蒸發(fā)式換熱器的研究進(jìn)展和應(yīng)用狀況

      [摘要]著重比較了不同型式冷凝器的相關(guān)應(yīng)用參數(shù);對蒸發(fā)式換熱器國內(nèi)外研究進(jìn)展和國內(nèi)應(yīng)用狀況進(jìn) 行了介紹;分析總結(jié)了蒸發(fā)式冷凝器在應(yīng)用中存在的問題,并針對相關(guān)問題提出了相應(yīng)對策;zui后,指明 了蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用前景和發(fā)展方向,并通過實(shí)踐證明了節(jié)能型的產(chǎn)品在國內(nèi)外具有良好的市場。

       [關(guān)鍵詞]蒸發(fā)式冷凝器,蒸發(fā)式換熱器,節(jié)能

       [中圖分類號]TB657·5;TQ051·6+1;TQ051·6+2　[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]C

 1　引言

       由于人口膨脹和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源短缺的現(xiàn)象 正在世界許多地方相繼出現(xiàn),尤其是城市缺水狀 況,越來越加劇。我國的水力資源可開發(fā)量雖達(dá) 3·79億千瓦,但人均不到0·3千瓦。《中國節(jié)水技 術(shù)政策大綱》中指出:“大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水 重復(fù)利用技術(shù),提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的 首要途徑,發(fā)展冷卻節(jié)水技術(shù)是工業(yè)節(jié)約用水 的重點(diǎn)。”冷凝冷卻設(shè)備是工業(yè)耗能耗水大戶,制 冷冷卻耗能量占工業(yè)用能的13%~15%,耗水占工 業(yè)用水的70%~80%,而間接冷卻用水又占冷卻用 水的70%~80%[1]。也正是在這樣的情況下,蒸發(fā) 式冷凝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,成為水循環(huán)重復(fù)利用的重要技術(shù)之一。蒸發(fā)式冷凝技術(shù)在航空、電力、機(jī)械、 紡織等工業(yè)領(lǐng)域中起著重要作用。同時(shí),冷卻塔、 噴淋塔、蒸發(fā)式冷凝器等就是冷卻水重復(fù)利用的關(guān) 鍵設(shè)備,蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理 論上是明顯的,在實(shí)際應(yīng)用中也得到很好的證 明[2]。所以,研究和發(fā)展蒸發(fā)式冷凝冷卻設(shè)備,極 具現(xiàn)實(shí)意義。

2　蒸發(fā)式冷凝器

        根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的工作原理可知,由于蒸發(fā) 式冷凝器主要利用水的汽化潛熱帶走制冷劑冷凝過 程中放出的冷凝熱量,所以冷卻水的用量要比水冷 式冷凝器少得多。實(shí)際補(bǔ)充水量為水冷式的1/25- 1/50,其特別適用于缺水地區(qū)。

        文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對各種冷凝器的性能與 耗水情況分別進(jìn)行了比較。據(jù)計(jì)算,以氨為制冷 劑,產(chǎn)冷量在3·8×106kJ/h時(shí),蒸發(fā)冷凝器比殼管 式冷凝器平均每年節(jié)電3·4×105kWh[5]。

3　蒸發(fā)式換熱器的理論研究進(jìn)展

       3·1　國外理論研究進(jìn)展

        蒸發(fā)式冷凝冷卻技術(shù)在國外的研究從上個(gè)世紀(jì) 至今從未間斷過,并且在理論研究方面也取得了較 大的成果,但大多局限于管內(nèi)無相變的蒸發(fā)式冷卻 器的研究和蒸發(fā)式冷凝器的理論及性能模擬。隨著 節(jié)水和節(jié)能的需求,蒸發(fā)式換熱器在系統(tǒng)中應(yīng)用的 深入研究將成為勢在必行的重要研究課題。

        3·2　國內(nèi)理論研究進(jìn)展

        20世紀(jì)80年代,同濟(jì)大學(xué)陳沛霖教授在美國 加州勞倫斯伯克利研究所從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)的 合作研究,并將這一技術(shù)引入我國。近年來,一些 企業(yè)和科研單位對蒸發(fā)冷凝冷卻技術(shù)進(jìn)行了理論和 試驗(yàn)研究,并取得了一定的成果。1986年,文獻(xiàn) [28]通過實(shí)驗(yàn)研究分析冷凝溫度、空氣進(jìn)口濕球 溫度、風(fēng)量和噴淋水量對氨蒸發(fā)式冷凝器單位面積 熱負(fù)荷的影響,同時(shí)驗(yàn)證在不同工況下氨蒸發(fā)式冷 凝器冷凝能力變換曲線的可靠性,為設(shè)計(jì)蒸發(fā)式冷 凝器提供參考。

        1990年,文獻(xiàn)[29]把蒸發(fā)式冷凝器中的冷凝 溫度與水膜平均溫度之差轉(zhuǎn)換為焓差,并用算術(shù)平 均焓差代替對數(shù)平均焓差導(dǎo)出了不含水膜溫度的單 位面積熱負(fù)荷的簡化計(jì)算公式,與常用的比較繁瑣 的試湊法或圖解法相比,這種方法對于工程設(shè)計(jì)計(jì) 算相當(dāng)方便。

        1999年,文獻(xiàn)[30]介紹了一種簡單實(shí)用的帶 預(yù)冷器的蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)方法,此法可用于常 規(guī)蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

        2003年,文獻(xiàn)[31]介紹了蒸發(fā)式冷凝器的工 作原理、傳熱計(jì)算、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存 在的問題,建議在缺水地區(qū)使用蒸發(fā)式冷凝器zui為 經(jīng)濟(jì)。

        2004年,文獻(xiàn)[32]對幾種間接蒸發(fā)冷卻器的 熱工計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡要介紹和對比,并對其 中兩種計(jì)算方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明周孝 清、陳沛霖提出的方法更適用于工程實(shí)踐。 2005年,文獻(xiàn)[33]-[34]建立了蒸發(fā)式冷凝器 和蒸發(fā)式冷卻器的數(shù)學(xué)模型。對換熱器管外水膜的溫度分布和焓值沿?fù)Q熱器高度方向變化進(jìn)行了研 究,并根據(jù)傳熱學(xué)理論得到了模型的解析解,為設(shè) 計(jì)蒸發(fā)式換熱器提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[35]采用分布 參數(shù)法對蒸發(fā)式冷凝器建立了數(shù)學(xué)模型,模型對蒸 發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能的優(yōu)化提供了幫助。 2006-2007年,文獻(xiàn)[36]分析了噴淋蒸發(fā)翅 管式冷凝器的傳熱過程,建立其傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型 和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。文獻(xiàn)[37]用溫降計(jì)算法進(jìn)行蒸 發(fā)式冷凝器的選型計(jì)算,指出設(shè)置洗滌式油分離器 對于氨制冷系統(tǒng)的有利作用,同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例對 蒸發(fā)式冷凝器的管路進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對其結(jié)構(gòu)提出 了改進(jìn)意見。文獻(xiàn)[38]-[46]建立了蒸發(fā)式冷 凝器實(shí)驗(yàn)平臺,測試了不同噴淋密度及迎面風(fēng)速對 管外水膜與空氣傳熱與阻力性能的影響,得到了管 外水膜與空氣傳熱系數(shù)計(jì)算式。

        用FLUENT軟件對圓管、扭曲管和交變曲面波 紋管3種管束中空氣的速度場、壓力場及溫度場進(jìn) 行了模擬,在適當(dāng)簡化模型的基礎(chǔ)上,采用可實(shí)現(xiàn) k-E模型,強(qiáng)化壁面處理方法和速度-壓力耦合 的SIMPLE算法,獲得了有代表性的來流流場及其 對傳熱與流阻性能的影響量。研究表明扭曲管和管 外親水處理都能獲得較好的水膜分布,而且還可以 達(dá)到減小水膜熱阻和提高蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能的 目的。研究結(jié)果對蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用 具有一定的指導(dǎo)意義。

        可見,蒸發(fā)式冷凝技術(shù)在國內(nèi)的研究開始得較 晚,理論研究主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)分析方面,通過實(shí)驗(yàn) 得出的關(guān)聯(lián)式和國外的相比也不盡相同。而模擬計(jì) 算所采用的數(shù)學(xué)模型主要以國外的理論為依據(jù),通 過實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的結(jié)果比對,其相對誤差較大。 由于蒸發(fā)式換熱器內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)機(jī)理非常復(fù)雜, 通過國內(nèi)外的理論研究表明,要的描述蒸發(fā)式 換熱器的傳熱傳質(zhì)過程,仍有很長的路要走。

4　蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用狀況和存在問題

        4·1　蒸發(fā)式換熱器應(yīng)用研究

        蒸發(fā)冷凝技術(shù)的應(yīng)用帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)效益,其廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、 空氣壓縮機(jī)等機(jī)械裝置中。目前,由于工業(yè)生產(chǎn)及 人們生活的需要,該技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注與重視。而市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用 提供了有利條件。由于蒸發(fā)式冷凝器是蒸發(fā)式換熱 器中的主要換熱設(shè)備種類,所以本文著重介紹蒸發(fā) 式冷凝器在國內(nèi)的應(yīng)用狀況。

        目前,國內(nèi)蒸發(fā)式冷凝器的生產(chǎn),除了上海、 大連兩大合資企業(yè)外,還出現(xiàn)了一批中小生產(chǎn)企 業(yè)。2001年,Yunho·hwang等人依據(jù)ASHRAE第 116號標(biāo)準(zhǔn),對蒸發(fā)式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器 在常見小型系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行性能評估。結(jié)果表 明,蒸發(fā)式冷凝器比空冷式冷凝器制冷量高出 1·8%~8·1%,COP的值高出11·1%~21·6%, SEER的值高出14·5%,壓縮機(jī)的能耗降低了 11·4%[47]。K·AManske等人對蒸發(fā)式冷凝器在工 業(yè)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究,對冷 凝器的選型和壓力控制進(jìn)行了優(yōu)化,文獻(xiàn)提出的優(yōu) 化控制方法可以使系統(tǒng)的年運(yùn)行能耗減少11%[48]。 由于蒸發(fā)式冷凝器具有良好的節(jié)水、節(jié)能特性,所 以蒸發(fā)式冷凝器市場的競爭十分激烈,在降低成本 的同時(shí)提高蒸發(fā)式冷凝器的性能成為企業(yè)當(dāng)前迫切 需要解決的問題。

        邱嘉昌等通過對美國58家和加拿大4家冷庫 使用的冷凝器進(jìn)行調(diào)查表明,蒸發(fā)冷凝器已經(jīng)在國 外廣泛應(yīng)用[49]。調(diào)查結(jié)果如表1所示:

               

        水資源緊缺、能源危機(jī)和節(jié)水環(huán)保等因素促進(jìn) 了有關(guān)蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用研究。西北工業(yè)大學(xué)周 景鋒等人研究了蒸發(fā)冷凝技術(shù)在液體除濕和海水淡 化技術(shù)中的應(yīng)用以及蒸發(fā)式冷凝器在海水淡化裝置 中的應(yīng)用[50]-[51],研究結(jié)果表明,蒸發(fā)式冷凝器 在海水淡化裝置中具有良好的使用性能。包衛(wèi)分析 了蒸發(fā)式冷凝器用在火電廠冷卻系統(tǒng)中所具有的優(yōu) 點(diǎn),論證了把蒸發(fā)冷運(yùn)用在火電廠中是可行的[52]。 李志清等人研究了蒸發(fā)式冷凝器在礦井凍結(jié)工程中 的應(yīng)用,實(shí)踐證明ZL型蒸發(fā)式冷凝器與立式冷凝器相比,可節(jié)水約97·7%,取得了很好的節(jié)水效 果[53]。李志明等對蒸發(fā)式冷凝器在工程實(shí)際中的 應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),對三種冷凝方式進(jìn)行了系統(tǒng)能效 比較,其比較結(jié)果表明,蒸發(fā)式冷凝器具有明顯的 節(jié)水、節(jié)能作用[54]。

        王會(huì)串概述了蒸發(fā)冷在合成氨,尿素生產(chǎn)中的 應(yīng)用,指出蒸發(fā)冷具有比普通水冷凝器投資少、能 耗低、安裝簡單、占地少、操作方便等諸多優(yōu) 點(diǎn)[55]。王少為等人介紹了應(yīng)用于家用中央空調(diào)機(jī) 組的小型氟里昂蒸發(fā)冷的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)的選 取以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題和為了控制結(jié)垢需要注 意的一些關(guān)鍵因素。實(shí)踐證明,在相對干燥的地區(qū) 使用蒸發(fā)式冷凝器,系統(tǒng)的能耗相對節(jié)省了16%, 制冷性能相對提高了55%。通過試驗(yàn)研究了對蒸發(fā) 式換熱器熱質(zhì)交換的各種影響因素,確定了蒸發(fā)式 換熱器的*范圍,供工程設(shè)計(jì)、選型和生產(chǎn)參 考。試驗(yàn)研究表明,采用蒸發(fā)式冷凝器可使房間空 調(diào)器的能效比（EER）提高50%~70%,并指出蒸 發(fā)冷凝式空調(diào)在空調(diào)市場具有很好的發(fā)展前 景[56]-[58]。王鐵軍等分析了蒸發(fā)式冷凝器的傳熱 機(jī)理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn),基于投資經(jīng)濟(jì)學(xué)理論及其 分析方法建立了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析模型,應(yīng)用該模型對 制冷裝置的冷凝器選型做了運(yùn)行期經(jīng)濟(jì)效益分析計(jì) 算[59]。李丹沖從蒸發(fā)冷的選配程序、水垢控制技 術(shù)、運(yùn)行管理以及在大型系統(tǒng)中的安裝四個(gè)方面研 究了蒸發(fā)冷在大型工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[60]。 以上文獻(xiàn)是國內(nèi)學(xué)者對蒸發(fā)式冷凝器在一部分 領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
        在蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用領(lǐng)域方 面,啤酒、食品、飲料、制藥、石油化工等行業(yè)也 越來越多的采用蒸發(fā)式冷凝器。實(shí)踐應(yīng)用表明蒸發(fā) 式冷凝器相對于其它形式冷凝器具有明顯優(yōu)勢,在 內(nèi)陸地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用節(jié)水、節(jié)電尤為顯著的蒸發(fā)式 冷凝器。另外,實(shí)踐應(yīng)用證明,在選用蒸發(fā)式冷凝 器時(shí),除了要重視其結(jié)構(gòu)型式、應(yīng)用特點(diǎn)外,還應(yīng) 對選型計(jì)算、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和循環(huán)水的水質(zhì)處理等 進(jìn)行認(rèn)真研究。

        4·2　蒸發(fā)式冷凝器存在的問題及對策

        4·2·1　蒸發(fā)式冷凝器在理論研究方面存在的問題 及對策　蒸發(fā)式冷凝器作為生產(chǎn)應(yīng)用中的一種高 效節(jié)能換熱器,其傳熱傳質(zhì)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了 在理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用中不可避免的存在一些問題,其中一些在前人的研究中已經(jīng)給出了相應(yīng)的對 策,也有一些需要人們進(jìn)一步的研究分析。 在理論研究方面,由于蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳 質(zhì)過程相當(dāng)復(fù)雜,目前,國內(nèi)外的大多學(xué)者在相關(guān) 的理論研究方面是基于種種假設(shè)的基礎(chǔ)上的,所以 建立的描述蒸發(fā)式冷凝器的理論模型是亟待解 決的問題。另外,研究換熱管提高蒸發(fā)式冷凝 器的效率和優(yōu)化冷凝器的結(jié)構(gòu)也是需要進(jìn)一步解決的問題。

        4·2·2　蒸發(fā)式冷凝器在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題及對策首先是結(jié)垢問題。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明,污垢 是影響蒸發(fā)式冷凝器盤管換熱性能的zui主要因素之 一。因此,為了*的傳熱效率和zui長的使用壽 命,應(yīng)考慮循環(huán)水的水質(zhì)處理和循環(huán)水的循環(huán)周 期,并采用較為先進(jìn)的防結(jié)垢技術(shù)。催勛章等人對 換熱管的垢樣進(jìn)行了分析,其成分如表2所示[61]。 并建立了噴淋式循環(huán)清洗工藝系統(tǒng),通過實(shí)踐檢 驗(yàn),采用此噴淋式循環(huán)清洗工藝系統(tǒng)對蒸發(fā)式冷凝 器盤管的清洗切合實(shí)際而且相當(dāng)有效。

                 

        其次是腐蝕問題。由于蒸發(fā)式冷凝器是在潮濕 的環(huán)境下運(yùn)行的,易于腐蝕,所以其換熱盤管、箱 體以及風(fēng)機(jī)電機(jī)都需要采用防腐處理。換熱盤管的 腐蝕問題是制約蒸發(fā)式冷凝器發(fā)展的關(guān)鍵因素,蒸 發(fā)式冷凝器的換熱盤管一般采用整體熱浸鋅防腐, 并且要保證鍍鋅層的厚度,鍍鋅層的厚度不夠或者 鍍鋅不均都會(huì)影響蒸發(fā)冷的性能和壽命。

        zui后是水量和風(fēng)量的合理分配問題。理論研究 發(fā)現(xiàn),水量和風(fēng)量是影響蒸發(fā)冷的主要因素之一。 應(yīng)用中,冷卻水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理想指標(biāo),這與噴嘴 型式和換熱器型式有關(guān)。應(yīng)用中有兩種改進(jìn)方式, 一種是犧牲水泵的功率,加大循環(huán)冷卻水的流量。 但是,隨著冷卻水量的增大,管子表面的水膜的厚度將增大,管外局部換熱系數(shù)卻迅速下降,而且水 泵的功率加大,所以這種方法不可取。另一種是改 變蛇型盤管管的斷面形式,用橢圓管代替圓管。這 種方式提高了冷卻水的覆蓋率,但是沒有從根本上 解決問題。而實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)量的分配也是采用強(qiáng)大 的風(fēng)力使冷卻水在換熱管底部形成水膜,提高水的 覆蓋率,打亂管底部的滯留區(qū),以提高換熱效率。 這種以犧牲風(fēng)機(jī)功耗的方法來獲得換熱效率的增 強(qiáng),不利于蒸發(fā)式冷凝的推廣,是不可取的。過大 的水量和風(fēng)量都不能使換熱器的運(yùn)行,所以合 理的分配冷凝器的水量和風(fēng)量對提高換熱器的性能 有很重要的影響。

5　結(jié)論

        在我國水資源匱乏,尤其近年來電力資源日趨 緊張的局勢下,加強(qiáng)對具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊 和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)的蒸發(fā)式換熱器的研究已刻不 容緩。對占我國面積一半以上的西北地區(qū),空氣干 燥,夏季晝夜溫差大,冬季多為干冷氣候,常年平 均相對濕度在80%以下,正是應(yīng)用蒸發(fā)式換熱器的 好地方。研究表明,在新疆及其它干燥地區(qū)大力推 廣蒸發(fā)式換熱器的應(yīng)用是具有廣闊前景的。但是蒸 發(fā)式換熱器作為制冷、冶金和化工等行業(yè)新型的熱 交換設(shè)備之一,雖然具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊等 優(yōu)點(diǎn),但依然存在一定的局限性和缺點(diǎn)。其理論和 應(yīng)用研究仍有很大的發(fā)展余地,隨著新技術(shù)的出 現(xiàn),新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用方式的改進(jìn),都為蒸發(fā)式 換熱器的發(fā)展提出新課題。