蒸发式冷凝器传热强化研究及应用现状分析

李若兰，彭　鹏

（1.浙江万享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海万享成套制冷设备有限公司，上海200070）

蒸发式冷凝器传热强化研究及应用现状分析

李若兰1，彭鹏2

（1.浙江万享科技股份有限公司，浙江湖州313100；2.上海万享成套制冷设备有限公司，上海200070）

介绍蒸发式冷凝器工程信息：结构形式，强化传热技术，强化传热效率；应用现状；运行面临的问题及应对方法；简述蒸发式冷凝器的工作原理，分析强化传热机理。

蒸发式冷凝器；强化传热；管式；板式

0　引言

蒸汽压缩式制冷循环冷凝过程所用的热交换设备通称冷凝器，类型：水冷式、风冷式、蒸发式。根据《2012年蒸发器、冷凝器行业调查报告》统计［1］，蒸发式冷凝器（以下简称蒸发冷）产品市场应用分布仅仅占4%，分布情况如图1所示。目前国内采用率十分低下，但在北美应用普遍，据报道，张建一对北美62家冷库制冷设备应用统计显示，蒸发冷用量占81%，远高于国内，具体分布如图2所示［2］。

蒸发冷的优势：首先用于带走制冷剂冷凝热的冷却水量远小于水冷式冷凝器，水冷式冷凝器中，冷却水以自身温度提高带走的冷凝热，冷却水温升范围一般为2～6℃，则每公斤冷却水可以带走的冷凝热量为8.4～25.2kJ；蒸发冷中冷却水汽化蒸发带走冷凝热，大气压下水在35℃时汽化潜热为2423kJ/kg，显然后者冷却水用量仅为前者的1%，实际过程考虑换热过程对环境的漂水以及换热器表面需要形成水膜等因素，后者冷却水循环用量为前者的5%～10%，循环水量减少，系统运行水泵需求功率显著下降，后者约为前者的25%［3］。其二，由于蒸发冷中冷却水交换的显热很少，所以冷凝器的冷凝温度趋近空气的湿球温度，实际运行检测证明，比冷却塔水冷式冷凝器系统低约3℃，冷凝温度降低，意味着制冷系统的制冷量增加的同时减小压缩机的功率消耗，制冷系统的经济性得到提高。其三，传热效率提高，减少换热器的面积，使得蒸发冷外形尺寸较小、方便运输、安装，占地减少，投资少。蒸发冷确是节能降耗的优良换热设备。

图1　2012年蒸发器、冷凝器运用分布

图2　北美62家冷库各类冷凝器使用分布

1　蒸发冷的工作过程与分类

1.1蒸发冷的组成

主要部分：换热器、循环水系统、空气流动强迫系统，辅助元器件为：除水器、电子水除垢仪、填料热交换层外壳等。

1.2蒸发冷的工作过程

蒸发冷利用自然条件下空气干湿球温差使换热器外部冷却水汽化蒸发，质量传递的同时产生热量传递：冷却水膜通过管壁吸收制冷剂的冷凝热，使之凝结成液态。

实质上，蒸发冷集合了水冷式冷凝器的冷凝过程和冷却塔的水冷却过程。各部分协同完成热交换，工作过程：

换热器：外部液膜通过换热管壁吸收来自换热器内部制冷剂蒸汽的凝结热；

水循环系统：水泵将集水盘内冷却水送到喷淋装置，喷淋装置将冷却水喷洒在换热器表面形成水膜，水膜蒸发带走换热器内部制冷剂传出的热量，未被蒸发的冷却水落到下部集水盘内，完成冷却水循环；

鼓风系统：风机强迫空气经过入风口通过换热器，促进水膜蒸发，并且冷却未被蒸发的下落的冷却水。见图3所示。

图3　蒸发冷的组成

1.3蒸发冷分类

按照换热器机械结构分为管式和板片式。按照空气被强迫流动的形态分成鼓风式和吸风式。按照换热流体流动方式分成顺流、逆流和混流。

2　蒸发冷结构型式

2.1管式蒸发冷

管式蒸发冷按照换热管的装配后的空间位置分类为：立管式和水平管式。

立管式蒸发冷的构造如图4所示。换热器由立式管束构成，管内热蒸汽冷凝放热成液体，管外为冷却水膜和受迫流动的空气进行传热传质蒸发带走冷凝热。

水平管式蒸发式冷凝器内的换热器的换热管束呈水平状态结构如图3所示，管内热蒸汽放热冷凝成液体，管外水膜和受迫流动的气流进行传热传质蒸发带走冷凝热。

2.2板片式蒸发冷

板片式蒸发冷的换热器由金属板片制成的换热单元构成。如图5所示，两片金属板片组成经过焊接、塑性成型制成换热单元，蒸汽在换热单元流道内凝结放出冷凝热，循环冷却水吸收冷凝热和受迫流动的空气在换热单元外部进行传热传质带走冷凝热。金属板片换热单元形状如图6所示。金属板片换热单元构成的换热器换热效果优良，产品的热流密度可达20kW/m2。

图4　立管式蒸发冷示意

图5　板片式蒸发冷示意

图6　板片换热单元结构

2.3吸风式蒸发冷

吸风式蒸发冷，风机运转造成负压吸入空气，吸入空气经过换热器，与换热器表面水膜进行热质交换，带走冷凝热。负压能够促进冷却水汽化蒸发，增强换热，但是热湿空气经过风机产生腐蚀。如图7所示。

2.4鼓风式蒸发冷

鼓风式蒸发冷，风机运转时强迫空气流动经过换热器，与换热器表面的水膜产生热值交换，带走冷凝热。换热效果不如吸风式，但是不存在湿空气腐蚀风机问题，如图8所示。

图7　吸风式示意图

图8　鼓风式示意图

3　蒸发冷的传热强化方法

蒸发冷传热强化方法，和其它换热器一样根据Q=KAΔt，提高传热效率—改变换热器壁上液膜的流动状态，促进液膜和空气的传热传质，管式蒸发冷行之有效的方法是采用强化换热管；增大换热面积—强化换热管即增加热阻大一侧的表面积；通过降低冷却介质温度来增大传热温差。

3.1强化换热管传热

蒸发冷中占比大的热阻在于管外水膜与空气界面的传热传质。［4］同时，初始管式蒸发冷换热器设计采用圆管。因此，改变换热管型是行之有效的方法，换热管形变化为换热管几何外形的变化，几何外形变换带来液膜覆盖状态、液体流动状态有益变化，几何外形变化一般伴随增加液膜覆盖率、减薄液膜厚度、增加流体的湍流度等效应，改善管外传热效果。

3.1.1弹形管

弹形管上部平坦，曲率半径小易于水膜付着，如图9所示。类似椭圆状换热管长轴沿着气流方向，使得空气流程延长，接触面积增加，阻力减小。水膜在换热管表面蒸发后能快速离开，空气与冷却水的热传递的时间缩短，从而提高热传递能力。弹形管的传热系数比等当量尺寸的圆管高9.2%～19.0%。［5］

图9　弹形管

图10　沟槽管

3.1.2扭曲管

扭曲管实际上是椭圆管或压扁的圆管扭成螺旋状。螺旋形成的空间扭曲表面的扭曲使的水膜湍动增大，提高水膜的换热效率，同时扭曲管截面变化使得空气的沿扭曲管表面运动，方向不断发生变化，局部流动加快，促进空气充分换热，换热效果得到提高。同样传热工况下，圆管扭曲管的传热系数比同几何尺寸基管高18.0%～33.0%。［5］

3.1.3椭圆管

椭圆管管型是换热管截面为一椭圆，传热面积比圆管增加，水膜覆盖面积大于圆管，加强了空气与液膜的交互作用，同时促进液膜流动的推力增加，液膜流动的速度增加，液膜减薄，液膜的传热效率提高。研究显示，当椭圆管长轴与短轴之比为4，且长轴垂直放置，总传热系数比当量等直径圆管提高20%。［6］

3.1.4沟槽管

沟槽管的横截面形状如图10所示。对内径为21mm，管长为1m竖直布置的沟槽管，理论计算结果表明沟槽竖管管内冷凝传热能力是光管的3倍［7］。数值模拟显示表明，竖直沟槽管管外水膜分布均匀且薄，管形相同时，竖管的冷凝换热系数高于水平管。

3.2提高传热温差

在蒸发冷内增加换热单元，如增加填料、鼓泡装置降低冷却水温度，提高传热温差，进而提高传热效率。

3.2.1填料蒸发冷

在换热器上部或下部加上填料层，如图11、图12所示。冷却水循环流经填料层时，与空气发生传热传质，使得本身温度降低，促使换热器内的冷凝温度降低，蒸发冷的热交换效果得到提高。实验表明，水平光管式蒸发冷，在换热器下部安装填料层后，循环冷却水温度下降，传热系数可提高7.2%～16.9%［8］。水平管式蒸发冷下部加填料强化传热，考虑运行过程减少水飘逸、产品维护需求后实际结构如图13所示。［9］

3.2.2鼓泡式蒸发冷

在换热器底部设置浅水鼓泡设施，风机强迫空气鼓动浅水层，产生大量汽泡，加大水和空气的热交换面，空气和水之间的热质交换加强，有效降低喷淋水的温度，促进冷凝温度降低，传热得到强化，如图14所示。

3.3其它技术

在冷却水侧应用亲水涂层，降低表面张力，促进水膜均匀；在换热板片之间增加填料，填料促进板片表面水膜连续分布，增加冷却水与空气接触面，提高水与空气的热交换强度，同样工况下，降低循环冷却水的温度。

图11　填料在盘管上部结构

图12　填料在盘管下方结构

4　蒸发冷应用现状

图13　水平管蒸发冷产品结构

国外发达国家普遍采用蒸发式冷凝器。虽然早在上世纪八十年代已经引入国内，但是蒸发冷首先在水资源缺乏的西北地区推广使用，形成这种局面的主要因素，首先制冷大规模应用在冷却水充沛的沿海地区，其次当初制冷系统运行维护管理水平普遍较低，再则发展初期尚不具备节能意识，然后，蒸发冷的性能和湿球温度密切相关，沿海梅雨季节干湿度温差小，蒸发冷优势不能充分发挥，因此，初期制冷系统普遍配用立式冷凝器或管壳式冷凝器。西北发展恰逢节能降耗，加上水资源缺乏，气候干燥，蒸发冷简直是为其量身打造，因而得到推广。

图14　鼓泡式蒸发冷示意

5　蒸发冷运行存在问题及应对

蒸发冷运行过程的结垢、腐蚀是工业冷却水共同面临的两大问题。结垢影响传热效率，蒸发冷换热盘管上CaCO3的垢层厚度为2.4mm时，蒸发冷的排热量降低约55%，随着垢层厚度增加，排热量会继续下降［10］。

结垢不可避免，只能采取措施阻垢，结垢由冷却水运行产生，因此，首要是冷却水管理，当前循环冷却水的控制指标是浓缩倍数，其定义为N=Qm/（Qb+Qw）（循环冷却水浓缩倍数=补充水量/（排污水量+风吹损失量），工业循环冷却水设计规范指定：设计浓缩倍数，间接冷却开式系统不宜小于5.0，不应小于3.0［11］。实际运行按照设计要求，对冷却水运行进行有效监察，及时分析，采取措施，可以有效阻垢。另外，追踪发展，采用新技术，目前，冷却水阻垢新思路：软化冷水，即除去冷却水、补充水中的钙、镁离子，另冷却水在超高浓缩倍数（20～600倍）下循环，不会结垢影响传热［12］。

如果结垢形成，除垢的补救方法，立式冷凝器、管壳式冷凝器的冷却水在换热管内流动，形成的结垢可以用机械的方式清理，水平管式蒸发冷由于结构原因，不能机械清洗，酸洗是可取的方法，清洗过程应考虑不可破坏防腐蚀涂层。改进蒸发冷中换热器的结构，目前，板式蒸发冷用板片换热器替代冷凝盘管，板片外部如果结构，可以进行机械清洗［9］。但是板片式换热器的设计工作压力目前仅为2.0MPa。适用压力范围受限制。

蒸发冷露天安装，循环水蒸发发散至大气，蒸发冷整体处于潮湿环境中，腐蚀不可避免存在，箱体采用镀锌钢板，运行实际结果证实可行。腐蚀产生不良后果，影响设备使用，依然存在与循环冷却水接触的换热器部分，腐蚀造成换热器泄漏，降低设备使用寿命。换热器的腐蚀主要是电化学腐蚀：冷却水循环中和空气接触，水中的溶解氧充裕，蒸发浓缩使得水中的各种离子含量增加，电导率增加，导致换热器产生电化学腐蚀。工业实用的缓蚀途径：一是在换热管接触水的表面采用热浸锌处理，二冷却水处理，将阻垢和缓蚀这一矛盾的两个方面作为系统管理、处理。有实际证实经过后软化冷却水在超高浓缩倍数下循环，设备得的缓蚀，阻垢效果良好［12］。

6　结语

随着能源的日益紧缺，节能、经济、降耗的显著优点将推动蒸发冷得到空前的发展。理论研究方面，建模计算、设计程序方法被众多学者用于蒸发冷的整体性能研究：热质传递的数学建模和设计计算准则；计算模型及计算程序；热力学性能的数学模型；强化传热实验研究；理论研究在实际应用上仍然存在局限性。蒸发冷对气候条件的适宜区域、实际运行采用阻垢、缓蚀的方法、方式的合理性、先进性等，无论是理论研究还是应用探讨仍然有发展前景。同时上游新技术的蓬勃进步，下游新技术的持续发展，将会不停推动研究向前发展。

［1］罗明.2012年蒸发器、冷凝器行业调查报告［EB/0L］.http：//bao.hvacr. cn/201210_2029778.html 2012-10-31.

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Evaporative Condenser and Heat Transfer Enhancement

LI Ruo-lan1，PENG Peng2
（1.Zhejiang Wanxiang Science and Technology Co.，Ltd.，Huzhou 313100，China；2.Shanghai Wanxiang Refrigeration Equipment Co.，Ltd，Shanghai 200070，China）

This article introduces the engineering information of the evaporative condenser：the structural form，the enhanced heat transfer technology，the enhanced heat transfer efficiency，the application status，the operation problems and response measures.Briefly describe the working principle of the evaporative condenser，and analyzes its enhanced heat transfer mechanism.

evaporative condenser；heat transfer enhancement；tube；plate

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.017

TB611

B

2095-3429（2015）04-0061-05

2015-06-15

修回日期：2015-08-06

李若兰（1957-），女，福建莆田人，高级工程师，主要研究方向：制冷设备、制冷压力容器；

彭鹏（1981-），男，浙江温岭人，研究生，董事长。