（轮机工程专业论文）预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究.pdf

中文摘要 摘要 在现代社会中，制冷技术的应用已涉及到国民经济的各个部门以及人们的日 常生活。而我国水资源匮乏，尤其近年来电力资源日趋紧张的局势下，对制冷系 统的节能有了更高的要求，促使具有节水、节能、结构紧凑和占地面积小等优点 的蒸发式冷凝器在制冷系统中得到了快速的应用，而预冷型蒸发式冷凝器的出 现，更是这一应用的技术升华。虽然其技术较为先进，但其应用缺乏强有力的实 验数据和理论设计作为指导依据。 本文采用理论研究与实验验证相结合的方法，利用传热学的基本知识及各种 冷凝器传热系数的实验关联式，将预冷型蒸发式冷凝器分为翅片管冷凝器和蒸发 式冷凝器两部分，分别建立数学传热模型。当数学传热模型建立之后，利用实验 研究来验证所建立的数学传热模型是否正确并加以改进。最后利用所建立的数学 传热模型，对预冷型蒸发式冷凝器的传热机理进行研究。 通过实验验证，翅片管冷凝器部分利用数学传热模型计算出来的理论传热量 与实验所得实际传热量的相对误差的范围在2 5 1 5 - - , 2 7 5 1 ；蒸发式冷凝器部 分利用数学传热模型计算出来的理论传热量与实验所得实际传热量的相对误差 范围在1 1 3 7 1 7 0 8 。均在误差允许的范围内，所以预冷型蒸发式冷凝器的 传热模型的建立基本正确。利用预冷型蒸发式冷凝器的数学传热模型对其传热机 理进行研究发现，在冬季较低温度条件下，可以不开水泵而只开风机利用空气冷 却就可以达到满意的冷却效果。 关键词：预冷型蒸发式冷凝器；传热机理；传热模型；实验研究 a b s - i ：r a c t i nm o d e ms o c i e t y , t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di na l l d e p a r t m e n t so fn a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sd a i l yl i f e i nr e c e n ty e a r s ，u n d e rt h e p r e s s u r eo fs h o r t a g eo f w a t e ra n dp o w e rr e s o u r c e si no u rc o u n t r y , h i g h e rd e m a n d sf o r e n e r g yc o n v e r s a t i o no ft h er e f r i g e r a t i o ns y s t e ma r er e q u i r e d ，w h i c hh a s t e nt h e a t t e n t i o na n dt h eu s a g eo ft h ee v a p o r a t i v ec o n d e n s e r e v a p o r a t i v ec o n d e n s e rh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha se n e r g yc o n v e r s a t i o n , w a t e r - s a v e d ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n ds m a l l u s a g eo fg r o u n da r e a a l t h o u g ht h et e c h n o l o g yi sm o r ea d v a n c e d ，t h ed e s i g no ft h e e v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri n t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sl a c ko fe n o u g he x p e r i m e n t a l d a t u ma n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c e i nt h i sp a p e r , u s i n gt h em e t h o dt h a tc o m b i nt h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n , b a s i ck n o w l e d g eo fh e a tt i ：a n s f e rt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o no fa v a r i e t yc o n d e n s e rh e a t 仃a n s f e rc o e f f i c i e n t d i v i d i n gt h ep r e c o o l i n ge v a p o r a t i v e c o n d e n s e ri n t ot w op a r t s ：f i n n e dt u b ec o n d e n s e ra n de v a p o r a t i v ec o n d e n s e r , w e e s t a b l i s hh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lr e s p e c t i v e l y a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to f m a t h e m a t i c a lh e a tt r a n s f e rm o d e l ，u s ee x p e r i m e n t a ls t u d i e st ov a l i d a t et h ee s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lh e a tt r a n s f e rm o d e li sc o r r e c to rn o ta n di m p r o v ei t f i n a l l y , u s et h eh e a t t r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r e c o o l i n ge v a p o r a t i v ec o n d e n s e rt or e s e a r c h t h eh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e l a t i v ee r r o ro fh e a tt r a n s f e rq u a n t i t yo ff u m e dt u b e c o n d e n s e ra n da c t u a lh e a tg a n s f e rq u a n t i t yi sb e t w e e n2 5 1 5 a n d2 7 5 1 ：t h e r e l a t i v ee r r o ro fh e a tt r a n s f e rq u a n t i t yo fe v a p o r a t i v ec o n d e n s e ra n da c t u a lh e a t n a n s f e rq u a n t i t yi sb e t w e e n11 3 7 a n d17 0 8 e r r o r sa r ew i t h i nt h es c o p eo f p e r m i s s i b l e ，t h e r e f o r e ，t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo fp r e c o o l i n ge v a p o r a t i v ec o n d e n s e ri s b a s i c a l l yr i g h t w h e nw ei n v e s t i g a t et h eh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s mo fp r e c o o l i n g e v a p o r a t i v ec o n d e n s e rb yu s i n gt h eh e a t t r a n s f 爸rm o d e l w ef i n d t h a t ：i nl o w e r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n si nw i n t e r , i tc a nr e a c has a t i s f a c t o r yc o o l i n ge f f e c tb yj u s t u s i n gc o o l i n ga i rw h e na i rb l o w e ri so p e na n dp u m pi sc l o s e d k e yw o r d s ：p r e e o o l i n ge v a p o r a t i v ec o n d e n s e r ；h e a t - t r a n s f e rm e c h a n i s m ； h e a t - t r a n s f e rm o d e l ；e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o 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：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， 撰写成博士硕士学位论文= = 亟捡型苤筮基捡邀墨笾垫扭堡墨塞验婴窒：。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己 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：锄矽年月矽日 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密留( 请在以上方框内打“ ) 论文柘者签名稽豢缪导师签名： q 日期：7 年 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 制冷技术应用简介 在现代社会中，制冷技术的应用己涉及到国民经济的各个部门以及人们的日 常生活，其应用主要体现在以下几个方面： 1 空气调节 制冷装置可以用来降低空气的温度和含湿量，从而使空气的温、湿度得到适 当的调节，使其适用于不同的场合。这分为两种形式：其一，舒适性空调，满足 人们日常工作和生活对环境温、湿度的要求；其二，工艺性空调，满足生产工艺 和检测中对环境温、湿度的要求。 2 食品冷藏 为防止食品的变质和平衡食品的季节性生产与全年耗用之间的矛盾，蔬菜、 水果、鲜蛋等的低温保鲜储存，肉、鱼、禽类等食品的冻结、冷藏，均需制冷装 置提供冷源。另外，食品在运输、销售，以及在单位和家庭存放期间，也应保持 合适的低温条件。因此，冷藏运输工具、冷藏食品陈列柜、厨房冰箱和家用电冰 箱等冷藏设备都在大力发展和推广应用之中。 3 生产工艺 某些化工产品及工艺，例如合成橡胶、合成纤维、气体液化、石油裂解和脱 脂以及许多化工原料的提取都需要利用制冷装置为其提供所需求的低温工艺条 件，以保证生产过程顺利进行。另外，制冷技术在国防工业、航天技术、医疗卫 生、科学研究以及农牧业等方面也有许多重要应用，制冷技术为各种使用目的提 供了许多专用低温设备。自从进入8 0 年代以来，我国的国民经济和人民生活水平 有了很大的提高，制冷和空调行业也得到了迅猛的发展。制冷与空调设备的大量 应用，必然造成能源的大量消耗。一些经济发达的国家，制冷与空调的能耗量占 全年总能耗量的2 0 3 0 。这种能源的消耗量是巨大而惊人的，因此，节省制冷 能耗，开发和利用天然冷源，研制高性能、低能耗的制冷系统是制冷与空调技术 领域中的重要和永恒的研究课题，对制冷系统中各部件如冷凝器的强化传热及节 能研究更是广大传热强化和制冷节能研究学者的热门研究课题。 第1 章绪论 1 12 冷凝器的传热过程及类型 冷凝器是蒸汽压缩式制冷循环装置中必不可少的部件，其运行特性将直接影 响制冷装置的性能及运行的经济性。冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高温、 过热蒸汽冷却冷凝为高压液态制冷剂，冷却过程一般可分为三个过程： 1 - 过热蒸汽冷却为千饱和蒸汽：由排气温度下的过热蒸汽冷却为冷凝温度 下的干饱和蒸汽。 2 干饱和蒸汽冷凝为饱和液体：干饱和蒸汽在冷凝温度下冷凝成饱和液 体，这一过程，就是蒸汽凝结为液体的过程。 3 饱和液体进一步被冷却为过冷液体：由于冷却介质( 水或空气) 的温度 总是低于冷凝温度，故在冷凝器的末端，饱和液体一般还可进步被冷 却，使其成为过冷液体。 冷凝器按其冷却介质和冷却方式可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式和淋水 式冷凝器三大类型。”。这里我们只对蒸发式冷凝器做详细介绍，其他冷凝器不 做赘述。 12 蒸发式冷凝器的简介 蒸发式冷凝器相对与传统的风冷、水冷式冷凝器具有节水、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。 空气出口 t 口 口 图1 1 蒸发式冷凝器 作原理图 f i g 1 】d i a g r a mo f e v a p o r a d v ec o n d e n s e r s w o r k 谢n c i p l e 睁空气进口 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 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 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l o ，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 2 1 主要部件及技术参数 1 换热盘管 蒸发式冷凝器一般采用光滑盘管，不用肋片形式增加换热面积，原因是光滑 盘管易于清洗、除垢。管材多为直径2 5 r a m 左右无缝钢管，外表面经热浸镀锌处 理以防腐蚀，对镀锌厚度有严格要求。 2 风机 目前国内蒸发式冷凝器产品多为上吸风式，风机置于箱体顶上，其优点是箱 体内维持负压，水的蒸发温度比较低，但风机处于潮湿气流中容易发生腐蚀，故 均采用铝合金风叶和全封闭电机。通风机一般有离心式和轴流式两种，大多采用 宽叶、低噪音的铝合金风叶，与电动机直接相连或通过皮带轮传动。风机的风量 配置一般按单位排热量所需风量表示，我国的机械行业标准规定一般为 2 2 0 m 3 ( h k w ) ，也有的按通风量3 0 0 - - 一3 4 0 m 3 ( h k w ) 配置，增大风量有利于增 大传热系数，但配风量与进风湿球温度有关。湿球温度高时，配风量一般应较大， 但风机的电耗也随之增加，同时不适当地增加风量会使水的飞溅损失加大，导致 冷却水消耗量增大。 3 喷淋水管和喷嘴 喷淋水的水量配置和均匀布水对蒸发式冷凝器盘管的换热效果有很大影响。 根据经验，喷淋水量以能全部润湿盘管表面、形成连续的水膜为最佳，以获得最 第1 章绪论 大的传热系数，并减少水垢。水量过大，反而不利于热交换，同时会造成水泵功 率增大。多数厂家采用大型防堵式喷淋嘴( 由a b s 塑料制成) 和p v c 制成的布水 管以提高效率，使用可靠。淋水量的配置通常用单位面积配水量或单位排热量的 配水量表示，我国机械行业标准规定为0 1 2 m 3 ( hk e y ) 4 高效脱水器挡水板 挡水板能将热湿空气中夹带的水滴挡住，减少水耗。挡水板通常由耐腐蚀的 p v c 材料制成，分组装于机组内，易于拆卸。目前各厂的挡水板效率均较高，水 的飘逸率仅为00 0 1 o 0 0 2 。 1 22 蒸发式冷凝器的传热机理 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柬吸收制冷剂蒸 汽的热量是完全不同的。 i 刳12 蒸发式冷凝器传热机理简图 f i g1 , 2 d i a g r a mo f h e a t t r a n s f e r p n n c i p l e o f e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r i ；两 ； 糯 链 黼 枷 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 1 2 3 蒸发式冷凝器的特性 与传统的风冷和水冷式冷凝器的比较起来，蒸发式冷凝器具有如下优点：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 c ，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。 在生产实践中蒸发式冷凝器的优势主要体现在以下几个方面： 1 节水。一般1k g 冷却水能带走1 6 7 5k j 6 - - 2 5 1 2k j 热量，而1k g 水 在常压下蒸发能带走约2 4 2 8k 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 。考虑飞溅损失和排污换水等因素，实际耗水 量约为水冷式的5 1 0 。 2 节电。采用蒸发式冷凝器的制冷系统，其冷凝温度要比用风冷式或水冷 式冷凝器低，因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少。此外， 冷凝器的总功耗( 水泵、风机) 也显著降低，因而能明显节能。据测试 报告显示：与壳管式冷凝器和水冷却塔组合的系统相比，采用蒸发式冷 凝器可降低制冷装置电耗1 0 左右，而与空冷式冷凝器相比，可节电3 0 以上。 3 结构紧凑。因无需设置冷却塔，故整个装置结构紧凑，体积小，占地面 积少，安装方便，日常维修工作量小。 4 环保。不少企业在采用壳管式或淋激式冷凝器时，由于夏季冷凝压力过 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，不仅氨损失相当严重，而且还造成环境污染。而采用 蒸发式冷凝器后，将不存在这种现象h 3 。 蒸发式冷凝器在运行中经常遇到如下问题： 1 喷头经常堵塞，引起冷凝管组没有被均匀润湿，使冷凝压力升高，需要 经常清洗，这样，既浪费人力又影响生产。有些单位把喷头改为类似淋 5 第l 章绪论 水式冷凝器的重力配水器( 也称为溢流槽) ，运行表明这种配水消除了 喷嘴堵塞的缺点，又使用可靠，易清洗和保养，并能保证冷凝管组均匀 被润湿。 2 管组严重结垢，这主要是对冷却水没有进行软化处理的结果。 3 空气夹杂水滴太多，既造成冷凝器周围都是水，影响工作人员操作，同 时也使水耗增加。造成的原因可能是吸风量太大，水分离挡板结构不良， 分离效果差，或由于产品本身结构上考虑不当，出现了“风短路”现象 所造成的。另外，还有风机的噪音比较大。 1 2 4 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) 风式蒸发式冷凝器畸3 。 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尾； ( 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。 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 6 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 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 3 预冷型蒸发式冷凝器的特点 本文所研究的预冷型蒸发式冷凝器实际上是翅片管式冷凝器与蒸发式冷凝 器的组合。由于国内的预冷型蒸发式冷凝器的制造技术尚未成熟，并且出于成本 的考虑，此冷凝器没有采用无填料的雾化凉水系统，而是在下部的蒸发式冷凝器 部分加入p v c 填料来增强水的冷却效果。相对于普通型的蒸发式冷凝器其主要具 备以下突出优点： ( a ) 当空气出口温度低于冷剂进入翅片管时的温度时，可以起到预冷的效 果； ( b ) 由于加入了翅片管预冷装置，使得冷却空气在出口前被加热，从而使 空气的相对湿度大大降低； ( c ) 由于加入了翅片管，使得传热面积大大增加。在冬季较低温度条件下， 可以不开水泵而只开风机利用空气冷却就可以达到满意的冷却效果，从而避免水 在冬天上冻而降低冷却效果。 1 4 本文的主要工作 1 建立预冷型蒸发式冷凝器的数学传热模型； 2 对预冷型蒸发式冷凝器进行实验研究； 3 通过实验研究对所建立的数学传热模型进行验证并改进； 4 利用所建立的数学传热模型对预冷型蒸发式冷凝器的传热机理进行研 究。 第2 章文献综述 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 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 。c 范围内的热效率对传热单元数的一系列图表盯3 。 1 9 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旧1 。 1 9 8 3 年，u r i v e l f i s h e r 、w 0 1 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，应用效果良好旧3 。 1 9 8 4 年，p e r e z b l a n c 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n 。 1 9 8 5 年，r a l p hl w e b b 和a l 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n 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n 引。 1 9 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 n 3 j 。 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凝器要比没有凉水塔的系统具有更高的换热效率，也 8 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 优于一步、直接接触式蒸发冷凝器n 制。w o j e i e c hz a l e w s k i 等人就逆流式蒸发式 流体冷凝器的传热传质过程进行了讨论，修正了光滑管蒸发式冷凝器几何分布尺 寸的影响，其模型和蒸发式水冷凝器的实验进行比较具有很好的吻合性5 1 。 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n 6 1 。 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 l e n e r q ye f f i c i e n c yr a t i o ) 提高了1 4 5 n 引。 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n8 j 。h is 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n 引。 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 - - - 1 4 0 口叫。 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 r n 因子咖是 圆管的8 4 ，而椭圆管的舭( ，为摩擦因子) 是圆管的1 9 3 1 9 6 倍。得出， 椭圆管能有效降低风机所耗功率口1 】。 2 0 0 5 年，a s k l l i s 等介绍了一种基于计算流体力学的关于湿空气和水的 两相流动的新型冷却塔的数学模型。在气体流动段采用欧拉方法分析，在水滴下 落阶段应用拉格朗日方法分析研究。试验研究表明，液滴尺寸的影响是最主要的 因素，当喷淋水量一定时，液滴尺寸越小，换热效率越高，冷却水入口温度和空 9 第2 章文献综述 气湿球温度相差越大换热效率越高嘧2 j 。 2 0 0 6 年，h m e r t u n e 和m h n s o z 应用a n n s 对带有蒸发式冷凝器的系统的性 能进行预测。通过改变蒸发器的负荷、空气和水流过蒸发冷盘管的速度和冷凝器 入口处空气的干湿球温度对系统进行稳态测试。其预测值和试验值以及关联式计 算的相对误差在1 9 0 4 1 8 内，结果表明l n n s 在逆流蒸发式冷凝器的复杂 系统中应用时具有很高的精度3 | 。 2 0 0 7 年，b il a la q u r e s h i 等依据热力学第一、二定律对逆流式冷却塔和蒸 发式换热器进行了热力学性能分析，利用热力学姗平衡分析影响系统不可逆损失 的因素。研究表明，换热器的入口湿球温度的增加总会提高热力学第二定律的效 率。应用热力学方法丰富蒸发冷凝冷却技术的研究手段，但是仍难以准确的表达 传热传质的过程盈利。 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 6 年，唐汉靖对蒸发式冷凝器在设计上的以及国内外的发展进行了简单介 绍2 引。 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 川。 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乜引。 1 9 9 9 年，王东屏介绍了一种简单实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口8 1 。 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乜9 | 。 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陋引。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 l o 颈冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 荷的能耗量，表明蒸发式冷凝器比水冷式冷凝器节能b 。 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m 3 。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b 引。 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 以内泓3 。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n 5 1 。 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3 。 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 凝器进行了介绍阳引。 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，提出蒸发式冷凝器具有很好的节水节能效果汹1 。 陆正凯和毕思刚介绍z l 一1 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9 1 。 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h 叫。 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h 。 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h 副。 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 引。 2 0 0 5 年，唐伟杰、张旭等建立了蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器的数学模型。 对换热器管外水膜的温度分布和焓值沿换热器高度方向变化进行了研究，并根据 1 】 第2 章文献综述 换热理论得到了模型的解析解，为蒸发式换热器的设计提供了依据一利。 2 0 0 6 年，洪兴龙、李瑛用降温计算法进行蒸发式冷凝器的选型计算，指出设 置洗涤式油分离器对氨制冷系统的有利作用，同时结合工程实例对蒸发式冷凝器 的管路进行了设计，并对其结构提出了改进意见h “。 2 0 0 7 年，朱冬生、沈家龙、蒋翔等建立了蒸发式冷凝器实验平台，建立了不 同喷淋密度和截面风速对管外水膜与空气传热与阻力性能的影响，得到了管外水 膜与空气传热系数计算式h 6 】。 预：夸型蒸发式玲凝器传热机理与实验研究 第3 章预冷型蒸发式冷凝器的结构和工作原理 3 1 预冷型蒸发式冷凝器的结构 要建立预冷型蒸发式冷凝器的传热模型，首先对本文所研究的冷凝器的结构 进行具体的分析。预冷型蒸发式冷凝器解剖图如下： 图3 l 蒸发式冷凝器解剖图 f i g3 1 a n a l o m l c a c h a r t o f e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 第3 章新型蒸拉式净凝器的结构和工作原理 3 1 1 翅片管部分 预冷型蒸发式冷凝器的预冷装置是翅片管。翅片管冷凝器部分中，光管的材 料为钢材，翅片材料为铝材，采用波纹型翅片，以提高换热系数，换热系数提高 后约为平直翅片管换热系数的13 倍。翅片管的圆管比蒸发式冷凝器部分的直径 小，蒸汽冷剂通过蒸汽集管集中后在进入蒸发式冷凝器部分。 作为预冷装置，翅片管必须具备以下特性： 1 优良的传热性能，即合理选材，优化设计翅片管结构； 2良好的耐热冲击能力( 介质热负荷不稳定，以及气象条件发生急剧变化 时，会造成翅片管壁温的频繁变化由于基管与翅片的材料不同，热膨 胀系数也不同可能导致翅片的松动。使翅片与基管之间的接触热阻增 大，从而使翅片管的传热性能下降) ； 3 良好的耐大气腐蚀能力； 4易于清理污垢； 5较低的制造费用。 此外，还要求有足够的管内耐压能力，较低的管内压降，较小的空气阻力， 皂好的抗机械振动能力等等。 图3 2 冷凝器预冷翅片管外形图 f i g 3 2 d i a g r a mo f f i g u r e o f p r e - c o o l i n g f i n n e d m b e 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 3 1 2 盘管部分 作为预冷型蒸发式冷凝器的主要冷却装置，盘管部分由冷凝盘管，水分配系 统和封装在大号g - 2 3 5 热浸锌钢箱内的挡水板组成。所有主要箱板都是由双折边 法兰组成，可提供最太的强度和剐度以及在水密封接头处提供更为可靠的密封。 冷凝盘管是在整个主表面上连续的蛇形钢管，并在2 5 m p 的表压下进行了水 下压力试验。盘管的设计压力降低，具有倾斜配管，可将冷凝液体自由排出。盘 管装在钢架上，整个组装件在预制后进行热浸锌。 挡水板由特制p v c 制作，并且为了便于搬运以分段方式提供。它的气流方向 至少有三次改变，并具有空气减速区，可在半排气方向引离风机的同时使飘逸 损失限制在循环总量的00 0 2 的范围内。 图3 3 盘管部分示意图 f i g3 3d l a g r a r ao f c o i ls e c t i o n 3 13 水盘部分 水盘部分是集水盘和风机的组合设备，其中的风机具有吹透式配置。所有结 构板都是由g - 2 3 5 大号热浸镀锌钢板制作。所有主板都是由双折边法兰组成，以 获得埕大的结构完整性。 环形检查门为进入蒸发式冷凝器内进行检查、调整浮球阀、清洗提升过滤器 和冲洗滤池提供了便利。 水泵是带有机械密封和青铜配件的紧密耦台离心泵。它在厂家完成组装，并 且从吸水过滤器到水分配系统之间的配管完全接好。 1 5 第3 章新型蒸发式冷凝器的结构和工作原理 在泵排放口和溢流接头之间安装了带有司量阀的放水管线，以控制放水速 率。 补水阀是以大直径、聚苯乙烯充填的塑料浮子为执行机构的实心浮球阀，可 通过浮球杆上的翼型螺母进行调整。 过滤器虽然重量轻，但设计坚固，可防止涡流，并且便于拆下以清洗其过滤 网表面。 标准的风机电动机采用全封闭风扇冷却技术，其利用系数是1 1 5 。电动机 在设备中处于恶劣气候侵袭不到的位置，或安装在电动机保护罩内。 风机罩前的挡板、每个风机段端面的厚面板或电动机保护罩可对移动部件进 行保护。挡板和面板易于拆下以便达到风机、轴承、电动机和驱动器所在部位进 行各种操作。在设备需要进行格外保护时，还可设置底部挡板或底部厚面板。在 一部电动机驱动两个风机组件时，电动机座可在枢轴上自由转动，以确保两个风 机的驱动皮带具有相同的张力。 图3 4 蒸发式冷凝器风机 f i g3 4f a n o f e v a p o r a t i v ec o n d e n s e r 3 14 无故障水分配系统 水分配系统由镀锌集管4 0 号大直径、无堵塞、具有在所有运行条件下为进 行晟优盘管加湿选向阳的3 6 0 度塑料喷嘴的p v c 喷水支管组成。由于选择了喷水 流量和喷嘴间距以确保在各种操作条件下对整个盘管表面进行加湿t 因此降低了 水垢在盘管上形成的可能性。取得专利的3 6 0 度喷嘴由于孔i = i 大，可防止堵塞， 并且由于独特的喷水方式，使所需的喷嘴数量减少。喷嘴、喷水支管和集管用橡 1 6 预冷型蒸发式冷凝器传热机理与实验研究 胶圈连接，以便于拆下清洗 p h 一一 图3 , 5 喷水部分示意图 f i g3 5 d i a g r a mo f a r t e s i a ns e c d o n 32 预冷式蒸发式冷凝器的工程应用 3 2 1 安装部位 蒸发式冷凝器要安装在可畅通无阻地对所有冷凝器风机供气的位置上。当设 各在围墙内或靠墙安装时，必须将从设备排出的空气运送到相邻墙壁的上方，从 而使排出来的热饱和空气不会改变方向回流到进气r l 。如果冷凝器放置在设备 内，必须使排到外面的空气流向避开进气r n ，以免发生再循环和容量损失。警告： 要为整个蒸发式冷凝器选择正确的安装位置，以防止排出的热空气及相关漂浮物 进入冷凝器，因为其中可能含有包括军团细菌在内的化学或生物污染物质，它们 会随之进入冷凝器所在建筑的通风系统或临近建筑的通风系统。 3 22 常年运行 大多数蒸发式冷凝器设备都是常年运行的，因此有必要考虑防冻。最好的办 法是使用远置水箱，其中装有设备在被加热区内的喷水再循环泵。只要再循环泵 不运行时，冷凝器水盘便将水排到室内水池。这样在负荷和环境温度低时，冷凝 器可以干运行，但是在需要时可以立即进行喷水。当计划在较低的环境条件下千 运行时，应为离心风机的蒸发式冷凝器提供规格大一号的风机电动机，以防止停 止喷水时电动机过载。 必须确定好室内远置水箱的规格，以便为泵提供运行所需的抽吸压头以及提 供一个高于这一运行所需的抽吸压头以及提供一个高于这一运行水位的缓冲容 积，以容纳所有在泵停机时流出来的水。其中包括冷凝器中的悬浮水和在正常运 行时冷凝器蒸发水盘中的水加上冷凝器和水池之间管线中的水。 】7 l l 第3 章新型蒸发式冷凝器的结构和工作原理 对于( 其它) 远离水池的应用场合，必须为总压头下的规定流量选择好再循 环水泵，总压头包括垂直扬程、管沿程阻力( 在给供水到回水吸管线中) 外冷凝 器分配系统入口集管的1 4 k p a 的压力。必须用安装在冷凝器入口附近的供水立管 上的压力对其进行调节。有时，由于冷凝器的安装位置或空间限制，使用远距水 池可能不切合实际。这时，可以在冷凝器蒸发水盘内安装电加热器或水盘盘管， 以防止在较低的环境温度条件下喷水泵和风机关闭时上冻。此外，泵吸水管组、 泵、泵排水管线( 到溢流口) 以及水补充管线应使用热跟踪部件包裹和进行隔热 处理。 3 2 3 容量控制 许多空调和制冷应用场合都以变化范围大为先决条件，并且在制冷剂控制需 要一个合理恒定的冷凝压力时，需要某种形式的容量控制。 离心设备的风机排气内的调节风门是最值得采纳和推荐的容量控制方法。对 于由单风机部分组成的设备犹如此，其中的风机循环形成的只是“开”和“关 控制步骤。调节控制对卤烃制冷剂设备同样也很重要，其中的蒸发器热力阀需要 具有合理恒定的跨阀压差。风门控制可提供无数个容量控制步骤，并且具有一个