蒸发式冷凝器国内外研究进展

赵 越周洪剑谢 晶

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海宝丰机械制造有限公司，上海 200444）

蒸发式冷凝器国内外研究进展

赵 越1周洪剑2谢 晶1

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海宝丰机械制造有限公司，上海 200444）

介绍蒸发式冷凝器的工作原理、分类、特点及研究进展。具体阐述蒸发式冷凝器结构的改进，包括目前应用较为广泛的填料蒸发式冷凝器、鼓泡蒸发式冷凝器、板式蒸发式冷凝器等；传热研究方面分析了弹性管和扭曲管的优越性以及一些计算模型和设计程序；最后总结水处理及除垢技术的进展，并对今后的研究方向进行展望。

蒸发式冷凝器；特点；结构；传热；盘管；模型；除垢

冷凝器是制冷系统的主要换热设备之一，高温、高压的制冷剂气体经过冷凝器被冷却为液态。冷凝器一般可分为3种类型：空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器及空气与水联合冷却式冷凝器［1，2］，蒸发式冷凝器是空气与水联合冷却式冷凝器中的一种类型。

蒸发式冷凝器的换热不仅存在显热交换，而且存在潜热交换，并且以潜热交换为主［3－5］，相对于显热交换，潜热交换的换热效率较高，节水是蒸发式冷凝器最大的优点［6］。

1 蒸发式冷凝器结构的改进

随着蒸发式冷凝器的逐渐成熟与普及，如今的蒸发式冷凝器较传统的水平管式蒸发式冷凝器相比有了一些结构上的改进。

1.1 填料蒸发式冷凝器

相对于传统形式的蒸发式冷凝器，填料蒸发式冷凝器的特点是在换热盘管下方增设一段PVC填料热交换层，使得循环水的温度进一步降低。空气有两个入口，分别位于冷凝器的上部和侧下部。由上部入口进入的空气与喷淋水同向流动，自上而下从挡水板处错流流出；由侧下部入口进入的空气与喷淋水反向流动，从填料热交换层错流流出。上部的轴流风机把两部分排出的湿空气排出。

填料蒸发式冷凝器的结构见图1。填料蒸发式冷凝器属于顺流式结构，即空气和喷淋水同向流动，连续不断飘落的水雾在风压的作用下充分地包裹覆盖在冷凝盘管壁上，不会迅速滑落，使得换热更加充分透彻，也使得盘管表面不容易结垢。

图1 填料蒸发式冷凝器结构示意图Figure 1 Structure diagram of packing evaporative condenser

填料蒸发式冷凝器最大的特色就是引入了填料。未蒸发的冷却水在脱离换热盘管后，进入填料层，使得自身的温度得以进一步降低，更好的服务于下一次循环，提高了换热盘管的单位面积换热量，从而提高蒸发式冷凝器整体的换热效率。

1.2 鼓泡蒸发式冷凝器

鼓泡蒸发式冷凝器的特殊之处在于设置了过热蒸汽冷凝装置和浅水层鼓泡装置，其结构见图2。

图2 鼓泡蒸发式冷凝器结构示意图Figure 2 Structure diagram of bubbling evaporative condenser

过热蒸汽冷凝装置是鼓泡蒸发式冷凝器的一大特点。其作用就是对进入冷凝盘管之前的高温制冷剂蒸汽先进行预冷，预冷之后再进入冷凝盘管进行冷凝。通过预冷有效地降低了制冷剂蒸汽的温度，可以防止喷淋水在高温段蒸发产生结垢现象。

浅水层鼓泡装置是鼓泡蒸发式冷凝器的另一个特点。风机引入的新风鼓动水层形成大量的气泡，流经换热盘管的水降落在浅水层鼓泡装置上，大大增加了空气与水的接触面积，强化了两者之间的热交换，循环水的温度被有效地降低，从而进一步提高了蒸发式冷凝器的整体性能。

1.3 板式蒸发式冷凝器

板式蒸发式冷凝器是将传统蒸发式冷凝器的换热盘管用换热板束代替。换热板束、水循环系统及风机是板式蒸发式冷凝器的3个组成部分，其结构见图3，其中换热板束板与板之间装有填料。板式蒸发式冷凝器的工作原理和传统管式蒸发式冷凝器基本一样，换热板束比换热盘管更加容易使水膜均匀的分布在表面，空气的分布和流动方式是影响板式蒸发式冷凝器性能的关键因素。

图3 板式蒸发式冷凝器结构示意图Figure 3 Structure diagram of plate evaporative condenser

2 蒸发式冷凝器传热研究方面的进展

2.1 对于盘管的改进

蒸发式冷凝器强化传热主要是通过改变换热盘管管型结构实现的。如图4、图5所示的弹性管和扭曲管是两种非常规的管型，此类盘管称为异型管。

图4 弹性管结构示意图Figure 4 Structure diagram of elastic tube

图5 扭曲管结构示意图Figure 5 Structure diagram of distorted tube

弹形管的形状类似于椭圆形，顶端曲率半径较小，更加平滑，使得水膜更容易附着，特殊的长短轴形状，使得空气导流面积增大，阻力面积减小，水膜在盘管表面蒸发后的水蒸汽可以更快的离开盘管，通过减少空气与水之间的热交换时间来强化换热。弹形管比圆管的总传热系数高9.2%～19.0%，弹形管的性能系数比圆管高11.1%～23.0%［7］。

扭曲管的形状类似螺旋状，螺旋状的表面使得水膜湍动程度增大，在换热完成后不会在管底部聚集，提升了水膜的传热性能。扭曲管的管截面形状是不断变化的，这种变化导致盘管间空气的流向不断的变化，以较小的整体流量即可保持较高的局部流速，使得换热更加充分。扭曲管比圆管的总传热系数高18.0%～33.1%，扭曲管的性能系数比圆管高16.7%～23.7%［7，8］。

此外，翅片管在目前市场中也得到很好的应用，翅片管束与光管之间存在着特定的关联式，通过最佳的布置方式，使得翅片管发挥最好的换热性能。前人［9］曾对光管和翅片套管蒸发式冷凝器的传热性能进行了试验研究，结果表明在相同的条件下，翅片套管蒸发式冷凝器比光管蒸发式冷凝器的换热性能高92%～140%。

2.2 对于整体性能、计算模型及设计程序的研究

刘焕成等［10］对氨蒸发式冷凝器系统进行测试，此蒸发式冷凝器属于逆流式结构，即水和空气在冷凝盘管表面逆向流动，下进风上排风，换热盘管为圆管。结果表明，对于一定结构尺寸的蒸发式冷凝器，影响单位面积热负荷最重要的因素是冷凝温度和空气进出口的湿球温度，其次是迎面风速，淋水量的影响最小。一种新型的套管蒸发式冷凝器，把套管式冷凝器的优点加入到蒸发式冷凝器中，更加充分地利用了换热空间，换热能力比传统蒸发式冷凝器更强［11］。

在过去，蒸发式冷凝器的热力计算采用传统的手工算法，难以获得较高的精度。随着国内外科研人员的不懈努力，通过数学模型的建立来进行蒸发式冷凝器的设计及性能优化，不仅提高了计算精度，还简化了计算过程。

很多学者对蒸发式冷凝器的计算模型及设计程序进行了研究。Hasan［9］建立了针对于光管蒸发式冷凝器和翅片套管蒸发式冷凝器热力学性能的数学模型；王铁军［12］研究建立了喷淋蒸发翅管式冷凝器的传热传质数学模型和设计计算的方法；也有学者［13］建立了翅片蒸发式冷凝器局部稳态湍流的数学模型；还有学者［9］对人工神经网络在蒸发式冷凝器控制模型中的应用进行研究，得出人工神经网络能够替代热力系统比例积分微分控制器。蒋常建等［14］用无量纲法对横流式蒸发冷却器的热力计算编制了通用的计算机程序。

3 蒸发式冷凝器水处理及除垢技术的进展

3.1 蒸发式冷凝器的水质处理

蒸发式冷凝器的水质处理方法通常有物理法、化学法以及水质稳定剂法等［15］。

物理法是目前常用的水质处理方法。物理法可以使用内磁水处理器或电子式水处理器。内磁水处理器的工作原理是水以一定的流速切割磁场，使水中结垢物质的分子和离子发生形变，导致晶体结构发生了变化，在一定程度上破坏了结垢的能力。电子式水处理器主要是利用高频电磁场或高压静电场来电离结垢的物质。

化学法的原理是用石灰或氢、钠等离子除去水中的致垢盐分，防止碳酸盐的生成。

水质稳定剂法是向蒸发式冷凝器循环冷却水系统中投加一些药剂，根据不同的水质情况，投加不同的药剂，对症下药，来克服系统中的结垢问题。

值得注意的是，当系统循环水的pH＞8时，钢结构部件应进行钝化处理；使用酸清洗水垢时，为防止设备的腐蚀，应添加缓蚀剂。

3.2 蒸发式冷凝器的除垢方法

蒸发式冷凝器在工作过程中，水中的矿物质逐渐沉积在换热盘管表面就会形成水垢。水垢的导热系数很低，仅为1.7W/m2。当结垢厚度为 0.5mm，冷凝压力会增加0.15MPa，增加耗电19%。结垢厚度为1mm，冷凝压力上升 0.22MPa，增加耗电39%。不难看出，蒸发式冷凝器的致命缺点是形成水垢后无法更好的发挥其特性，所以蒸发式冷凝器对水质的要求比较高［16］。

有学者［17，18］专门对污垢进行了试验研究，结果表明污垢可使蒸发式换热器的热效率降低55%～78%，出口冷却流体温度则升高4.7%。这充分说明了除垢的重要性。

目前常用的除垢方法是酸洗法。若换热盘管管壁较薄，管外也进行了热镀，水的pH值应保持在6.5～8.0，对于镀锌构件应使用含缓蚀剂的酸。除垢和水质处理是相辅相成的，对蒸发式冷凝器的循环水进行软水处理可减缓结垢速度［16］。

目前蒸发式冷凝器在应用中存在两大问题：腐蚀和结垢。若能很好的解决以上两个问题，蒸发式冷凝器必将有更好的发展及应用。

1 彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

2 蒋翔，朱冬生.蒸发式冷凝器传热强化研究［D］.广州：华南理工大学，2003.

3 Metin Ertunc H，Murat H.Comparative analysis of an evaporative condenser using artificial neural network and adaptive neurofuzzy inference system［J］.International Journal of Refrigeration，2008，8（31）：1 426～1 436.

4 Nasr M M，Salah Hassan M.Experimental and theoretical investigation of an innovative evaporative condenser for residential refrigerator［J］.Renewable Energy，2009，11（34）：2 447～2 454.

5 吴凯东.蒸发式冷凝器在空调系统的应用［J］.机电信息，2009（16）：49～52.

6 肖志英.提高蒸发式冷凝器效率的途径［J］.河北化工，2007，30（1）：32～33.

7 蒋翔，李元希，涂爱民，等.异形钢管蒸发式冷凝器的传热与能耗性能［J］.现代化工，2008，28（9）：66～70.

8 张景卫，蒋翔，吴治将，等.蒸发式冷凝器异型管束中流体流场数值模拟及实验研究［J］.流体机械，2008，36（8）：8～11.

9 王定标，万方方.蒸发式冷凝器的研究进展及应用［J］.中国新技术新产品，2010（2）：12～13.

10 刘焕成，蔡祖康，夏畹.氨蒸发式冷凝器热工性能实验研究［J］.制冷技术，1990（3）：4～9.

11 马瑞华，崔文智，项勇，等.新型套管蒸发式冷凝器的理论研究［J］.制冷与空调，2007，7（2）：32～35.

12 王铁军.喷淋蒸发翅管式冷凝器传热传质研究［J］.低温与超导，2006，34（4）：299～302.

13 朱宏达，王晓.翅片管式蒸发冷凝器的性能分析及CFD模拟［J］.流体机械，2008，36（10）：78～81.

14 蒋常建，徐斌，杨强生.横流式蒸发冷却器的热力分析［J］.上海交通大学学报，1997，31（7）：1～4.

15 邓建平，吕济民.蒸发式冷凝器水质管理［J］.冷藏技术，2008（4）：42～49.

16 史一忠，郭强弼.氨用蒸发式冷凝器除垢防垢的实践［J］.冷藏技术，1999（4）：16～17.

17 Qureshi B A，Zubair S M.The impact of fouling on performance evaluation of evaporative coolers and ensers［J］.International Journal of Energy Research，2005，29：1 313～1 330.

18 Qureshi B A，Zubair S M.A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers.PartI，Performance evaluation［J］.International Journal of Refrigeration，2006，29（4）：645～658.

Research progress on evaporative condenser in domestic and abroad

ZHAO Yue1ZHOU Hong－jian2XIE Jing1

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China；2.Shanghai Baofeng Machine Manutacturing Co.LTD.，Shanghai200444，China）

The working principle，classification，characteristics and research of evaporative condenser were introduced.Improvement of evaporative condenser structure including a wide range of present application packing evaporative condenser，bubbleing evaporation condenser and plate evaporative condenser，the advantages of elastic tubes and twisted tubes and some calculating models and designed programs in heat transfer research，water treatment and descaling technology progress were introduced.The future research direction was also proposed.

evaporative condenser；characteristic；structure；heat transfer；tube；model；descale

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.069

2010年度上海市政府间国际科技合作计划（编号：10390710500）；上海市教育委员会重点学科建设项目（编号：J50704）

赵越（1987－），男，上海海洋大学在读硕士研究生。E－mail：15821113434＠163.com

谢晶

2011－12－01