蒸发式冷凝在制冷工艺上的应用.pdf

蒸发式冷凝在制冷工艺上的应用蒸发式冷凝在制冷工艺上的应用 李志明，杨红波 导读：广州华德广州华德旗下品牌华德羿歌华德羿歌致力于创新研发和生产系列蒸发冷空调蒸发冷空调，拥有全球领先水平的自主知识产权。广州华德广州华德于 2014 年创新性推出“智慧供冷”“智慧供冷”中央空调商业模式，用户无需购买冷源，只需付费用冷。2015 年研发出基于全球自主知识产权“板管蒸发冷却式”“板管蒸发冷却式”技术的磁悬浮空调磁悬浮空调及商用冷凝燃气模块炉冷凝燃气模块炉。摘 要：分析对比制冷工艺中几种冷凝方式，指出发展蒸发式冷凝技术对制冷系统节能的重要意义；通过分析蒸发式冷凝的换热机理，在试验和实践的基础上讨论了影响蒸发式冷凝器性能的几个重要因素。关键词：制冷工艺；蒸发冷凝；系统能效比；冷却风量；空气焓差利用系数 1 引言 在制冷工艺中，冷凝器设计合理是提高制冷能效比的一个重要环节。根据冷却剂的不同种类，冷凝器可归结为四类，即水冷式、空冷式、水-空气冷却式（蒸发式和淋水式）以及靠制冷剂蒸发或其他工艺介质进行冷却的冷凝器。在制冷与空调装置中，前两类使用较普遍。水-空气冷却式在近年来开始应用，但不及前两类普遍。水冷式冷凝方式适用于水资源较为丰富的地区，利用大量低温自然冷却水，可以得到相应较低的冷凝温度，这对提高制冷系统的制冷能力和运行经济性均有利，但如不能获取低温冷却水，就必须配置冷却系统，从而将增加制冷工程的初投资和系统的运行费用。空冷式冷凝方式适用于水资源缺乏的地区，但由于夏季室外温度较高（约3040），采用空冷式冷凝器时冷凝温度将升至 4550,为获得同样的制冷量，制冷压缩机的容量需增大 20%；另一个突出问题是空冷式冷凝器的传热系数小1，约 2428W/（m2.K），造成运行费用和设备成本较高，故空冷式冷凝方式一般应用于小型制冷机组。随着国民经济的迅速发展，降低冷却水消耗量成了制冷空调行业的一个重要问题，特别是缺水严重地区，水冷式冷凝方式受到了严格限制，而蒸发式冷凝技术的发展为解决这个问题提供了方向。蒸发式冷凝以水和空气的混合物作为冷却介质，其中，气态制冷剂冷凝过程所放出的凝结潜热主要依靠冷却水的蒸发带走。冷却水在水冷式冷凝器中的温升只有 68，即 1kg 水只带走 2535 kJ 的显热量，而 1kg 水吸热蒸发可以带走 2450kJ 的潜热量，使得蒸发式冷凝器实际运行中的水量为水冷式的30%45%，明显节约了水资源。蒸发式冷凝器的传热系数约为卧式水冷式冷凝器的 1/2，则蒸发式冷凝器所需的换热面积约为管壳式冷凝器的 2 倍。但其冷凝温度可以保持在 3537以下，能提高制冷压缩机的制冷效率，冷凝温度的降低，使冷凝压力下降，可延长压缩机的使用寿命，降低机组维修费用。加之冷却水量的减少，有效地节约了冷却水泵的输入功率，一般为水冷式的 5%10%。全面权衡蒸发式冷凝器的投资和水冷式冷凝器与冷却塔组合使用的安装和运行费用，使用蒸发式冷凝器是经济的。2 对比节能分析 对制冷空调系统进行性能分析，只对起主要作用的制冷压缩机进行能效分析是不科学的，它不能真实地反映系统的经济性能。对于一个工程项目或者一个制冷站，设计者应该立足于整个项目而不针对某个重要部分进行能效分析，这样才具实际意义。本文引出系统能效比概念，即系统能效比等于总的制冷量（制热量）与系统总输入电功率的比值。系统总的输入电功率是制冷主机和冷却系统中各部件的输入电功率之和，此处不计入空调末端设备电功率，因此文中谈及的是制冷系统的能效比，并非整个空调系统的能效比，以下简称为系统能效比，只有通过分析系统能效比，才能准确地评价该制冷空调系统能耗，才能真实地反映系统的运行经济性能。不考虑水源等因素影响，现对某项目的中央空调系统分别采取不同的冷凝方式，选用风冷冷水机组、水冷冷水机组和蒸发式冷水机组进行系统能效分析。各设备参数及其比较结果如表 1 所示。从表 1 可以看出，同样获取 381.8kW 的制冷量，采用风冷冷水机组时压缩机的输入功率相对于蒸发式冷水机组要高出 37%，水冷冷水机组相对于蒸发式冷水机组也要高出 10%，对于冷却系统输入功率，风冷和水冷没有明显的差别，均高出蒸发式冷却系统所需功率的 37%。可见，采用蒸发式冷凝方式不但能降低制冷压缩机的输入功率，并且大幅度地降低了冷却系统能耗，使系统能效比高达4.49，比风冷制冷系统高出 58.7%，比水冷制冷系统高出 15.7%。推广应用蒸发式冷凝技术在制冷工艺上的应用其意义显而易见。同时可以看出，不管采用何种冷凝方式，系统能效比要比压缩机能效比低 11.0%15.7%，可见系统能效比概念的引入能真实地反映系统的能耗。3 影响蒸发式冷凝的主要因素 3.1 换热面积 蒸发式冷凝器换热面积是衡量冷凝器换热能力的关键指标，它取决于冷凝器换热量的大小及其具体的结构形式。换热器面积一般可通过分析蒸发式冷凝的热传递过程建立热平衡方程计算得到，由于换热器表面存在着蒸发水膜，在进行热平衡计算时，传热温差以及传热系数均与水膜温度有关，水膜温度、空气终态温度等参数相互影响制约，使整个计算复杂化，因此不宜用于工程设计计算。为适用于工程计算，近年来在热平衡及数学模型的基础上得出简化计算方法，即将与冷凝温度对应的饱和空气焓值与冷凝器进出口空气平均焓值的差值乘以一个修正系数得出单位热负荷，从而确定冷凝器的面积。这种方法较为简单，但要通过大量实验准确确定修正系数。3.2 冷却水流量及冷却水覆盖率 冷却水流量是作为衡量冷凝器性能的一个重要指标，又是正确匹配冷却水泵功率的重要参数。冷却水覆盖率表示热表面被冷却水覆盖的百分比。蒸发式冷凝所能实现的理想状态模型是冷却水能连续地在换热表面形成均匀的薄膜，且100%地覆盖换热表面。蒸发式冷凝系统中冷却水流量是蒸发消耗量和最小循环水量之和。蒸发消耗量是指被蒸发成水蒸气并被排出系统所散失的冷却水量。最小循环水量是指提供覆盖整个冷凝器表面所需的最少冷却水量，它吸收冷凝器的凝结潜热，在下落过程中又将热量传递给冷却空气流，使之在流回水箱前温度降到喷淋时的温度。实际运用过程中，冷却水流量几乎远远超过理想指标，这与播水形式和换热器形式有关。目前，蒸发式冷凝器所采用的蛇型盘管采用错排，如图 1 所示。这种排列方式可以增加冷却空气流的扰动性，有利于换热。冷却水与盘管束的换热属于外掠圆管束流动换热，其特征表明，只有前两排保持外掠圆管特征外，后面的流动将被前排管子引起的涡旋所干扰，流动状况变得复杂。同时，试验也证明了这一点，当冷却水播洒到第一排和第二排管表面后，由于管表面冷却水层受粘滞力影响流速较低，容易在管的底部形成滞流区，则冷却水在此积聚成水珠。冷却水在这两排管底部的分布状况如图 2。从第三排开始，冷却水就是以水珠的形式从上面一排滴落到下层的上表面，造成冷却水覆盖率下降，影响冷凝器的排热效果。这种现象造成的另一个恶劣后果是冷却水不均匀分布，从而使管表面结垢，热阻迅速增加，冷凝温度上升。为了解决这个问题，市场中有两种改进方式，一种方式是牺牲水泵的功率，加大循环冷却水的流量。冷却水流量加大，管表面冷却水层流速迅速增加，在一定程度上改善了盘管换热。但是，随着冷却水流量加大，管表面流体层流层厚度增加，参看外掠圆管局部换热系数的变化图2可知，管外局部换热系数迅速下降，可见这并不是一种可取方式，且这种方式还是没有从根本上解决冷却水滴落状态造成的影响。另一种是改变蛇型盘管管的断面形式，用椭圆形管代替圆形管，如图 3，这使得管外流体发生的绕流脱体的起点下移，减少了管底部出现的涡流现象，也提高了冷却水的覆盖率，不过，仍旧存在冷却水滴落现象，也没有从根本上解决。从上面所描述的现象和分析的原因得出，必须寻求一种连续不断的换热器表面形式，将冷凝器的外掠管换热改变成平壁换热或者接近平壁换热的形式，这样才能在冷凝器表面形成有利于蒸发换热的连续薄层。3.3 冷却空气流量与空气流速 系统运行时，风机强迫空气以一定的流速自下向上掠过冷凝管束，促进水膜蒸发，强化冷凝管外放热，并使吸热后的水滴在下落的过程中为空气流所冷却，最后将蒸发形成的水蒸气一同带出。确定冷却空气流量时，主要考虑两个方面的因素：一是将冷却水冷却并接近湿球温度；二是能达到盘管间保持 35m/s 的空气流速所需的风量。目前，有的蒸发式冷凝器采用空气流速远大于基于上面两个因素所需风量的流速，一般可达 813m/s，目的是借强大的风力使冷却水在换热管底部形成水膜，提高水的覆盖率，破坏管底部的滞留区，以提高换热效率。这种以牺牲风机电能的方法获得换热效率的增强，不利于蒸发式冷凝的推广，是不可取的。此外，风速的提高，直接导致大量冷却水被带出系统，造成环境污染。因此，应尽量从蒸发冷凝换热的特征上改变冷凝器换热器形式，以强化换热。3.4 空气焓差利用系数 冷却空气流过蒸发式冷凝器的过程为加湿过程，其变化过程如图 4 所示。其中点 1 表示空气进入冷凝器时的状态，为室外空气状态，点 2 表示离开冷凝器时的状态，点 m 表示空气在冷凝器中的平均状态。1-2 过程是沿点 1 向点 s 的连线进行，点 s 表示水膜温度 ts时的饱和湿空气状态，即等温线 ts与饱和曲线的交点。当空气初时温度 t1低于水膜 ts温度时，空气的终态温度 t2将升高，为升温加湿过程；当空气温度 t1高于水膜 ts温度时，空气温度 t2将降低，为降温加湿过程。但无论属于何种情况，空气中的含湿量和焓值都将增加，因此将点 2 与点 1 的焓差与点 s 与点 1 的焓差的比值定义为蒸发式冷凝器的空气焓差利用系数，表达式如下：a（h2-h1）/（hs-h1）空气焓差利用系数是反映蒸发式冷凝器运行过程中空气热交换能力和质交换能力的参数。冷凝器中空气流动方式、换热盘管外表面形状与排列形式、盘管密度将影响空气焓差利用系数的大小。对于光管冷凝器3a=0.50.6，对于肋片管冷凝器3a=0.60.8。3.5 初始喷淋温度 冷却水的喷淋温度是决定冷凝温度的参数指标。蒸发式冷凝器的冷凝设计温度高于喷淋温度 56，喷淋温度的设计值为当地的湿球温度，即冷凝设计温度高于湿球温度 56。提高喷淋温度将直接导致冷凝温度的上升，从而制冷效率下降。系统实际运行时，喷淋温度高于湿球温度，其原因一般有以下几个：1）冷凝器的冷却风量不足；2）填料体积设计不恰当；3）换热面积设计太小，等等。因此设计时应该考虑上述因素对喷淋温度的影响。4 结语 蒸发式冷凝运用于制冷工艺带来的经济价值已逐步被从事于制冷空调的设计者所接受，但我国蒸发式冷凝技术发展还较为缓慢，大部分有关蒸发冷凝技术的研究还停留在国外 80 年代的水平，就目前的气候特点、换热材料性能如何提高蒸发冷凝换热效果所提出新概念、新技术并不多。本文分析讨论了影响蒸发冷凝换热的主要因素，这将对强化蒸发冷凝换热，改善换热器性能具有实际意义。参考文献 1 彦启森.空气调节用制冷技术M.第二版.北京：中国建筑工业出版社，1995，5860.2 章熙民，等.传热学M.第三版.北京：中国建筑出版社，1993，149155.3 李明忠，等.中小型冷库技术M.上海：上海交通大学出版社，1995.