冷手冊標準=0.018L/（s·kW），由計算公式=×計算得淋水量為43t/h。

2.2 立管間接蒸發冷卻器設計計算[3,7,13]

立管間接蒸發冷卻器主要實現空氣的預冷，降低室外空氣的濕球溫度。一次空氣走管外，二次空氣走管內，噴淋系統對立管管內進行淋水，管內壁形成水膜，二次空氣和淋水在管內逆流換熱，相當于發生直接蒸發冷卻，空氣和淋水等焓降溫，管內水膜通過管壁與管外一次空氣進行顯熱換熱，實現一次空氣的預冷。

在烏魯木齊地區直接蒸發冷卻效率選取為80%，間接蒸發冷卻效率選取為65%，根據直接蒸發冷卻效率公式進行計算，式中t1為室外空氣干球溫度，t1為室外空氣濕球溫度，t0為管內淋水溫度，管內淋水溫度接近二次排風溫度，經計算的管內淋水溫度近似為20.6℃，根據間接蒸發冷卻效率公式進行計算，經立管間接蒸發冷卻器處理后一次空氣溫度為23.56℃。根據立管間接蒸發冷卻器進風溫度、出風溫度和水膜溫度計算可得對數平均溫差為6.86℃，從而求得管內水溫的平均溫度為27.36℃，據此查詢干空氣熱物理參數，進行計算得立管間接蒸發冷卻器處理一次空氣熱負荷為235756W。

查詢《傳熱學》第五版附錄11：換熱設備的及概略值，得出加熱和冷卻水時換熱系數取值范圍=200～12000W/（m2·K），本設計選取1=220W/（m2·K）。

國外學者Briggs和Young對正三角形叉排布置的圓形翅片管束的管外空氣側換熱系數進行了研究，得出空氣橫掠翅片管管外換熱系數實驗公式：

式中：max為最窄截面空氣質量流量，kg/（㎡·s）；d，，為翅根直徑，翅片高度，翅片凈間距，m；為流體動力粘度，kg/（㎡·s）；C為流體定壓比熱容，J/（kg·℃）。

其余物性參數按氣流在管束進出口平均溫差查取。

2.3 冷凝盤管設計計算[8-14]

蒸汽接觸低于飽和溫度的壁面會發生凝結，蒸汽的凝結分為珠狀凝結和膜狀凝結。發生珠狀凝結時凝結液不能很好的潤濕壁面，聚集成一個個液珠，相當于在液珠和裸露的壁面之間進行換熱，由于液珠的表面積要比它所占據的壁面積大，并且與裸露壁面之間沒有熱阻，所以珠狀凝結效果比較好。膜狀凝結指蒸汽能很好的潤濕壁面，在壁面形成一層薄膜，換熱過程要經過薄膜才能到達壁面，增加了換熱熱阻，凝結效果比珠狀凝結要差，凝結效果跟薄膜厚度、運動狀態（層流或紊流）等因素有關系。因此，從設計角度考慮及對蒸汽凝結效果的影響，本設計采用膜狀凝結相關公式進行設計計算。蒸汽凝結水溫度高于管外水膜溫度，熱量將通過顯熱傳熱方式由凝結水經壁面傳遞到管外水膜[7-9]。

水膜與空氣之間的熱量傳遞是通過顯熱交換和潛熱交換進行。顯熱交換的驅動勢是溫差，水膜與空氣之間通過導熱、對流和輻射等方式進行熱量傳遞；潛熱交換的驅動勢是水蒸氣分壓力差，水膜表面水蒸氣分壓力大于空氣，水分子吸收水蒸氣凝結放出的熱量蒸發進入空氣中，帶走蒸汽凝結放出熱量。水膜與空氣之間總熱交換的驅動勢是焓差，熱交換過程與換熱設備表面形式和空氣流速等因素有關[1,8]。

因此，在本設計中忽略次要因素，蒸汽的冷凝過程主要包括以下幾個步驟：

蒸氣在水平管內的凝結；

蒸汽凝結熱經管壁傳到管外水膜；

管外水膜經導熱和對流方式將熱量傳給空氣。

根據相關經驗公式進行各換熱系數的計算如下所示。

先根據雷諾數判斷水平管內蒸汽流動狀態，雷諾數公式為：Re=，按式進行計算所得雷諾數將遠小于1600，因此判斷管內蒸氣流動狀態為層流，根據蒸汽凝結放熱系數計算公式：

1=0.729[]1/4

式中：t為蒸汽的飽和溫度，℃；為汽化潛熱，kJ/kg；為膜層平均溫度下的密度，kg/m3；為膜層平均溫度下的導熱系數，W/m℃；為膜層平均溫度下的動力粘度，kg/ms；為管道內徑，m；

管壁到管外水膜傳熱系數的影響因素有很多，包括淋水溫度、淋水量、風速等。管壁到管外水膜的傳熱系數可按下面的簡化公式進行計算。

2=153[]1/3

式中：為淋水量，kg/h；為最上層排管的長度，交錯排列時為最上層兩層排管長度，m；1為管道外經，m；

2.4 直接蒸發冷卻填料的設計計算[3,4]

直接蒸發冷卻填料用于一次空氣和淋水進行接觸，發生熱濕交換，從而空氣和淋水等焓降溫。填料表面和其結構比較復雜，空氣在填料內和水膜進行熱濕交換不能被看成任何一種單純形態的流動，其換熱過程與一次空氣的質量流速、淋水質量流量、一次空氣溫濕度等因素有關系。

根據熱量平衡關系，在不考慮水分蒸發帶走熱量的條件下由麥克爾焓差方程可以計算得出水的總散熱量：·=(″－)，考慮水蒸發帶走熱量時引入系數1/，從而得到修正式為：

而夏季在填料上發生的傳熱主要是水分蒸發帶走熱量，而依靠溫差傳導散熱很小，所以=/≈0，則：=1-2/，式中，為填料換熱過程中淋水的平均汽化熱值，在一般冷卻條件下，取值在0.9～1.0之間，實際計算時采用冷卻水溫2的值，根據上面值的公式可以繪制出值與溫度的相關曲線，根據曲線由2可查得值，本次設計選取=0.97。

散質系數受多種因素的影響，如淋水密度、空氣流量密度、進氣濕球溫度等，其計算公式常采用，本設計取為11000。

2.5 風機水泵的選型

表1 風機選型

表2 水泵選型

3 結束語

蒸發式冷凝器具有高效、節水、節能和占地面積小等優勢，在各個行業得到了廣泛的應用。本文對常規蒸發式冷凝器換熱理論進行分析，從冷凝器的結構上對其進行優化設計，將立管間接蒸發冷卻器、直接蒸發冷卻填料和冷凝盤管相結合，提出冷凝效率更高的復合型蒸發式冷凝器，根據傳熱過程對機組各部分進行了簡要的設計計算和風機水泵的選型。隨著人們節能意識的提高和蒸發式冷凝器的廣泛應用，提高蒸發式冷凝器的冷凝效率，對蒸發式冷凝器進行優化設計將逐漸受到人們的關注。

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（iii）依據評價值（j=1，2，…，n）對方案aj（j=1，2，…，n）進行排序，然后，選擇最優方案。

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The Optimal Design of the Evaporative Condenser

Wang Jun Huang Xiang Su Xiaoqing

( Xi' an Polytechnic University, Xi 'an, 710048 )

Through the analysis of heat transfer principle of evaporative condenser, The unit consists of vertical tube type indirect eavporative cooling section, packing section and condensing coil. A type of compound evaporative condenser that it’s condensation is more efficient is put forward, design and calculate the main components, it is concluded that each part of the required heat exchange area, the design and calculation is simple and practical.

evaporative condenser; vertical tube type indirect eavporative cooling section; packing section; condensing coil; efficiency

1671-6612（2016）05-552-05

TH48/TM925.12

A

陜西省統籌創新工程計劃項目（編號：2011KTCQ01-10）

王 ?。?988.10-），男，在讀研究生，E-mail：553882461@qq.com

指導教師：黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2015-08-10