空冷式冷凝器和蒸發式冷凝器的節能性能對比分析

王柳

摘 要：早些年國內外研究人員已經對蒸發式冷凝器及空冷式冷凝器做了大量實驗，通過實驗得出了蒸發式冷凝器節水節能的顯著優勢。而本文通過實驗發現，當冷凝溫度40℃時，上述兩種系統在各自允許的蒸發溫度工作范圍內，蒸發式冷凝系統的制冷量、冷凝器排熱量、壓縮機做功及壓縮機軸功率等各種性能系數遠遠優于空冷式冷凝系統，且蒸發式冷凝器的各項性能系數仍然略高于空冷式冷凝系統。所以，由于其卓越的節水性能，考慮到我國不同地區的降水及水域分布情況，蒸發式冷凝器還有較大的應用場合。

關鍵詞：蒸發式冷凝器;空冷式冷凝器;COP壓縮機功率;節能

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0060-04

Abstract： In earlier years， researchers at home and abroad have done a lot of experiments on evaporative condenser and air-cooled condenser， and obtained the obvious advantages of water saving and energy saving. This paper found that when the condensation temperature is 40°C， the two systems were within the scope of the allowed evaporation temperature， the performance coefficient of evaporative condenser was much better than that of air-cooled condenser， and the performance coefficient of evaporative condenser was still slightly higher than that of air-cooled condenser. Therefore， due to its excellent water-saving performance， considering the precipitation and water distribution in different regions of China， evaporative condenser has a large application.

Keywords： evaporative condenser;air cooled condenser;COP compressor power;energy conservation

中國共產黨第十九次全國代表大會提出了節能降耗和污染減排的目標，并作為約束性指標。因此，相關人員要充分認識節能工作的重要意義，進一步做好節能降耗工作。在該背景下，制冷行業的能耗問題也越來越受到重視，對制冷系統進行節能設計與節能改造并制定一系列能效標準，對節約能源十分重要。相對于傳統的風冷式冷凝器，由于蒸發式冷凝器節能效果突出，故對于其在各種環境工況下的實驗性能進行研究也顯得尤為重要。

空氣冷卻式冷凝器簡稱為風冷式冷凝器，工作原理是通過空氣帶走制冷劑放出的熱量，制冷劑在管內冷凝。蒸發式冷凝器是以水和空氣共同作為冷卻介質，主要利用部分水蒸發時吸收制冷劑氣體的熱量實現制冷劑冷凝，工作原理是制冷系統中壓縮機排出的制冷劑高壓過熱氣體經過蒸發式冷凝器中冷凝排管，使高壓高溫氣態的制冷劑與排管外的噴淋水和空氣進行熱交換。相當于把殼管式冷凝器和水冷卻塔系統、水泵綜合為一體，具有能耗低、安裝簡便、阻垢性能好的優點[1，2]。

1 國內外的研究成果

JIA S L[3]對蒸發式冷凝器和冷卻塔混合系統的實驗表明：蒸發式冷凝系統能有效降低冷凝溫度，有效減少換熱面積，節約器件成本。上海交通大學的劉洪勝等[4-6]人設計了一個10kW的蒸發冷凝式家用中央空調冷水機組，通過實驗得出：蒸發式冷凝器比空冷式冷凝器節能20%以上。牛立軍等[7]人通過研究發現，由于蒸發式冷凝器充分利用蒸發潛熱帶走熱量，使冷凝溫度大體上接近設計濕球溫度，使壓縮機功耗最小，比空冷系統節省30%，相對空冷系統風機功率減少60%～70%。宋印璽等[8]通過研究發現，將蒸發式冷凝器應用在余熱發電系統中，可降低凝結水溫度，從而提高熱力循環效率和發電機組的整體性能。與濕冷系統相比，僅循環水泵就能節水達50%以上，節電60%以上。

2 實驗系統介紹

本實驗系統主要由往復式壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥等組成。圖1為蒸發式冷凝系統的流程圖。當系統需要在空冷式冷凝系統條件下運行，則關閉蒸發式冷凝系統循環水泵并把系統內的水排干凈。設定系統運行工況：系統冷凝溫度40℃。

3 實驗結果分析

穩定系統冷凝溫度在40℃的情況下，對于空冷式冷凝系統，當蒸發溫度超過-22℃時，系統所需風量將超過風機額定容量。因此，空冷式冷凝系統的蒸發溫度無法超過-22℃。

圖2中上、下圖顯示了系統制冷量以及冷凝器排熱量隨蒸發溫度改變而變化的趨勢。從圖2上圖可以看出，在兩個系統各自的工況允許范圍內，蒸發式冷凝系統的制冷量平均遠高于空冷式冷凝系統。設置蒸發溫度為-24℃，對比兩系統的實驗數據：此時蒸發式冷凝系統（以下簡稱系統1）制冷量為210W，空冷式冷凝系統（以下簡稱系統2）制冷量為170W，系統1的制冷量比系統2制冷量高23.5%;而圖2下圖顯示：在兩系統各自工作允許的工況范圍內，與空冷式冷凝器相比，蒸發式冷凝器的排熱量均相對較高，在蒸發溫度為-2℃時，蒸發式冷凝器的排熱量達到910W，而空冷式冷凝器的排熱量則由于系統蒸發溫度的限制，仍然停留在190W，兩者此時的排熱量形成了較為明顯的數據差值，而排熱量較低的空冷式冷凝系統顯然不利于提高換熱效率，因而其使用性能遠弱于蒸發式冷凝器系統。究其原因，系統2的冷凝器傳熱系數較低，導致系統不能充分與冷卻介質進行熱量交換，排熱量最低。解決此問題的直接簡單的方法是提高系統風量，但增大風機容量又會出現新的問題，其中最值得注意的是能耗增高和噪聲增大問題。

功率與蒸發溫度的變化關系

圖3中上、中、下圖分別顯示了系統壓縮機做功、壓縮機電機的輸入電功率、壓縮機軸功率與蒸發溫度的變化關系。從圖3上圖可以看出，蒸發式冷凝系統中，壓縮機所做的功最多，導致制冷劑吸收的熱量也最多，進一步驗證圖2的結果。當蒸發溫度為-24℃時，與系統1相比，系統2制冷量較低，系統1中壓縮機對制冷劑所做壓縮功為80W，系統2中壓縮機對制冷劑所做壓縮功為61W，做功相比之下低了23.7%。圖3圖中顯示：當蒸發溫度為-24℃時，系統1中壓縮機所需功率為375W，系統2中壓縮機所需要電功率為350W，相比之下低了6.7%。圖3下圖表明了兩系統中壓縮機軸功率比較結果。當蒸發溫度為-24℃時，系統1中軸功率為180W，系統2中軸功率為160W，相比之下軸功率低了11.1%。所以，從以上數據可看出，同溫度工況下的蒸發式冷凝器性能均略高于空冷式冷凝器，其他工況下蒸發式冷凝器的性能優勢則更是明顯。

性能指數COP及冷凝器熱阻系數HRF的比較結果

圖4是空冷式冷凝系統及蒸發式冷凝系統基于壓縮機做功的性能指數COP的對比結果及此兩種冷凝系統的冷凝器熱阻系數HRF（將凝器的排熱量與蒸發器的制冷量的比值定義為HRF）的比較結果。從圖4上圖可以看出，在兩系統的各運行工況下，系統1的COP均相對較高;在蒸發溫度為-24℃的相同工況下，系統1的COP為2.8，系統2的COP為2.5，即此時蒸發式冷凝器的COP比空冷式冷凝器的COP高出13.6%。由于制冷量最低，因此系統2的HRF值最高。從圖4下圖可以看出，在各種工況下系統2的HRF值均高于系統1，而且，當蒸發溫度為-24℃時的相同工況下，兩系統的HRF分別是：系統2的HRF為1.39，系統1的HRF為1.35，兩系統的HRF的差值高達3%。由于HRF代表的是熱阻系數，故與COP等系數恰巧相反，數值越小表示系統性能越佳，越大則性能越差。故從性能系數HRF之比上也能看出蒸發式冷凝器系統的優越換熱性能。

圖5為此兩種系統基于壓縮機電機輸入的電功率及壓縮機軸功率性能指數COP的對比結果。由于系統2的能量利用率較高，因此其COP也較高。從圖5上圖可見，兩系統在各種工況下，蒸發式冷凝系統的基于軸功率的COP遠遠高于而空冷式冷凝系統，其中，當蒸發溫度為-24℃時，蒸發式冷凝系統基于軸功率的COP在1.18，空冷式冷凝系統基于軸功率的COP為0.95，系統1比系統2的基于軸功率COP高出24.2%。從圖5下圖中可以得出：在兩個系統各自的工作范圍內，蒸發式冷凝系統基于壓縮與電功率的COP數值明顯高于各個工況下空冷式冷凝器基于壓縮機電功率的COP，在蒸發溫度小范圍區域相同的情況下（即Te為-24～-22℃），蒸發冷式冷凝系統的基于壓縮機電功率COP仍高于空冷式冷凝系統的COP。當蒸發溫度為-24℃時，系統1的COP為0.58，系統2的COP為0.45，相比之下高出28.9%。此次的對比結果再次說明了蒸發式冷凝器的優越工作性能。

4 結論

當冷凝溫度40℃時，此兩種系統在各自允許的蒸發溫度工作范圍內，蒸發式冷凝系統的制冷量、冷凝器排熱量、壓縮機做功及壓縮機軸功率等各種性能系數遠遠優于空冷式冷凝系統;在蒸發溫度相同的范圍內，蒸發式冷凝器的各項性能系數仍然略高于空冷式冷凝系統。以上數據再次驗證了蒸發式冷凝器的優越工作性能。由于空冷式冷凝器冷凝能力受限于環境干球溫度，而蒸發式冷凝器受限于環境濕球溫度，因此，同空冷式冷凝器相比，蒸發式冷凝器冷凝溫度較低，而冷凝溫度每升高1℃，單位制冷量的耗電量將增加3%～3.5%，所以采用蒸發式冷凝器總功耗也會顯著降低，節能效果明顯。

通過調查美國和加拿大62個公用冷庫制冷裝置可以發現，蒸發式冷凝器的應用約占81%。從20世紀80年代起，我國化工行業和食品冷庫工程也開始采用蒸發式冷凝器代替水冷式冷凝器，20多年來的應用實踐證明其有明顯節能效果。由于蒸發式冷凝器卓越的節水性能，考慮到我國不同地區的降水及水域分布情況，尤其是在西部缺水地域，蒸發式冷凝器還有較多應用場合，如現在已廣泛應用于中西部地區戈壁發電的鍋爐降溫設備等。與風冷式冷凝器相比，蒸發式冷凝器的安裝空間可節約1/2以上，且安裝工藝簡單易操作，安裝工期短，這在施工方面極大地減少了工程預算成本。需要注意的是，要按要求定期對蒸發式冷凝器進行維護清洗，提高設備的換熱效率，延長使用壽命，更好地達到節能效果。

參考文獻：

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[7]牛立軍，劉建芬，張曉芳.蒸發式冷凝器的使用總結[J].聚氯乙烯，2005（7）：41-42.

[8]宋印璽，朱冬生，孫紀遠，等.蒸發式冷凝器在余熱發電冷卻系統中的節能節水研究蒸發式冷凝器的使用總結[J].熱力發電，2009（3）：14-17.