蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況

      [摘要]著重比較了不同型式冷凝器的相關(guan) 應用參數;對蒸發式換熱器國內(nei) 外研究進展和國內(nei) 應用狀況進 行了介紹;分析總結了蒸發式冷凝器在應用中存在的問題,並針對相關(guan) 問題提出了相應對策;zui後,指明 了蒸發式冷凝器的應用前景和發展方向,並通過實踐證明了節能型的產(chan) 品在國內(nei) 外具有良好的市場。

       [關(guan) 鍵詞]蒸發式冷凝器,蒸發式換熱器,節能

       [中圖分類號]TB657·5;TQ051·6+1;TQ051·6+2　[文獻標識碼]C

 1　引言

       由於(yu) 人口膨脹和經濟發展,水資源短缺的現象 正在世界許多地方相繼出現,尤其是城市缺水狀 況,越來越加劇。我國的水力資源可開發量雖達 3·79億(yi) 千瓦,但人均不到0·3千瓦。《中國節水技 術政策大綱》中指出:“大力發展和推廣工業(ye) 用水 重複利用技術,提高水的重複利用率是工業(ye) 節水的 首要途徑,發展冷卻節水技術是工業(ye) 節約用水 的重點。”冷凝冷卻設備是工業(ye) 耗能耗水大戶,製 冷冷卻耗能量占工業(ye) 用能的13%~15%,耗水占工 業(ye) 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 式冷凝技術應運而生,成為(wei) 水循環重複利用的重要技術之一。蒸發式冷凝技術在航空、電力、機械、 紡織等工業(ye) 領域中起著重要作用。同時,冷卻塔、 噴淋塔、蒸發式冷凝器等就是冷卻水重複利用的關(guan)  鍵設備,蒸發式冷凝器的節能、節水效果不僅(jin) 在理 論上是明顯的,在實際應用中也得到很好的證 明[2]。所以,研究和發展蒸發式冷凝冷卻設備,極 具現實意義(yi) 。

2　蒸發式冷凝器

        根據蒸發式冷凝器的工作原理可知,由於(yu) 蒸發 式冷凝器主要利用水的汽化潛熱帶走製冷劑冷凝過 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。實際補充水量為(wei) 水冷式的1/25- 1/50,其特別適用於(yu) 缺水地區。

        文獻[3]和文獻[4]對各種冷凝器的性能與(yu)  耗水情況分別進行了比較。據計算,以氨為(wei) 製冷 劑,產(chan) 冷量在3·8×106kJ/h時,蒸發冷凝器比殼管 式冷凝器平均每年節電3·4×105kWh[5]。

3　蒸發式換熱器的理論研究進展

       3·1　國外理論研究進展

        蒸發式冷凝冷卻技術在國外的研究從(cong) 上個(ge) 世紀 至今從(cong) 未間斷過,並且在理論研究方麵也取得了較 大的成果,但大多局限於(yu) 管內(nei) 無相變的蒸發式冷卻 器的研究和蒸發式冷凝器的理論及性能模擬。隨著 節水和節能的需求,蒸發式換熱器在係統中應用的 深入研究將成為(wei) 勢在必行的重要研究課題。

        3·2　國內(nei) 理論研究進展

        20世紀80年代,同濟大學陳沛霖教授在美國 加州勞倫(lun) 斯伯克利研究所從(cong) 事蒸發冷卻技術的 合作研究,並將這一技術引入我國。近年來,一些 企業(ye) 和科研單位對蒸發冷凝冷卻技術進行了理論和 試驗研究,並取得了一定的成果。1986年,文獻 [28]通過實驗研究分析冷凝溫度、空氣進口濕球 溫度、風量和噴淋水量對氨蒸發式冷凝器單位麵積 熱負荷的影響,同時驗證在不同工況下氨蒸發式冷 凝器冷凝能力變換曲線的可靠性,為(wei) 設計蒸發式冷 凝器提供參考。

        1990年,文獻[29]把蒸發式冷凝器中的冷凝 溫度與(yu) 水膜平均溫度之差轉換為(wei) 焓差,並用算術平 均焓差代替對數平均焓差導出了不含水膜溫度的單 位麵積熱負荷的簡化計算公式,與(yu) 常用的比較繁瑣 的試湊法或圖解法相比,這種方法對於(yu) 工程設計計 算相當方便。

        1999年,文獻[30]介紹了一種簡單實用的帶 預冷器的蒸發式冷凝器的設計方法,此法可用於(yu) 常 規蒸發式冷凝器的設計計算。

        2003年,文獻[31]介紹了蒸發式冷凝器的工 作原理、傳(chuan) 熱計算、設計參數選擇和結構設計中存 在的問題,建議在缺水地區使用蒸發式冷凝器zui為(wei)  經濟。

        2004年,文獻[32]對幾種間接蒸發冷卻器的 熱工計算數學模型進行了簡要介紹和對比,並對其 中兩(liang) 種計算方法進行了實驗驗證,結果表明周孝 清、陳沛霖提出的方法更適用於(yu) 工程實踐。 2005年,文獻[33]-[34]建立了蒸發式冷凝器 和蒸發式冷卻器的數學模型。對換熱器管外水膜的溫度分布和焓值沿換熱器高度方向變化進行了研 究,並根據傳(chuan) 熱學理論得到了模型的解析解,為(wei) 設 計蒸發式換熱器提供了依據。文獻[35]采用分布 參數法對蒸發式冷凝器建立了數學模型,模型對蒸 發式冷凝器的結構設計和性能的優(you) 化提供了幫助。 2006-2007年,文獻[36]分析了噴淋蒸發翅 管式冷凝器的傳(chuan) 熱過程,建立其傳(chuan) 熱傳(chuan) 質數學模型 和設計計算方法。文獻[37]用溫降計算法進行蒸 發式冷凝器的選型計算,指出設置洗滌式油分離器 對於(yu) 氨製冷係統的有利作用,同時結合工程實例對 蒸發式冷凝器的管路進行了設計,並對其結構提出 了改進意見。文獻[38]-[46]建立了蒸發式冷 凝器實驗平台,測試了不同噴淋密度及迎麵風速對 管外水膜與(yu) 空氣傳(chuan) 熱與(yu) 阻力性能的影響,得到了管 外水膜與(yu) 空氣傳(chuan) 熱係數計算式。

        用FLUENT軟件對圓管、扭曲管和交變曲麵波 紋管3種管束中空氣的速度場、壓力場及溫度場進 行了模擬,在適當簡化模型的基礎上,采用可實現 k-E模型,強化壁麵處理方法和速度-壓力耦合 的SIMPLE算法,獲得了有代表性的來流流場及其 對傳(chuan) 熱與(yu) 流阻性能的影響量。研究表明扭曲管和管 外親(qin) 水處理都能獲得較好的水膜分布,而且還可以 達到減小水膜熱阻和提高蒸發式冷凝器傳(chuan) 熱性能的 目的。研究結果對蒸發式冷凝器的設計和實際應用 具有一定的指導意義(yi) 。

        可見,蒸發式冷凝技術在國內(nei) 的研究開始得較 晚,理論研究主要體(ti) 現在實驗分析方麵,通過實驗 得出的關(guan) 聯式和國外的相比也不盡相同。而模擬計 算所采用的數學模型主要以國外的理論為(wei) 依據,通 過實驗和模擬計算的結果比對,其相對誤差較大。 由於(yu) 蒸發式換熱器內(nei) 部的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質機理非常複雜, 通過國內(nei) 外的理論研究表明,要的描述蒸發式 換熱器的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質過程,仍有很長的路要走。

4　蒸發式冷凝器應用狀況和存在問題

        4·1　蒸發式換熱器應用研究

        蒸發冷凝技術的應用帶來了巨大的經濟效益和 社會(hui) 效益,其廣泛用於(yu) 航空發動機、燃氣渦輪機、 空氣壓縮機等機械裝置中。目前,由於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 及 人們(men) 生活的需要,該技術越來越受到人們(men) 的關(guan) 注與(yu) 重視。而市場經濟的發展,為(wei) 蒸發式冷凝器的應用 提供了有利條件。由於(yu) 蒸發式冷凝器是蒸發式換熱 器中的主要換熱設備種類,所以本文著重介紹蒸發 式冷凝器在國內(nei) 的應用狀況。

        目前,國內(nei) 蒸發式冷凝器的生產(chan) ,除了上海、 大連兩(liang) 大合資企業(ye) 外,還出現了一批中小生產(chan) 企 業(ye) 。2001年,Yunho·hwang等人依據ASHRAE第 116號標準,對蒸發式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器 在常見小型係統中的應用進行性能評估。結果表 明,蒸發式冷凝器比空冷式冷凝器製冷量高出 1·8%~8·1%,COP的值高出11·1%~21·6%, SEER的值高出14·5%,壓縮機的能耗降低了 11·4%[47]。K·AManske等人對蒸發式冷凝器在工 業(ye) 製冷係統中的應用進行了模擬和試驗研究,對冷 凝器的選型和壓力控製進行了優(you) 化,文獻提出的優(you)  化控製方法可以使係統的年運行能耗減少11%[48]。 由於(yu) 蒸發式冷凝器具有良好的節水、節能特性,所 以蒸發式冷凝器市場的競爭(zheng) 十分激烈,在降低成本 的同時提高蒸發式冷凝器的性能成為(wei) 企業(ye) 當前迫切 需要解決(jue) 的問題。

        邱嘉昌等通過對美國58家和加拿大4家冷庫 使用的冷凝器進行調查表明,蒸發冷凝器已經在國 外廣泛應用[49]。調查結果如表1所示:

               

        水資源緊缺、能源危機和節水環保等因素促進 了有關(guan) 蒸發式冷凝器的應用研究。西北工業(ye) 大學周 景鋒等人研究了蒸發冷凝技術在液體(ti) 除濕和海水淡 化技術中的應用以及蒸發式冷凝器在海水淡化裝置 中的應用[50]-[51],研究結果表明,蒸發式冷凝器 在海水淡化裝置中具有良好的使用性能。包衛分析 了蒸發式冷凝器用在火電廠冷卻係統中所具有的優(you)  點,論證了把蒸發冷運用在火電廠中是可行的[52]。 李誌清等人研究了蒸發式冷凝器在礦井凍結工程中 的應用,實踐證明ZL型蒸發式冷凝器與(yu) 立式冷凝器相比,可節水約97·7%,取得了很好的節水效 果[53]。李誌明等對蒸發式冷凝器在工程實際中的 應用進行了總結,對三種冷凝方式進行了係統能效 比較,其比較結果表明,蒸發式冷凝器具有明顯的 節水、節能作用[54]。

        王會(hui) 串概述了蒸發冷在合成氨,尿素生產(chan) 中的 應用,指出蒸發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(you)  點[55]。王少為(wei) 等人介紹了應用於(yu) 家用中央空調機 組的小型氟裏昂蒸發冷的設計方法、設計參數的選 取以及設計時應注意的問題和為(wei) 了控製結垢需要注 意的一些關(guan) 鍵因素。實踐證明,在相對幹燥的地區 使用蒸發式冷凝器,係統的能耗相對節省了16%, 製冷性能相對提高了55%。通過試驗研究了對蒸發 式換熱器熱質交換的各種影響因素,確定了蒸發式 換熱器的*範圍,供工程設計、選型和生產(chan) 參 考。試驗研究表明,采用蒸發式冷凝器可使房間空 調器的能效比（EER）提高50%~70%,並指出蒸 發冷凝式空調在空調市場具有很好的發展前 景[56]-[58]。王鐵軍(jun) 等分析了蒸發式冷凝器的傳(chuan) 熱 機理、結構和技術特點,基於(yu) 投資經濟學理論及其 分析方法建立了經濟技術分析模型,應用該模型對 製冷裝置的冷凝器選型做了運行期經濟效益分析計 算[59]。李丹衝(chong) 從(cong) 蒸發冷的選配程序、水垢控製技 術、運行管理以及在大型係統中的安裝四個(ge) 方麵研 究了蒸發冷在大型工業(ye) 係統中的應用[60]。 以上文獻是國內(nei) 學者對蒸發式冷凝器在一部分 領域的應用研究。
        在蒸發式冷凝器的應用領域方 麵,啤酒、食品、飲料、製藥、石油化工等行業(ye) 也 越來越多的采用蒸發式冷凝器。實踐應用表明蒸發 式冷凝器相對於(yu) 其它形式冷凝器具有明顯優(you) 勢,在 內(nei) 陸地區應優(you) 先選用節水、節電尤為(wei) 顯著的蒸發式 冷凝器。另外,實踐應用證明,在選用蒸發式冷凝 器時,除了要重視其結構型式、應用特點外,還應 對選型計算、管路係統設計和循環水的水質處理等 進行認真研究。

        4·2　蒸發式冷凝器存在的問題及對策

        4·2·1　蒸發式冷凝器在理論研究方麵存在的問題 及對策　蒸發式冷凝器作為(wei) 生產(chan) 應用中的一種高 效節能換熱器,其傳(chuan) 熱傳(chuan) 質原理和結構特點決(jue) 定了 在理論研究和生產(chan) 應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給出了相應的對 策,也有一些需要人們(men) 進一步的研究分析。 在理論研究方麵,由於(yu) 蒸發式冷凝器的傳(chuan) 熱傳(chuan)  質過程相當複雜,目前,國內(nei) 外的大多學者在相關(guan)  的理論研究方麵是基於(yu) 種種假設的基礎上的,所以 建立的描述蒸發式冷凝器的理論模型是亟待解 決(jue) 的問題。另外,研究換熱管提高蒸發式冷凝 器的效率和優(you) 化冷凝器的結構也是需要進一步解決(jue) 的問題。

        4·2·2　蒸發式冷凝器在實際應用中存在的問題及對策首先是結垢問題。實驗和應用表明,汙垢 是影響蒸發式冷凝器盤管換熱性能的zui主要因素之 一。因此,為(wei) 了*的傳(chuan) 熱效率和zui長的使用壽 命,應考慮循環水的水質處理和循環水的循環周 期,並采用較為(wei) 良好的防結垢技術。催勳章等人對 換熱管的垢樣進行了分析,其成分如表2所示[61]。 並建立了噴淋式循環清洗工藝係統,通過實踐檢 驗,采用此噴淋式循環清洗工藝係統對蒸發式冷凝 器盤管的清洗切合實際而且相當有效。

                 

        其次是腐蝕問題。由於(yu) 蒸發式冷凝器是在潮濕 的環境下運行的,易於(yu) 腐蝕,所以其換熱盤管、箱 體(ti) 以及風機電機都需要采用防腐處理。換熱盤管的 腐蝕問題是製約蒸發式冷凝器發展的關(guan) 鍵因素,蒸 發式冷凝器的換熱盤管一般采用整體(ti) 熱浸鋅防腐, 並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(hui) 影響蒸發冷的性能和壽命。

        zui後是水量和風量的合理分配問題。理論研究 發現,水量和風量是影響蒸發冷的主要因素之一。 應用中,冷卻水流量遠遠超過理想指標,這與(yu) 噴嘴 型式和換熱器型式有關(guan) 。應用中有兩(liang) 種改進方式, 一種是犧牲水泵的功率,加大循環冷卻水的流量。 但是,隨著冷卻水量的增大,管子表麵的水膜的厚度將增大,管外局部換熱係數卻迅速下降,而且水 泵的功率加大,所以這種方法不可取。另一種是改 變蛇型盤管管的斷麵形式,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(cong) 根本上 解決(jue) 問題。而實際應用中風量的分配也是采用強大 的風力使冷卻水在換熱管底部形成水膜,提高水的 覆蓋率,打亂(luan) 管底部的滯留區,以提高換熱效率。 這種以犧牲風機功耗的方法來獲得換熱效率的增 強,不利於(yu) 蒸發式冷凝的推廣,是不可取的。過大 的水量和風量都不能使換熱器的運行,所以合 理的分配冷凝器的水量和風量對提高換熱器的性能 有很重要的影響。

5　結論

        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,加強對具有節水、節能、結構緊湊 和占地麵積小等優(you) 點的蒸發式換熱器的研究已刻不 容緩。對占我國麵積一半以上的西北地區,空氣幹 燥,夏季晝夜溫差大,冬季多為(wei) 幹冷氣候,常年平 均相對濕度在80%以下,正是應用蒸發式換熱器的 好地方。研究表明,在新疆及其它幹燥地區大力推 廣蒸發式換熱器的應用是具有廣闊前景的。但是蒸 發式換熱器作為(wei) 製冷、冶金和化工等行業(ye) 新型的熱 交換設備之一,雖然具有節水、節能、結構緊湊等 優(you) 點,但依然存在一定的局限性和缺點。其理論和 應用研究仍有很大的發展餘(yu) 地,隨著新技術的出 現,新產(chan) 品的開發和應用方式的改進,都為(wei) 蒸發式 換熱器的發展提出新課題。