王 俊 黃 翔 蘇曉青

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蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 俊 黃 翔 蘇曉青

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

通過(guò)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱原理進(jìn)行分析，將立管間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻填料和冷凝盤(pán)管相結(jié)合，提出冷凝效率更高的復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器，并對(duì)其主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出各部分所需換熱面積，此設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單實(shí)用。

蒸發(fā)式冷凝器；立管間接蒸發(fā)冷卻器；直接蒸發(fā)冷卻器；冷凝盤(pán)管；效率

0 引言

冷凝器是制冷系統(tǒng)中的重要換熱設(shè)備，根據(jù)冷卻方式的不同分為空冷式、水冷式、蒸發(fā)冷式[1,2]。我國(guó)水資源比較緊張，尤其是城市地區(qū)缺水嚴(yán)重[5]，空冷式冷凝器雖節(jié)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(shí)段；水冷式冷凝器傳熱系數(shù)較高，能保證冷凝效率，但是需要設(shè)置冷卻塔，在消耗大量水資源的同時(shí)也造成循環(huán)水泵功耗損失；蒸發(fā)式冷凝器依靠管外水膜的蒸發(fā)進(jìn)行散熱，水的汽化潛熱帶走熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯熱換熱，而蒸發(fā)式冷凝器所用循環(huán)水量為水冷式的10%-30%，水泵功耗只有水冷系統(tǒng)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(jī)、風(fēng)機(jī)等功耗也小于空冷系統(tǒng)，并且蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，因此在工業(yè)和民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。

蒸發(fā)式冷凝器相比于空冷和水冷方式，雖然具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是其冷凝效果和節(jié)能潛力還有很大的上升空間。隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越重視自然資源的節(jié)約利用，蒸發(fā)式冷凝器若是能進(jìn)一步提高冷凝效率，充分發(fā)揮其節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，必定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，為國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出重大貢獻(xiàn)，因此對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)化更顯得重要。蒸發(fā)式冷凝器的冷凝過(guò)程比較復(fù)雜，影響其冷凝效率的因素有很多，包括噴淋水量、風(fēng)量、盤(pán)管布置、機(jī)組結(jié)構(gòu)等，本文主要從換熱原理上對(duì)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行分析，由機(jī)組結(jié)構(gòu)入手對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提出一種復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器，其冷凝效率高于常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器[5,6]。

1 復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)

復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器主要由立管間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻填料、閉式換熱盤(pán)管、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)五大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.立管間接蒸發(fā)冷卻器；2.風(fēng)機(jī)；3.預(yù)冷盤(pán)管；4.直接蒸發(fā)冷卻填料；6.冷凝盤(pán)管；7.噴淋架

復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行過(guò)程：室外空氣在風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入立管間接蒸發(fā)冷卻器，立管間接蒸發(fā)冷卻器中一部分室外空氣走管內(nèi)（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(huán)水送到立管間接蒸發(fā)冷卻器上部，由布水器對(duì)立管管內(nèi)進(jìn)行布水，管內(nèi)空氣與淋水逆流換熱，水溫降低，通過(guò)管壁與管外一次空氣進(jìn)行顯熱換熱，實(shí)現(xiàn)一次空氣的預(yù)冷過(guò)程，二次空氣在風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)收水器后排出機(jī)組；預(yù)冷一次空氣與冷凝盤(pán)管部分的淋水在直接蒸發(fā)冷卻填料上發(fā)生熱濕交換，空氣和淋水溫發(fā)生等焓降溫過(guò)程，空氣和淋水溫度降低，冷凝盤(pán)管內(nèi)熱量依靠水分蒸發(fā)、降溫空氣和淋水帶走，實(shí)現(xiàn)冷凝過(guò)程，一次空氣經(jīng)預(yù)冷盤(pán)管和收水器后由風(fēng)機(jī)排出。

常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器的重要部件為冷凝盤(pán)管，主要依靠管外淋水的蒸發(fā)帶走管內(nèi)熱量，同時(shí)管外空氣和淋水也會(huì)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(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器在結(jié)構(gòu)上采用立管間接蒸發(fā)冷卻器對(duì)室外空氣進(jìn)行預(yù)冷，相當(dāng)于降低了室外空氣濕球溫度，采用直接蒸發(fā)冷卻填料分層布置在冷凝盤(pán)管之間增加空氣與淋水的熱交換面積和接觸時(shí)間，經(jīng)過(guò)兩者的充分接觸降低經(jīng)冷凝盤(pán)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(fā)冷卻器處理空氣量比較少，此機(jī)組立管間接蒸發(fā)冷卻器采用翅片管，在增強(qiáng)換熱的同時(shí)增加了空氣處理量，避免了機(jī)組尺寸過(guò)大的現(xiàn)象；直接蒸發(fā)冷卻填料分層布置在冷凝盤(pán)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(qiáng)冷凝效果；預(yù)冷盤(pán)管的設(shè)置可以避免因氣態(tài)介質(zhì)溫度太高，在盤(pán)管上直接淋水而產(chǎn)生結(jié)垢的現(xiàn)象，同時(shí)起到一定收水作用，避免漂水損失。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定[1,5,7]

我國(guó)西北地區(qū)水資源匱乏，蒸發(fā)式冷凝器由于其高效節(jié)水的特點(diǎn)在該地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，而西北地區(qū)氣候干燥，干空氣能豐富，非常適合間接蒸發(fā)冷卻器和直接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用，因此選取新疆烏魯木齊地區(qū)作為設(shè)計(jì)地區(qū)。根據(jù)中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集，該地區(qū)夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為33.5℃，濕球溫度為18.2℃；該機(jī)組對(duì)蒸汽進(jìn)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(jī)組冷凝負(fù)荷為670kW。

配風(fēng)量是指該機(jī)組通過(guò)冷凝盤(pán)管的總風(fēng)量，即一次風(fēng)量。中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單位換熱量所需風(fēng)量為220m3/（h·kW），美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為0.03m3/（s·kW）。風(fēng)量增大，則帶走熱量增加，換熱效果增強(qiáng)，但是風(fēng)量增加的同時(shí)風(fēng)機(jī)功耗大，造成電耗的增加和噪音的污染，因此應(yīng)合理選擇配風(fēng)量。本設(shè)計(jì)選取美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)=0.03m3/（s·kW），根據(jù)計(jì)算公式1=×計(jì)算得一次風(fēng)量為72000m3/h。

淋水量是指冷凝盤(pán)管部分的總淋水量。淋水量以能否保證全部潤(rùn)濕盤(pán)管、形成連續(xù)水膜為標(biāo)準(zhǔn)。淋水量過(guò)小，水膜對(duì)盤(pán)管的包覆不充分，不能滿(mǎn)足冷凝要求；淋水量過(guò)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(guó)JB/T7658.5-95標(biāo)準(zhǔn)中單位冷凝負(fù)荷淋水量為0.032L/（s·kW），美國(guó)工業(yè)制冷手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)為0.018L/（s·kW）。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)工業(yè)制冷手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)=0.018L/（s·kW），由計(jì)算公式=×計(jì)算得淋水量為43t/h。

2.2 立管間接蒸發(fā)冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算[3,7,13]

立管間接蒸發(fā)冷卻器主要實(shí)現(xiàn)空氣的預(yù)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(nèi)，噴淋系統(tǒng)對(duì)立管管內(nèi)進(jìn)行淋水，管內(nèi)壁形成水膜，二次空氣和淋水在管內(nèi)逆流換熱，相當(dāng)于發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻，空氣和淋水等焓降溫，管內(nèi)水膜通過(guò)管壁與管外一次空氣進(jìn)行顯熱換熱，實(shí)現(xiàn)一次空氣的預(yù)冷。

在烏魯木齊地區(qū)直接蒸發(fā)冷卻效率選取為80%，間接蒸發(fā)冷卻效率選取為65%，根據(jù)直接蒸發(fā)冷卻效率公式進(jìn)行計(jì)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(nèi)淋水溫度，管內(nèi)淋水溫度接近二次排風(fēng)溫度，經(jīng)計(jì)算的管內(nèi)淋水溫度近似為20.6℃，根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻效率公式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)立管間接蒸發(fā)冷卻器處理后一次空氣溫度為23.56℃。根據(jù)立管間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和水膜溫度計(jì)算可得對(duì)數(shù)平均溫差為6.86℃，從而求得管內(nèi)水溫的平均溫度為27.36℃，據(jù)此查詢(xún)干空氣熱物理參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算得立管間接蒸發(fā)冷卻器處理一次空氣熱負(fù)荷為235756W。

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

國(guó)外學(xué)者Briggs和Young對(duì)正三角形叉排布置的圓形翅片管束的管外空氣側(cè)換熱系數(shù)進(jìn)行了研究，得出空氣橫掠翅片管管外換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)公式：

式中：max為最窄截面空氣質(zhì)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(dòng)力粘度，kg/（㎡·s）；C為流體定壓比熱容，J/（kg·℃）。

其余物性參數(shù)按氣流在管束進(jìn)出口平均溫差查取。

2.3 冷凝盤(pán)管設(shè)計(jì)計(jì)算[8-14]

蒸汽接觸低于飽和溫度的壁面會(huì)發(fā)生凝結(jié)，蒸汽的凝結(jié)分為珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)。發(fā)生珠狀凝結(jié)時(shí)凝結(jié)液不能很好的潤(rùn)濕壁面，聚集成一個(gè)個(gè)液珠，相當(dāng)于在液珠和裸露的壁面之間進(jìn)行換熱，由于液珠的表面積要比它所占據(jù)的壁面積大，并且與裸露壁面之間沒(méi)有熱阻，所以珠狀凝結(jié)效果比較好。膜狀凝結(jié)指蒸汽能很好的潤(rùn)濕壁面，在壁面形成一層薄膜，換熱過(guò)程要經(jīng)過(guò)薄膜才能到達(dá)壁面，增加了換熱熱阻，凝結(jié)效果比珠狀凝結(jié)要差，凝結(jié)效果跟薄膜厚度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（層流或紊流）等因素有關(guān)系。因此，從設(shè)計(jì)角度考慮及對(duì)蒸汽凝結(jié)效果的影響，本設(shè)計(jì)采用膜狀凝結(jié)相關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。蒸汽凝結(jié)水溫度高于管外水膜溫度，熱量將通過(guò)顯熱傳熱方式由凝結(jié)水經(jīng)壁面?zhèn)鬟f到管外水膜[7-9]。

水膜與空氣之間的熱量傳遞是通過(guò)顯熱交換和潛熱交換進(jìn)行。顯熱交換的驅(qū)動(dòng)勢(shì)是溫差，水膜與空氣之間通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等方式進(jìn)行熱量傳遞；潛熱交換的驅(qū)動(dòng)勢(shì)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(jié)放出的熱量蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，帶走蒸汽凝結(jié)放出熱量。水膜與空氣之間總熱交換的驅(qū)動(dòng)勢(shì)是焓差，熱交換過(guò)程與換熱設(shè)備表面形式和空氣流速等因素有關(guān)[1,8]。

因此，在本設(shè)計(jì)中忽略次要因素，蒸汽的冷凝過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

蒸氣在水平管內(nèi)的凝結(jié)；

蒸汽凝結(jié)熱經(jīng)管壁傳到管外水膜；

管外水膜經(jīng)導(dǎo)熱和對(duì)流方式將熱量傳給空氣。

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行各換熱系數(shù)的計(jì)算如下所示。

先根據(jù)雷諾數(shù)判斷水平管內(nèi)蒸汽流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)公式為：Re=，按式進(jìn)行計(jì)算所得雷諾數(shù)將遠(yuǎn)小于1600，因此判斷管內(nèi)蒸氣流動(dòng)狀態(tài)為層流，根據(jù)蒸汽凝結(jié)放熱系數(shù)計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)，W/m℃；為膜層平均溫度下的動(dòng)力粘度，kg/ms；為管道內(nèi)徑，m；

管壁到管外水膜傳熱系數(shù)的影響因素有很多，包括淋水溫度、淋水量、風(fēng)速等。管壁到管外水膜的傳熱系數(shù)可按下面的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算。

2=153[]1/3

式中：為淋水量，kg/h；為最上層排管的長(zhǎng)度，交錯(cuò)排列時(shí)為最上層兩層排管長(zhǎng)度，m；1為管道外經(jīng)，m；

2.4 直接蒸發(fā)冷卻填料的設(shè)計(jì)計(jì)算[3,4]

直接蒸發(fā)冷卻填料用于一次空氣和淋水進(jìn)行接觸，發(fā)生熱濕交換，從而空氣和淋水等焓降溫。填料表面和其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，空氣在填料內(nèi)和水膜進(jìn)行熱濕交換不能被看成任何一種單純形態(tài)的流動(dòng)，其換熱過(guò)程與一次空氣的質(zhì)量流速、淋水質(zhì)量流量、一次空氣溫濕度等因素有關(guān)系。

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

而夏季在填料上發(fā)生的傳熱主要是水分蒸發(fā)帶走熱量，而依靠溫差傳導(dǎo)散熱很小，所以=/≈0，則：=1-2/，式中，為填料換熱過(guò)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(shí)際計(jì)算時(shí)采用冷卻水溫2的值，根據(jù)上面值的公式可以繪制出值與溫度的相關(guān)曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)由2可查得值，本次設(shè)計(jì)選取=0.97。

散質(zhì)系數(shù)受多種因素的影響，如淋水密度、空氣流量密度、進(jìn)氣濕球溫度等，其計(jì)算公式常采用，本設(shè)計(jì)取為11000。

2.5 風(fēng)機(jī)水泵的選型

表1 風(fēng)機(jī)選型

表2 水泵選型

3 結(jié)束語(yǔ)

蒸發(fā)式冷凝器具有高效、節(jié)水、節(jié)能和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)常規(guī)蒸發(fā)式冷凝器換熱理論進(jìn)行分析，從冷凝器的結(jié)構(gòu)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將立管間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻填料和冷凝盤(pán)管相結(jié)合，提出冷凝效率更高的復(fù)合型蒸發(fā)式冷凝器，根據(jù)傳熱過(guò)程對(duì)機(jī)組各部分進(jìn)行了簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)計(jì)算和風(fēng)機(jī)水泵的選型。隨著人們節(jié)能意識(shí)的提高和蒸發(fā)式冷凝器的廣泛應(yīng)用，提高蒸發(fā)式冷凝器的冷凝效率，對(duì)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將逐漸受到人們的關(guān)注。

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（iii）依據(jù)評(píng)價(jià)值（j=1，2，…，n）對(duì)方案aj（j=1，2，…，n）進(jìn)行排序，然后，選擇最優(yōu)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(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2011KTCQ01-10）

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

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

2015-08-10