李泰宇 欧阳新萍

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

蒸发式冷凝器是一种水冷式冷凝器和冷却塔结构一体化的换热设备，其最大特点是换热效率高、循环水量小(节能)、结构紧凑、安装方便［1－2］。Ettouney指出蒸发式冷凝器的系统效率可高达99%［3］。国外学者对蒸发式冷凝器的研究起步较早，并建立相关的数学模型及传热传质关联式［4－6］;国内学者在蒸发式冷凝器的研究上也做出了重要的贡献，在影响蒸发式冷凝器换热性能因素及传热传质关联式的研究上，提出了自己的理论成果［7－11］。由于蒸发式冷凝器的传热传质的复杂性，现阶段国内外学者对蒸发式冷凝器的实验研究主要集中在修正分析模型、提出获得实验关联式的有效手段及强化换热等几个方面［12－15］。蒸发式冷凝器的主要工作过程是通过管外水膜的蒸发散热来对管内工质进行冷凝。因此，工艺管外液膜合理有效地分布，成为影响蒸发式冷凝器换热性能的主要因素。现有的蒸发式冷凝器的喷淋方式存在一定的弊端:如果按照上部工艺管的润湿条件喷淋，喷淋水量可以较小，但下部工艺管得不到有效润湿，从而影响冷凝器的换热效果;如果要照顾到下部工艺管的润湿，则需增大喷淋水量，上部的工艺管增加了无谓的水量，水泵的耗功将增加。喷淋水的溅散增加空气流动阻力，导致风机耗功增加。另外，工艺管束上部的液膜厚度也会由于大喷淋量而增厚，增加传热热阻。目前蒸发冷凝器的实际应用中，均是采用较大喷淋水量这种方式。因此为了提高蒸发式冷凝器的节能效果，改进现有蒸发式冷凝器的配水方式是非常重要的。

1 全管束配水蒸发式冷凝器的基本原理与结构

全管束配水蒸发式冷凝器与常规蒸发冷凝器的最大区别就是其配水器结构。由于新结构将管束上部集中配水改为分散配水，每一根配水支管仅负责其下部的一根工艺管的布水，从而使工艺管得到有效地润湿，进而减少喷淋水量，减少水泵的耗功，实现喷淋水泵的节能。另外，由于喷淋水量的减少和分散布水的方式，使得工艺管之间的溅散水滴减少，从而使得在管间流动的空气阻力减小、风机的耗功减小，实现风机的节能。此外，该配水结构可有效避免常规集中配水系统在小喷淋水量的情况下产生的局部干涸现象。全管束配水的蒸发式冷凝器的基本结构如图1所示。

图1实验装置图Fig．1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 实验装置及实验流程

2.1 实验装置

为了对全管束配水蒸发式冷凝器的布水效果和管外空气流动阻力进行实验，并与集中配水方式进行比较，设计了如图1所示的实验装置。工艺管及全管束配水管的结构参数如图2所示，全管束配水管长度为300 mm，管径为6 mm，采用铜管，其底端设置24个小喷淋孔，喷淋孔直径为0.5 mm。工艺管采用管径为19 mm光铜管，长度300 mm，正三角形叉排，管间距38 mm，总共6排、48根铜管。全管束配水管位于工艺管上方2 mm处，配水管数目与工艺管数目相同。本实验的工艺管和配水管均布置在300×300×300 mm的实验箱体内。

实验中主要使用的仪器仪表有低噪声轴流风机，转速为2800 r/min，额定风量为6000 m3/h。风量采用变频器调节。喷淋水量由浮子流量计测量;风速由转轮式风速仪(测量范围0～10 m/s，精度为1%)测量;在管束上下的直管风道的管壁上开有静压孔，用数字式差压仪(精度为1%)测量管束上下方两点的压差，测得空气流过管束的流动阻力。

2.2 实验流程

针对顺流和逆流两种流动形式，对集中配水和全管束配水蒸发式冷凝器进行了相关实验。根据蒸发式冷凝器常规的喷淋水密度范围，针对试件选取了三个喷淋水量(分别为0.5 m3/h、0.9 m3/h、1.2 m3/h)进行有关实验。在喷淋水量不变的情况下，通过由小到大地改变迎面风速(迎面风速范围0.5～4 m/s)，观察工艺管上水的喷淋状况和水膜的分布情况、测量管外空气的流动阻力。

图2全管束配水方式结构图Fig．2 The structure of water distributed tube

3 实验数据及分析

3.1 两种结构无喷淋水时空气流动阻力的比较

由于对配水结构的改进，将会对管外空气流动阻力产生影响，因此，首先针对无喷淋水状态，对集中配水结构和全管束配水结构的管外空气流动阻力进行实验，结果如图3和图4所示。

由图可以看出，在顺流状态时，全管束配水相比于集中式配水的管外空气流动阻力平均增加13%，这是由于全管束配水的喷淋管处于迎风面，影响了气流在管束间的分布，增加了流动阻力;而在逆流状态时，两种配水方式的管外空气流动阻力几乎相同。对于全管束配水，其逆流时管外空气流动阻力略小于顺流时，以迎面风速3 m/s为例，约减少16.7%，原因是由于喷淋管处于背风面，因此，对空气流动阻力影响较小。工业用蒸发式冷凝器的空气流动形式大多为逆流流动形式，因此可以说在结构上，全管束配水蒸发式冷凝器基本不会增加流动阻力。

图3无喷淋顺流对比图Fig．3 Comparison diagram of experimental results for parallel-flow without spray

图4无喷淋逆流对比图Fig．4 Comparison diagram of experimental results for counter-flow without spray

3.2 全管束配水结构有喷淋水时的空气流动阻力

在顺流和逆流两种状态下，实验通过固定喷淋水量，在0.5 m/s～4 m/s的迎面风速范围内，由小到大地改变迎面风速的方法，测量全管束配水蒸发式冷凝器管外空气流动阻力的变化情况。结果如图5、图6所示。

由图5可以看出，在顺流状态时，在实验范围的喷淋量下，喷淋水量对空气流动阻力影响不大;与图3比较，顺流有喷淋水的空气流动阻力要略低于无喷淋水状态，这是由于同方向流动的喷淋水对空气的流动有推动作用造成的。由图6可以看出，在逆流状态时，随着迎面风速的增加，管外空气流动阻力逐渐增大，在迎面风速达到一定程度时，流动阻力出现激增现象，这个突变点的迎面风速为3.5 m/s左右。据分析，产生阻力激增这种现象的主要原因是由于风速较大，将逆向流动的喷淋水吹起，致使喷淋水无法有效顺利的流动，从而造成阻力急剧增大，即产生“气堵”现象。从喷淋量角度看，管外空气流动阻力随喷淋量的增大，有先增大后减小的趋势。经计算，逆流状态时，管外空气流动阻力随喷淋量的增大分别增加40%和减少18.7%。这个现象值得关注和进一步研究，对于逆流形式的全管束配水蒸发式冷凝器的喷淋水量设计，要尽量避开产生最大的空气流动阻力的喷淋水量。

图5全管束配水顺流实验结果图Fig．5 Diagram of experimental results of disturbing water on every tube for parallel-flow

图6全管束配水逆流实验结果图Fig．6 Diagram of experimental results of disturbing water on every tube for counter-flow

3.3 两种结构有喷淋水时空气流动阻力的比较

在顺流和逆流状态下，对不同喷淋水量的集中配水和全管束配水蒸发式冷凝器的管外空气流动阻力的实验结果进行了对比，结果如图7至图8所示。

图7可以看出，在顺流状态时，对于0.9 m3/h的喷淋水量，两种方式空气流动阻力相差不大，而当喷淋水量为1.2 m3/h时，全管束配水比集中配水的管外流动阻力平均减少11.5%。据分析，全管束配水可以有效地使喷淋水在工艺管外形成水膜，可以大大的减少喷淋水的溅散，因此，全管束配水方式的管外空气流动阻力较低，在顺流较大喷淋量时，这种表现更明显。因此，全管束配水方式可以有效地节能。

图7集中配水与全管束配水顺流对比图Fig．7 Comparison diagram of experimental results of parallel-flow

图8(a)(b)可以看出，在逆流状态时，两种配水方式均在风速增加到一定程度时出现了阻力激增的现象，集中配水在迎面风速为2.5 m/s，而全管束配水的阻力激增点为3.5 m/s。在阻力激增点之前，全管束配水比集中配水的管外流动阻力平均减少24.2%和49.7%(喷淋量为 0.9 m3/h、1.2 m3/h，迎面风速范围为1.5～3.0 m/s)。当迎面风速较大时，蒸发式冷凝器内的空气更新频率加快，致使空气中的水蒸气分压力保持较低点，进而增大水膜的蒸发速率，使得换热性能大幅度提升，同时较大的迎面风速能够增大对管外水膜的扰动作用，同样可以提高换热性能。由于全管束配水的阻力激增点的迎面风速更高，因此，全管束配水蒸发式冷凝器可以使用更高的迎面风速达到更大的换热效果或者采用较低的流速来节约风机的耗功。

图8集中配水与全管束配水逆流对比图Fig．8 Comparison diagram of experimental results of for counter-flow

3.4 两种结构有喷淋水时的布水观察

喷淋量的大小以液膜覆盖换热管表面为依据。从实验情况看，全管束配水结构在喷淋量为0.9～1.2 m3/h(即喷淋密度10～13.3 t/(m2·h))时的液膜覆盖情况较好，与集中配水结构的喷淋水量1.2～1.5 m3/h(即喷淋密度13.3～16.7 t/(m2·h))时的液膜覆盖情况相当。说明全管束配水结构的循环水量可低于集中配水结构的循环水量。较低的循环水量有利于减少循环水泵的功耗。

4 性能评价

一种广泛采用的换热器性能评价指标是:换热量与流体输送机械消耗的功率的比值。对于蒸发式冷凝器，与水冷式冷凝器相比，其更大的意义在于能降低冷凝温度，一般可降低3～4℃，这对于空调制冷机组而言，压缩机的功耗约可降低9% ～11%。因此，其评价指标中的功率应该包含压缩机的功耗。该评价指标η可表述为:

由图8(空气层厚度12 mm，相对湿度65%)可以看出，当空气层厚度为12 mm时，供水温度升高，供冷能力快速减小.供水温度每升高1 ℃，辐射板表面平均温度平均升高0.52 ℃，供冷能力平均减少17 W/m2.过高的供水温度不仅会造成供冷能力的不足，同时会降低辐射板表面的均匀性.当供水温度降低至14 ℃时，辐射板表面最低温度与平均温度的差值增大.当供水温度为15 ℃时，辐射板表面的最低温度最接近平均温度.

式中:Q为蒸发式冷凝器的换热量，W;NP为蒸发式冷凝器流体输送机械消耗的功率，W;NC为压缩机的功耗，W。

包含下标“0”的参数可以是水冷冷凝器及系统的参数，也可以是作为比较基准的蒸发式冷凝器及系统参数。显然，该值大于1就表示该蒸发式冷凝器性能优秀，数值越大越好。其中，NP或NP0可包含水泵功率和风机功率，对于水冷冷凝器，NP0只包含水泵功率。对比水冷冷凝器的蒸发冷凝器评价指标为:

式中:NW为水泵功耗，W;NF为风机功耗，W。

根据部分企业的某型号蒸发冷凝器的参数统计:100冷吨的蒸发冷凝器平均风机功率5.5 kW、循环水泵功率3 kW、循环喷淋水量70 m3/h，水的蒸发量0.63 m3/h，28℃湿球温度下的散热量约为395 kW，制冷系统压缩机功率90 kW;相同散热量下采用水冷式冷凝器的水泵功率为9 kW，压缩机功率100 kW。则该蒸发冷凝器的评价指标为:

说明蒸发冷凝器的性能优于水冷冷凝器，该案例可节能10%左右。随着湿球温度或相对湿度的降低，节能效果还可以提高。

对于全管束配水蒸发式冷凝器，喷淋水量会减少，喷淋水流动阻力会增加，经估算，两者的变化幅度大致相当，也就是水泵的功率基本不变。以常规的逆流形式的蒸发冷凝器比较，全管束配水结构的空气流动阻力平均降低35%，则全管束配水蒸发冷凝器的性能评价指标η″为:

因此，全管束配水蒸发式冷凝器与常规蒸发式冷凝器相比，性能评价指标更高，可节能2%左右。另外，较小的风机功率可降低噪声。

当然，全管束配水结构的喷淋孔会较小，可能容易由于水质问题而造成堵塞。解决的方法可以是加装过滤器或对喷淋水进行处理、保证其水质符合使用的要求。

此外，前述案例中，循环喷淋水量与水的蒸发量相比(循环倍率)为111。由于蒸发的水量才是带走热量的最主要部分，因此111倍的循环倍率也确实偏高了，但针对传统结构而言，过低的循环倍率可能会造成部分管子表面干涸。全管束配水结构由于针对每根管子配水，可采用较低的循环倍率，减少循环的喷淋水量。

5 结论

1)全管束配水蒸发式冷凝器的管外空气流动阻力，在顺流和逆流状态下均小于相同喷淋量下的集中配水蒸发式冷凝器，在喷淋量为1.2 m3/h的情况下，管外空气流动阻力平均减少11.5%和49.7%，可减少风机功耗，减低噪声。

2)在逆流状态下，全管束配水蒸发式冷凝器同样也会出现“气堵”现象，但相比于集中配水方式，阻力激增点的迎面风速更大，为3.5 m/s。因此全管束配水蒸发式冷凝器可以使用更高的迎面风速来取得更好的换热效果。

3)全管束配水结构的循环水量可低于集中配水结构的循环水量。较低的循环水量有利于减少循环水泵的功耗。

4)逆流时的全管束配水结构随着喷淋量的变化存在一个空气流动阻力的峰值点，设计时要尽量避开这点。

5)全管束配水蒸发式冷凝器与常规蒸发式冷凝器相比，应用于制冷系统中可节能2%左右。

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