（轮机工程专业论文）蒸发式冷凝器性能测试实验室设计.pdf

中文摘要 摘要 随着建设节约型社会目标的提出和水资源供求矛盾的日益突出，具有节能、 节水特点的蒸发式冷凝器在我国制冷领域的应用正日益广泛。研究各因素对蒸发 式冷凝器工作性能的影响规律有重要意义。但是蒸发式冷凝器传热传质过程十分 复杂，采用理论方法工作量巨大且效果不理想。因此本文设计了蒸发式冷凝器性 能测试实验室，通过实验的方法进行研究。+ 本文首先参考国外已有的标准并结合实际情况设计了实验室总体方案；并对 重要设备如制冷压缩机、蒸发器和表冷器进行了选型设计：然后设计了空气处理 系统来模拟各地空气状态并对其中的关键设备进行了选型计算；接着设计了测控 系统并选取了测量仪表；最后提出了实验方案以及数据整理方法。 本文的设计中用效率更高的新型板式换热器代替了原a n s 姒s h r a e6 4 2 5 0 0 标准中压缩驱动循环系统中的电加热蒸发器，加热冷剂后得到的低温淡水还 可以用于冷却进气通道中的空气，不仅提高了效率，而且更加节能；实验室方案 中增加了空气处理系统，可以实现随时对全国各地各季节的空气状态进行模拟， 方便实验的进行；采用数据采集系统将数据整体采集到电脑中方便数据处理，而 且对于变化频率不高相对较为稳定的数据采取传统仪表进行人工读数，在保证测 试结果准确性的前提下降低了成本。 实验进行完毕后，依据本文提出的数据整理方法对所记录的数据进行计算整 理后，可以直观地从图形中分析出各因素对蒸发式冷凝器性能的影响规律，从而 为蒸发式冷凝器的设计以及选型提供依据。 关键词：蒸发式冷凝器；性能测试；实验室；方案设计 英文摘要 d e s i g no fl a b o r a t o r yf o re v a p o r a t i v ec o n d e n s e r sp e r f o r m a n c et e s t a b s t r a c t a st h eo b j e c to fb u i l d i n ga ne c o n o m i c a ls o c i e t yi sp r o p o s e da n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do ff r e s hw a t e ri sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t ， e v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri sb e i n gm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nr e f r i g e r a t i o nf i e l di n c h i n a i ti s r e a l l yn e c e s s a r yt of i n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne a c hf a c t o ra n dt h e p e r f o r m a n c eo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r b u tt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rr e g u l a t i o no f e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r sp e r f o r m a n c e i sr e a l l yc o m p l e xt h a ti ti sq u i e tc o n v o l u t e dt og e t ai d e a lr e s u l t si nat h e o 巧m e t h o d al a b o r a t o r yi se s t a b l i s h e dt od ot h i sj o bi na n e x p e r i m e n t a lw a y i nt h i sa r t i c l e f i r s t ，t h i sa r t i c l ed e s i g n st h ep r o j e c to ft h et e s tu n i ta c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n r e f e rt of o r e i g ns t a n d a r d s s e c o n d t h es e l e c t i o no fu t i l i t i e si nt h eu n i ti sm a d e t h i r d ，a n a i rp r o c e s s i n gu n i ti sd e s i g n e dt os i m u l a t ea l lc l i m a t ec o n d i t i o n si nc h i n aa n da l s ot h e s e l e c t i o no fm a i nu t i l i t i e si nt h eu n i ti sm a d e f o u r t h , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m i sd e s i g n e da n di n s t r u m e n t sa l es e l e c t e d f i n a l l y ，t h i sa r t i c l eg i v e sas e to ft e s tp r o j e c t a n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d t h ee l e c t r o n i ch e a t i n ge v a p o r a t o ri nt h eh i g h - s i d eg r a v i t yr e c i r c u l a t i o ns y s t e mi n a n s i a s h r a e6 4 2 5 0 0s t a n d a r di sr e p l a c e db yan e wt y p ep l a t ee v a p o r a t o rw h i c hi s m o r ee f f c i e n ta n de n e r g y s a v i n g ，b e c a u s et h ec o l dw a t e ro u t l e tf r o mt h ee v a p o r a t o rt h a t i su s e dt oh e a tt h ec r y o g e nc a nb eu s e do n c ea g a i nt oc o o lt h ea i ri nt h ea i ri n l e tt r u n k ； a na i rp r o c e s s i n gu n i ti sd e s i g n e di nt h el a bd e s i g n , s ot oi m i t a t ea l lk i n d so fw e a t h e ri n e a c hs e a s o ni ne v e r yl o c a t i o no fc h i n aa ta n yt i m et h et e s ti sb e i n gm a d e ；t h ed a t a s e l e c t i o ns y s t e mc a ns e n da l lt h ed a t ai nt h et e s tt ot h ec o m p u t e ra to n et i m e ，a n dt o r e d u c et h ec o s to ft h et e s ts o m ed a t aw h i c hi sm o r es t a b l ea l er e a dm a n u a l l yt h r o u g h t r a d i t i o n a lm e t c r si ft h i sc a nn o ts a c r i f i c et h ep r e c i s i o no ft h et e s t i fd e a l i n gw i t ht h ed a t ar e c o r d e da c c o r d i n gt ot h ew a ys u g g e s ti nt h ea r t i c l ea f t e r t e s t , r u l e so ff a c t o mt h a th o wt h e yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee v a p o r a t i v e c o n d e n s e rc a l lb ee a s i l yo b t a i n e d s ot h es e l e c t i o no fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e rc a nb e c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h er u l e s 英文摘要 k e yw o r d s ：e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ；p e r f o r m a n c et e s t ；l a b o r a t o r y ；d e s i g n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明i 本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：蒸筮式硷猛器性能型达塞殓窒遮让：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 、 论文作者签名：叼名易j 研年弓月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 不保密d ( 请在以上方框内打“ ) ：御i e i 辫i - 1 ：茎笔素畸 ! 积年弓月弓日 第1 章绪论 1 1 蒸发式冷凝器简介 根据冷却介质和冷却方式的不同，常用的冷凝器一般可分为水冷式、空气冷 却式( 或称风冷式) 及蒸发式三种。由于冷却效果较差、冷凝温度较高，空气冷 却式冷凝器主要用于缺乏冷却水源的场所、分散式以及小型制冷系统。而大、中 型制冷系统，过去应用最多的是立式或卧式壳管式( 水冷) 冷凝器。为了减少冷 却水消耗量，该冷凝器大多使用循环水，故有需建冷却水塔、装置占地面积大、 循环水泵和冷却水塔风机功率能耗大的缺点。蒸发式冷凝器具有节水、节电、结 构紧凑和占地面积小等优点，是一种节约能源型产品，具有良好的发展前景。 壤嚷 气毒麓冷熬 囊警 襄彩纂冷蔫二 杈瓣瓣势髯黧 骥獭 缀繇壤豢 图1 1 蒸发式冷凝器工作原理图 f i g 1 1d i a g r a mo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r sw o r kp r i n c i p l e 如图所示，蒸发式冷凝器其实是冷凝器和冷却塔的组合，冷却水由循环水泵 送至冷凝盘管的上部，经喷嘴喷淋至冷凝管组外表面形成水膜往下流动，由于水 膜中部分水蒸发时吸收热量而使管内高温、高压的制冷剂蒸汽冷凝成液体。空气 则由箱体上方和下方同时进入，将冷凝器管外的水蒸气带走。当空气温度低于水 第l 章绪论 温时，还可起一定的冷却作用。未蒸发的水仍返回至箱底水池中，用浮球保持一 定的水位，依此循环工作。 由于蒸发式冷凝器的循环水流量仅为水冷式冷凝器的1 0 ，水泵的能耗将明 显降低。风冷式冷凝器虽然不用水泵只需要风机，但其空气流量要比蒸发式冷凝 器大数倍，而且冷凝器压力较高。从上世纪7 0 年代起，国际上水冷式冷凝器开始 逐步被蒸发式冷凝器取代。8 0 年代起，我国开始从国外引进蒸发冷凝器技术。近 二十年的应用实践证明，它有明显的节能效果。 1 1 1 传热机理 蒸发式冷凝器主要利用水蒸发吸收潜热传递热量以达到冷却的目的。它的传 热传质过程由两部分组成： ( 1 ) 热量通过换热管内壁传给管外水膜，传热的驱动力来自于制冷剂和水膜 的温差； ( 2 ) 热量通过水膜与空气的热质交换释放给空气，传热的驱动力取决于两者 的焓差。由此可见，蒸发式冷凝器主要是利用流经换热盘管的水膜中部分水的汽 化潜热，这与风冷式和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂蒸汽的热量是完全不同 的。 显热传熟 ( 对流) 潜热传熟 ( 蒸发) 图1 2 蒸发式冷凝器传热机理简图 f i g 1 2d i a g r a mo fh e a tt r a n s f e rp r i n c i p l eo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 1 1 2 蒸发式冷凝器的优点 与传统的风冷和水冷式冷凝器的比较：风冷式冷凝器的传热是依靠冷凝温度 与环境干球温度的差值，而蒸发式冷凝器的节能效果取决于环境湿球温度，通常 干湿球温度相差7 1 2 ，加上水膜与金属壁面的传热系数大，再加上如果蒸发式 冷凝器是吸风式的话，风机产生局部负压作用，因此蒸发式冷凝器的冷凝温度远 低于空冷式。 水冷式冷凝器的传热的驱动力是冷凝温度与水温的差值，在外部气象条件相 同，即有相同的湿球温度和水温时，其传热的驱动力相当，蒸发式冷凝器传热能 力强的原因主要是：交叉流的气流扰动和水膜的流动及蒸发过程引起的热质交换。 在生产中具体体现为以下方面： ( 1 ) 节水；一般在水冷式冷凝器中，每千克冷却水能带走1 6 7 5 - - - 2 5 1 2 k j 热量， 而l k g 水在常压下蒸发能带走约2 4 2 8 k j 热量，因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为 一般水冷式冷凝器的1 ；考虑到飞溅损失、排污换水等因素，实际耗水量约为水 冷式的5 0 o - - 1 0 。所以蒸发式冷凝器尤其适用于我国北方的干旱地区。 ( 2 ) 节电；采用蒸发式冷凝器的制冷系统冷凝温度每升高1 ，单位制冷量 的耗电量将增加3 0 0 , 3 5 。因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少， 冷凝器的总耗功率( 即水泵和风机功率) 也显著降低，据统计要比壳管式冷凝器 加水冷却塔系统节电1 0 左右，比空冷式冷凝器节电3 0 以上。所以大力推广蒸 发式冷凝器的应用范围对于缓解我国的能源紧张状况也大有脾益。 ( 3 ) 结构紧凑；由于不需要设置冷却塔，故整个装置结构紧凑、体积小、占 地面积少，且安装方便，日常维修工作量小。 ( 4 ) 环保。一般采用壳管式冷凝器的话，到了夏季，由于冷凝压力过高，常 常采用“放空降压 ，但每次放出的并不全是不凝性气体，其中含有大量的氨气， 有时甚至高达9 0 ，不仅损失了大量的氨气冷剂，还造成了环境的污染。但蒸发 式冷凝器不存在这一问题i l j 。 第1 章绪论 1 1 3 蒸发式冷凝器的分类 ( 1 ) 根据风机在蒸发式冷凝器中的位置不同，可分为吸风式蒸发式冷凝器和 送( 鼓) 风式蒸发式冷凝器【2 1 。 ( 2 ) 预冷式和非预冷式： 预冷式蒸发式冷凝器将从压缩机出来的高温高压冷剂蒸汽先导入到位于蒸发 式冷凝器箱体上方的带翅片的预冷盘管，与从下方上来的经过与冷剂热质交换后 的高温空气初步进行热交换后，再流过盘管进行蒸发式热交换。这样有下列好处： ( a ) 充分利用了空气的相对于冷剂的冷量火用； ( b ) 经过预冷却的冷剂蒸汽温度降低后，会减轻盘管上的结垢： ( c ) 温度降低后更有利于传热的进行。 ( 3 ) 带p v c 填料和不带p v c 填料： 对于传统的蒸发式冷凝器凉水系统都是采用填料。到目前为止大多数采用的 是p v c 填料。采用填料虽然能够达到冷却效果，但由于填料的厚度较小，长时间 在高温的条件下容易老化、变形、碎裂、堵塞以及出现沟流，从而影响换热效果， 并增大空气阻力。采用无填料的雾化凉水装置系统，将循环水利用低压雾化装置 喷成滴状，使空气与水充分地接触，实现凉水的目的。避免了采用填料带来的老 化、碎裂、堵塞和沟流问题。从而达到长期稳定运行，减少了维修工作量【3 】o ( 4 ) 光管式和其他盘管式 现在多流行椭圆盘管。与传统的圆形光管相比： ( a ) 扁形椭圆管的设计使盘管排列更紧凑，管间距更小，单位空间内管 子面积更大； ( b ) 降低了空气阻力； ( c ) 管子与水的热交换时间更长，更充分。 1 1 4 蒸发式冷凝器的应用 由于蒸发式冷凝器在节能和节水方面具有巨大优势，所以蒸发式冷凝器正在 逐步取代传统的风冷式冷凝器和水冷式冷凝器，从而应用于各个方面。我国的企 业目前也正在进行各种尝试，并且已经取得了可喜的成果。如西北工业大学就尝 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 试将蒸发式冷凝器应用于热泵海水淡化装置中，并初步得出对于家用海水淡化系 统是可行的【4 1 。上海交通大学和青岛海信日立空调系统有限公司针对将蒸发式冷凝 器用于家用中央空调机组的可行性进行了分析，最后得出是可行的这一结论【5 1 。 1 2 蒸发式冷凝器研究现状 虽然蒸发式冷凝器与风冷式冷凝器和水冷式冷凝器相比，性能有很大的优势， 但是其性能仍具有很高的提升空间。 国外关于蒸发式冷凝器的研究大多集中于管内无相变的蒸发式冷却器的研究 和蒸发式冷凝器的理论及性能模拟研究。 近两年来电力资源的紧张和水资源的匮乏，促进了国内有关学者特别是制冷工 作者对蒸发式冷凝器的关注。但大多局限于蒸发式冷凝器应用的分析研究，缺乏 较为完善的理论分析和系统化的实验研究，无法为工程应用提供强有力的理论指 导依据和设计计算参考。 随着科技的进步和节水节能需求的不断增长，蒸发式冷凝器在制冷系统中应用 的实验数据和设计理论成为一个潜在的和势在必行的重要研究课题。但由于蒸发 式冷凝器的冷却过程异常地复杂，不仅包含传热过程，而且还涉及到传质过程。 传热过程又同时有显热和潜热的交换。所以导致影响蒸发式冷凝器传热效果的因 素繁多，使得建立理想的数学模型非常困难，因此找到能够精确地反映出蒸发式 冷凝器的真实传热传质过程的计算公式几乎是不可能的。目前进行的相关理论计 算都只是大体上定性地反映出了几个主要参数，如环境湿球温度、冷剂蒸汽盘管 处的风速、喷淋密度等对蒸发式冷凝器制冷量的影响关系睁引。为了更详细地了解 蒸发式冷凝器内部的传热传质过程，本文决定采用建立实验室的方法，在模拟冷 凝器实际运行工况的条件下，分别就各相关参数对蒸发式冷凝器性能的影响进行 逐一地分析，并总结规律。这样，在新型蒸发式冷凝器的设计研制过程中以及蒸 发式冷凝器的实际选型时，才会有有更加准确的参考依据。 第1 章绪 论 1 3 建立实验室 要采取实验的方法研究蒸发式冷凝器的性能就必须要建立实验室。需要构建 制冷系统，选购蒸发式冷凝器，建立空气处理系统，以及选择厂房等众多问题。 成本非常昂贵。现采取与大连亿德斯制冷设备有限公司合作的方式建立实验室。 制冷系统进气控制系统以及厂房均由大连亿德斯制冷设备有限公司提供。这样既 可以实现本文的研究目的，所得的实验结果又可以反过来指导大连亿德斯制冷设 备有限公司对其产品进行改进，实现各取所需。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 依据a s h r a e 标准结合实际设计实验室； ( 2 ) 根据实验室需满足的要求设计制冷系统； ( 3 ) 参照全国各地气象资料设计空气控制系统； ( 4 ) 设计测控系统； ( 5 ) 确定具体实验方案： ( 6 ) 对实验数据进行整理并分析。 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 第2 章文献综述 2 1 国外研究进展 从国外蒸发冷却技术发展情况来看，他们起步较早，所取得的理论和研究成 果水平也较高，美国多年来对蒸发冷却技术进行了深入的研究，许多制冷学术会 议上对蒸发冷却技术的研究非常深入细致。 1 9 5 2 年，s g c h u k l i n 率先提出了一种关于蒸发式冷凝器设计的普遍化方法 【9 】 o 1 9 6 2 年，p a r k e r 和t r e y b a l l 研究了蒸发式冷却器的传热、传质性能，阐明了 蒸发式冷却器的传热、传质机理，并通过对管内外流体五种不同的组合实验，得 到了传热膜系数的关联式【1 0 1 。 1 9 6 7 年，m i z u s b i n a 等人通过对蒸发式冷却器的实验研究，关联出了一些传热 膜系数的经验公式1 。 1 9 7 3 年，尾花英郎在水科笃郎等人提出的传热膜系数经验公式的基础上，比 较系统地提出了蒸发式冷却器的设计方法，并作出了氨为工质、冷却温度在6 0 1 0 0 ( 2 范围内的热效率对传热单元数的一系列图表屹】。 19 7 5 年，s g c h u k l i n 对具有润湿薄膜换热表面的平板式蒸发冷凝器进行了 实验研究，发现由于润湿薄膜与空气之间存在较大的温度差而引起了剧烈的传热 和雾化现象，并提出了一种与尺寸无关的实验结果关联式【1 3 】。 19 8 3 年，u r i v e1f i s h e r 、w o l f g a n g l e i d e n f r o s t 和j i a s h a n g l i 对蒸发式冷凝器与 凉水塔混合系统的实验表明此系统能显著降低冷凝温度，并节约换热面积。此外， 共同开发了一套用于设计水平或竖直放置的光管、翅片管蒸发式冷凝器与凉水塔 混合系统的计算机程序，应用效果良好【1 4 】。 1 9 8 4 年，p e r e z b l a n e o 和w a b i r d 对竖直管蒸发式冷却器做了传热传质试验 研究，结果表明控制热阻发生在空气与水的交界面，并建立了适用于光滑竖直管 蒸发式冷凝器性能计算的经验关联式【1 5 1 。 第2 章文献综述 1 9 8 5 年，r a l p hl w e b b 和a 1 e i a n d r o v i l l a c r e s 对蒸发式换热器( 凉水塔、流 体冷却器、冷凝器) 做了性能模拟，其模拟算法与制造厂家( 美国巴尔第摩) 提 供的数据差别在3 以内1 1 6 1 。 1 9 8 8 年，p j e r e n s 对几种蒸发式冷却器芯体的设计方案做了模拟计算探讨， 发现添加的塑料材料( m u n t e r ) 可以显著地增强光滑管冷却器的传热性能，而不 需要使用成本很高的翅片管以增加传热面积【1 7 】。 19 9 3 年，w o j e i e c hz a l e w s k i 给出了蒸发式冷凝器一种新的传热传质模型，同 时撰写了适用于光管蒸发式冷凝器的计算机程序，其计算结果同试验结果比较误 差平均在3 ，其中误差最大也不超过2 0 l 阁。 1 9 9 7 年，f a i s li 等人对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究，结果表明带 有凉水塔的两步式蒸发冷却器要比没有凉水塔的系统具有更高的换热效率，也优 于一步、直接接触式蒸发冷却器【1 9 】。w o j e i e c hz a l e w s l ( i 等人就逆流式蒸发式流体 冷却器的传热传质过程进行了讨论，修正了光滑管蒸发式冷却器几何分布尺寸的 影响，其模型和蒸发式水冷却器的实验进行比较具有很好的吻合性【2 0 】。 1 9 9 8 年，b o r i sh a l a s z 从热力学角度，以能量、动量、质量平衡为基础，通过 分析蒸发式冷凝器内传热传质及流动阻力，给出了当今所有类型的蒸发式冷却装 置通用的数学模型。主要包括冷却塔、蒸发式冷凝器、蒸发式冷却器、空气净化 除湿等装置1 2 。 2 0 0 0 年，y u n h oh w a n g 等人对转盘蒸发式冷凝器进行了实验研究。实验严格 按照a s h a r e 的测试条件进行，使用的制冷剂是氟利昂r 2 2 ，通过实验优化了转 盘速度和系统的操作参数。转盘蒸发式冷凝器同传统的风冷式冷凝器相比较，冷 凝负荷提高了1 8 - 8 1 ，c o p 提高了1 1 1 2 1 6 ，季节性能效比( s e a s o n a le n e r q y e f f i c i e n c yr a t i o ) ，提高了1 4 5 t 2 2 1 。 2 0 0 1 年，k a m a n s k e 等人对蒸发式冷凝器在工业制冷系统中对需要在不同蒸 发温度中使用的场合进行了控制研究，对系统中的各部件建立了模型。仿真计算 结果表明，进行优化设计和控制的蒸发式冷凝器制冷系统每年可以节约能耗1 1 以上【2 3 1 。h i s h a mm e t t o u n e y 等人对蒸发式冷凝器( 采用两组翅片管+ 填料的结构 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 型式) 的性能进行实验研究，同时和风冷式冷凝器进行比较。结果表明蒸发式冷 凝器的系统效率介于9 7 - - - 9 9 之间，而风冷式冷凝器系统效率介于8 8 - - - 9 2 之间【2 4 】。 2 0 0 3 年，a l ah a s a n 和k a is i r e n 对光管和翅片套管蒸发式冷却器在相同操作 条件下进行了性能比较实验研究，表明对于一定的管束容积，翅片管束在相同能 量指数下传递热量较多，可达9 2 一1 4 0 2 5 1 。 2 0 0 4 年，a l ah a s a n 和k a is i r e n 对椭圆光管和圆管蒸发式冷却器在相同操作 条件下进行了性能比较实验研究，表明椭圆管的平均传质c o l b u m 因子i m 是圆管 的8 4 ，而椭圆管的j m f ( 厂为摩擦因子) 是圆管的1 9 3 一1 9 6 倍。得出，椭圆管 能有效降低风机所耗功掣2 6 1 。 2 2 国内研究进展 早在2 0 世纪8 0 年代中期，同济大学陈沛霖教授在美国加州劳伦斯伯克利研 究所从事蒸发冷却技术的国际合作研究，并将这一技术引入我国。近年来，一些 科研单位和企业对蒸发冷却技术进行了理论和实验研究，取得了一定进展。 1 9 9 0 年，刘焕成等人对氨蒸发式冷凝器热工性能进行实验研究，得到在影响 单位面积热负荷的各种因素中，冷凝温度和空气进口湿球温度最为显著，其次是 迎面风速，影响最小的是喷淋水量【2 7 】。 1 9 9 3 年，徐窒祥等人介绍z l 型蒸发式冷凝器的主要特点及应用于制冷系统中 的节能、节资情况【2 3 1 。 1 9 9 6 年，于油分析了国内在线使用的蒸发式冷凝器在制造、安装、使用和维 修上存在的一些不足点1 2 9 。唐汉靖对蒸发式冷凝器在设计上和国内外的发展进行 了简单介绍【3 0 1 。 1 9 9 7 年，刘宪英、葛虹等人对蒸发式冷凝器在房间空调器中的应用进行了实 验研究，结果表明采用蒸发式冷凝器可使房间空调器的能效比( e e r ) 提高5 0 7 0 t 3 l l 。 1 9 9 8 年，崔海亭等人分析了用蒸发式冷凝器取代管壳式冷凝器的明显优点， 指出在内陆地区应选用节水、节电尤为显著的蒸发式冷凝器【3 2 1 。 第2 章文献综述 1 9 9 9 年，王东屏介绍了一种简单使用的带预冷器的蒸发式冷凝器的设计方法， 可用于常规蒸发式冷凝器的设计计算【3 3 】。 2 0 0 0 年，袁建新以乌鲁木齐地区的高温库制冷循环为例，说明应用蒸发式冷 凝器比水冷式冷凝器在初始投资、运行费用、操作管理等诸方面更为优越【3 4 1 。 2 0 0 1 年，余江海等人总结了近年来蒸发式冷凝器在我国的应用情况，并针对 蒸发式冷凝器在应用中存在的一些不足提出改进措施【3 5 1 。庄友明通过实例比较了 蒸发式冷凝器、立式水冷式冷凝器和卧式水冷式冷凝器各自对应于9 0 0 k w 冷凝负 荷的能耗量，表明蒸发式冷凝器比水冷式冷凝器节能【3 6 1 。 2 0 0 2 年，谈向东和向海容对蒸发式冷凝器在设计、工程应用等方面的技术参 数，特点和注意事项作了一个总结，还对其在制冷系统装置化、自动化中的作用 作出了肯定的评价3 7 1 。朱冬生和蒋翔介绍了a t c 和c x v 这两种典型的蒸发式冷 凝器，同时提出了一种新型的蒸发式冷凝器盘管之交变曲面波纹管，表明可使体 积减小3 0 左右【3 s j 。 2 0 0 3 年，尹铭和马学虎等人对蒸发式冷凝器中水平管内低压蒸汽冷凝现象进 行了研究，得到冷凝传热膜系数的关联式，实验值与计算值的相对误差在1 5 以 内( 3 9 】。晏刚等人给出了蒸发式冷凝器传热计算的方法，提出蒸发式冷凝器参数选 择和结构设计中存在的问题【4 0 】。 此外，李志明和杨红波就蒸发式冷凝器在制冷工艺上的应用进行了分析，指出 发展蒸发式冷凝技术对制冷系统节能具有重要的意义【4 。 刘黄炳，郑正涛对上海上枫制冷设备有限公司自发研制的s f l 系列蒸发式冷 凝器进行了介绍【4 2 1 。 王会串就蒸发式冷凝器在山西丰喜肥业股份有限公司的使用情况进行了说明， 具有很好的节水节能效果1 4 3 1 。 陆正凯和毕思刚介绍z l 1 6 0 型蒸发式冷凝器在张双楼煤矿西风井冻结工程中 的试用情况，比传统的立式冷凝器节约用水5 3 0 5 万立方米【4 4 1 。 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 王铁军等人建立了经济技术模型对制冷装置的冷凝器选型做了运行期经济效 益分析计算，结果表明，采用蒸发式冷凝器可大幅节约运行费，间接产生较大的 投资回报【4 5 1 。 邱嘉昌和刘龙昌对国内外若干冷藏库工程选用冷凝器型式的调查，表明蒸发式 冷凝器的应用前景十分良好l 。 2 0 0 4 年，关朋介绍了蒸发式冷凝器的结构、工作原理及安装、使用过程中应 注意的问题，结合工程实例，对蒸发式冷凝器和水冷式冷凝器作综合比较，说明 节水、节能的蒸发式冷凝器应该得到大力推广1 4 7 】。 蒋翔等对蒸发式冷凝器的传热传质进行了理论分析研究，实验研究表明c e l d e k 填料具有很好的蒸发冷却性能h 羽。 第3 章实验室总体方案设计 第3 章实验室总体方案设计 3 1 背景 氟利昂对于大气臭氧层会产生严重的破坏，我国已于1 9 8 9 年加入保护臭氧 层的维也纳公约，后又加入1 9 9 1 年的蒙待利尔协定书，并制定了中国消 耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案。鉴于氟利昂的使用已受到逐步地限制，本文 采用对大气层无害的氨作为实验室制冷系统的冷剂。 国内有关蒸发式冷凝器性能测试方法的研究标准还处于酝酿阶段，没有完全成 型。而美国、欧洲等发达国家在这方面的研究领先于我国。尤其是美国的采暖、 制冷与空调工程师学会( a s h 黜姬) 已经制定了较全面的蒸发式冷凝器性能测试 标准，并且已经应用了多年。所以本文主要根据a s h r a e 的标准a n s 队s h 凡墟“ 一2 0 0 5 进行实验室的设计。另外考虑到具体的实际情况，再进行局部的调整。 3 2a n s i a s 珉a e6 4 _ 2 0 0 5 分析 标准【6 1 中推荐了三套实验系统图，分别如下面图3 1 、图3 2 和图3 3 所示。 i 勰 ：l 攀 “蝴 “髓 图3 1 高位重力循环系统 f i g 3 1h i g h - s i d eg r a v i t yr e c i r c u l a t i o ns y s t e m 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 在高位重力循环系统中，储液器中冷剂的液位高出蒸发器一定高度以保证有 足够的压头将冷剂从储液器经过流量计和调节阀送到蒸发器后仍然不会发生闪 发。蒸发器前的流量调节阀通过液位计的信号对通过蒸发器的冷剂流量进行调节。 0 娶。童n 弘： i ；篇撇 w 硼嗍i ” ! 钐 同，一一 一垂 酣“誊 。旷善警 墨乏 磐一糊簪_ 搿 l乏_ 洲蛳 l 嚣 垒霉翟臻缴职一：m ，m z ，曩 嘲鲤岬 图3 2 高位泵循环系统 f i g 3 2h i g i l - s i d ep u m pr e e i r e u l a t i o ns y s t e m 不同于图3 1 的高位重力循环系统，高位泵循环系统中的储液器高度只需能够 将冷剂不加闪发地送到循环泵入口即可。经过流量计和调节阀的压力损失由循环 泵补充。高位泵循环系统由于泵的应用，在不增加蒸发器换热面积的情况下，相 对于高位重力循环系统可以明显提高蒸发器的蒸发效率；而且可以解决蒸发器积 油问题：还便于实现集中控制。 第3 章实验室总体方案设计 图3 3 压缩驱动循环系统 f i g 3 3c o m p r e s s o r - d r i v e nr e c i r c u l a t i o ns y s t e m 相比图3 1 的高位重力循环系统，压缩驱动循环系统在蒸发式冷凝器前增加了 压缩机。这样就类似于实际的制冷循环系统了。压缩机实现和图3 2 中的高位泵循 环系统中的泵相同的功能，即提高蒸发器的效率。 高位重力循环系统中没有泵和压缩机这样的动力装置，因此系统较为简单， 操作起来就更加容易，造价也相对低廉。但是由于完全依靠重力将冷剂送到蒸发 器中，所以为保证冷剂不发生闪发，储液器需要有足够的高度。这样一来，系统 在空间布置上较为困难。而高位泵循环系统则不存在这一问题。但是值得说明的 是，如果采用的是定量泵，则为了保持储液器中的冷剂液位恒定，需要对泵进行 旁通，这样还需开启泵的冷凝系统对冷剂进行冷凝以便抵消由泵带入到冷剂中的 热量。所以最好采用变量泵。压缩机驱动循环系统与最常见的制冷系统几乎相同， 蒸发器中的冷剂蒸汽由压缩机抽出。采用压缩驱动循环虽然初期投资可能较泵为 大，但是在以后运行中，无论是使用还是维护都较泵循环系统方便。 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 3 3 总体方案确定 经过对各系统的利弊进行仔细地分析后，本文最后决定采用压缩驱动循环系 统。这样，选取大功率的压缩机以保证建成后的实验室拥有足够的测试容量。 为了节约能源，本文用板式换热器替代了图3 3 中的蒸发器，并增加了干燥器、 电磁阀和膨胀阀。图3 3 中的蒸发器采取电加热或蒸汽加热的方式对冷剂进行加 热。这样还需消耗额外的能源。而本文使用的板式换热器中的加热流体拟采用淡 水循环。经过冷剂冷却后，将低温淡水引入到进气通道中的表冷器中，用来冷却 进气通道中的空气( 用于控制蒸发式冷凝器的进口空气状态参数) 。 此外，压缩机出口的冷剂蒸汽流量不直接采用气体流量计测量。为了达到更 高的精度，本文采用间接测量法。即通过测量板式换热器水侧和冷剂侧的焓变确 定。实际的系统图如下所示： 团i 干燥器电磁阀膨胀阀 图3 4 实验室装置图 f i g 3 4d i a g r a mo f t e s tu n i t 第3 章实验室总体方案设计 整个制冷循环过程为：压缩机抽吸来自蒸发器的低温低压过热制冷剂蒸气， 并提高其温度和压力后，将它排向待测试的蒸发式冷凝器。在蒸发式冷凝器中， 高压制冷剂过热蒸气在冷凝温度下放热冷凝。而后具有一定过冷度的高温高压制 冷剂通过干燥过滤器进行处理后，进入节流元件膨胀阀，进行绝热膨胀。这时膨 胀终了的低温低压液体进入板式蒸发器进行蒸发，期间冷剂液体氨在蒸发温度下 吸热沸腾，具有一定过热度的制冷剂蒸气又重新回到压缩机吸气状态，从而实现 了制冷系统中制冷剂的不断循环流动。与此同时，板式蒸发器中被冷剂冷却的循 环水被输送到进气通道的表冷器中冷却空气。如果从板式蒸发器提供的低温淡水 不能满足表冷器需求，则需直接将进入板式蒸发器的冷剂部分分流到表冷器中代 替低温淡水。 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 4 1 制冷系统 第4 章实验室各设备选型 4 1 1 蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器型号为v c l 1 0 其详细参数如下： 表4 1v c l 1 0 型蒸发式冷凝器详细参数 t a b 4 ip a r a m e t e r so fv c - loe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r v c l 1 04 5 21 4 70 3 72 20 2 5 图4 1 蒸发式冷凝器外观图 f i g 4 1o u tv i e wd i a g r a mo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 1 7 第4 章实验室各设备选型 图4 2 蒸发式冷凝器风机 f i g 4 2f a no fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 4 1 2 制冷压缩机 压缩机选取造价低廉的活塞式氨压缩机，其选型计算步骤如下： ( 1 ) 蒸发温度f 0 的确定： 由于加热介质为水，故板式蒸发器的蒸发温度拟定为0 。这样从蒸发器出来 的加热水还可以循环到进气通道中的表冷器中冷却空气。 ( 2 ) 冷凝温度“的确定： 对于蒸发式冷凝器，可通过下式计算冷凝温度4 9 】： t k = t 。+ ( 5 1 0 ) ( 4 1 ) 其中为夏季室外湿球温度。 为使压缩机在最可能高负荷下正常运行，取冷凝温度的上限为其设计值。大 连7 月份日平均最高温度为2 6 1o c 【5 0 1 ，相对湿度约为8 0 t 5 1 】，按照文献【5 2 1 计算得， 对应的湿球温度为一1 6 6 6 8 9 7 - i - 0 9 5 5 0 4 8 x 2 6 1 = 2 3 2 6 c ，这里取瓦等于2 5 。c ，所 以“等于3 5 。 ( 3 ) 吸气温度& 的确定： 考虑到从板式蒸发器出来后，冷剂蒸汽会发生过热，所以压缩机吸气温度& 约为5 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 ( 4 ) 排气温度的确定： 一般选取排气温度小于1 3 0 。拟设计的蒸发式冷凝器性能测试实验室所选择 的v c i 1 0 型冷凝器标准排热量为4 5 2 k w 5 3 1 ，总结类似文献知【5 4 1 ，预计实验中冷 凝器的实际排热量会在4 5 2 k w 上下波动，约为3 0 6 0 k w 。所以所选取压缩机的总 负荷9 应为6 0 k w 。 压缩机的理论排气量圪有： v p 烨：里掣( m 3 h ) ( 4 2 ) ( 啊一魄) 厶 名g ：、 其中：9 一压缩机的总负荷 单位，w ； 玢一压缩机吸入气体比容。单位，m 3 k g ； j i l 厂一蒸发器出口干饱和蒸汽的焓值 单位，k j k g ： 厂一节流阀后制冷液体的焓值 单位，k j k g ； 砧一压缩机吸气系数 g 广制冷剂单位容积制冷量l o m 3 查“单级压缩机氨单位容积制冷量 表【5 3 】得，其值为3 7 2 3 5 k j m 3 ，五值可通 过“立式、v 型、w 型氨压缩机吸气系数九值表5 3 】查得，其值为o 7 7 。将q 、9 2 和膛分别代入( 4 2 ) 式中计算得，圪= 7 5 3 3 m 3 查“活塞式制冷压缩机基本参数表 【5 3 】，确定出合理的压缩机如下： 表4 2 压缩机选型结果 t a b 4 2c o m p r e s s o rs e l e c t i o nr e s u l t s 第4 章实验室各设备选型 图4 3 滑油分离器 f i g 4 3l u b eo i ls e p a r a t o r 4 1 3 蒸发器 蒸发器选取换热效率优良的新型板式蒸发器，其详细计算选型步骤如下： 首先确定蒸发器两侧相关参数： 已知： 水侧：入口温度t w i 取1 5 c ( 冬季室内水温) ，出口温度t w 2 取5 c ，允许压 力降舻w 小于o 0 6 m p a 5 0 1 。 冷剂侧：入口压力p d 取冷剂冷凝压力，即1 3 5 0 4 m p a ，入口温度t o 尸3 5 ， 蒸发温度f d _ o ，进出口冷剂蒸汽干度分别为x i = 1 ，x 2 = o ， 冷剂总流量m r - 压缩机选型计算中已确定蒸发器的换热量应为6 0 k w 。0 的 饱和氨蒸汽比焓为1 4 4 2 2 k j k g ，3 5 ( 2 的饱和氨液体比焓为3 4 6 8 k j k g ，计算得：通 蒸发式冷凝器性能测试实验室设计 过蒸发器的最大冷剂流量m r 为1 9 7 1 9 k g h ，允许压力降矾取o 1 5 m p a t 5 5 1 。查表 得，n h 3 在蒸发温度棚其液态和气态冷剂的物性参数分别如下： 表4 3n h 3 在0 1 2 时的物理性质 t a b 4 3p h y s i c a lp r o p e r t i e so f n h 3a t0 物性 单位( 一)液相气相单位( - - )液相气相 参数 比容v 汽化 潜热， 比热c p 导热 系数a 导温 系数口 动力 粘勘 运动 粘度y 表面 张力仃 m 3 k g k j k g k j ( k g 。i ( ) w ( m k ) 0 0 0 1 5 6 6 1 2 6 2 3 4 5 9 7 0 5 2 5 0 2 8 9 7 2 7 2 0 0 2 2 1 1 0 4 m 2 h6 4 3 28 5 k c a l k g k c a l ( k g ) 3 0 1 7