空冷式冷凝器和蒸发式冷凝器的节能性能对比分析

王柳

摘 要：早些年国内外研究人员已经对蒸发式冷凝器及空冷式冷凝器做了大量实验，通过实验得出了蒸发式冷凝器节水节能的显著优势。而本文通过实验发现，当冷凝温度40℃时，上述两种系统在各自允许的蒸发温度工作范围内，蒸发式冷凝系统的制冷量、冷凝器排热量、压缩机做功及压缩机轴功率等各种性能系数远远优于空冷式冷凝系统，且蒸发式冷凝器的各项性能系数仍然略高于空冷式冷凝系统。所以，由于其卓越的节水性能，考虑到我国不同地区的降水及水域分布情况，蒸发式冷凝器还有较大的应用场合。

关键词：蒸发式冷凝器;空冷式冷凝器;COP压缩机功率;节能

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0060-04

Abstract： In earlier years， researchers at home and abroad have done a lot of experiments on evaporative condenser and air-cooled condenser， and obtained the obvious advantages of water saving and energy saving. This paper found that when the condensation temperature is 40°C， the two systems were within the scope of the allowed evaporation temperature， the performance coefficient of evaporative condenser was much better than that of air-cooled condenser， and the performance coefficient of evaporative condenser was still slightly higher than that of air-cooled condenser. Therefore， due to its excellent water-saving performance， considering the precipitation and water distribution in different regions of China， evaporative condenser has a large application.

Keywords： evaporative condenser;air cooled condenser;COP compressor power;energy conservation

中国共产党第十九次全国代表大会提出了节能降耗和污染减排的目标，并作为约束性指标。因此，相关人员要充分认识节能工作的重要意义，进一步做好节能降耗工作。在该背景下，制冷行业的能耗问题也越来越受到重视，对制冷系统进行节能设计与节能改造并制定一系列能效标准，对节约能源十分重要。相对于传统的风冷式冷凝器，由于蒸发式冷凝器节能效果突出，故对于其在各种环境工况下的实验性能进行研究也显得尤为重要。

空气冷却式冷凝器简称为风冷式冷凝器，工作原理是通过空气带走制冷剂放出的熱量，制冷剂在管内冷凝。蒸发式冷凝器是以水和空气共同作为冷却介质，主要利用部分水蒸发时吸收制冷剂气体的热量实现制冷剂冷凝，工作原理是制冷系统中压缩机排出的制冷剂高压过热气体经过蒸发式冷凝器中冷凝排管，使高压高温气态的制冷剂与排管外的喷淋水和空气进行热交换。相当于把壳管式冷凝器和水冷却塔系统、水泵综合为一体，具有能耗低、安装简便、阻垢性能好的优点[1，2]。

1 国内外的研究成果

JIA S L[3]对蒸发式冷凝器和冷却塔混合系统的实验表明：蒸发式冷凝系统能有效降低冷凝温度，有效减少换热面积，节约器件成本。上海交通大学的刘洪胜等[4-6]人设计了一个10kW的蒸发冷凝式家用中央空调冷水机组，通过实验得出：蒸发式冷凝器比空冷式冷凝器节能20%以上。牛立军等[7]人通过研究发现，由于蒸发式冷凝器充分利用蒸发潜热带走热量，使冷凝温度大体上接近设计湿球温度，使压缩机功耗最小，比空冷系统节省30%，相对空冷系统风机功率减少60%～70%。宋印玺等[8]通过研究发现，将蒸发式冷凝器应用在余热发电系统中，可降低凝结水温度，从而提高热力循环效率和发电机组的整体性能。与湿冷系统相比，仅循环水泵就能节水达50%以上，节电60%以上。

2 实验系统介绍

本实验系统主要由往复式压缩机、冷凝器、热力膨胀阀等组成。图1为蒸发式冷凝系统的流程图。当系统需要在空冷式冷凝系统条件下运行，则关闭蒸发式冷凝系统循环水泵并把系统内的水排干净。设定系统运行工况：系统冷凝温度40℃。

3 实验结果分析

稳定系统冷凝温度在40℃的情况下，对于空冷式冷凝系统，当蒸发温度超过-22℃时，系统所需风量将超过风机额定容量。因此，空冷式冷凝系统的蒸发温度无法超过-22℃。

图2中上、下图显示了系统制冷量以及冷凝器排热量随蒸发温度改变而变化的趋势。从图2上图可以看出，在两个系统各自的工况允许范围内，蒸发式冷凝系统的制冷量平均远高于空冷式冷凝系统。设置蒸发温度为-24℃，对比两系统的实验数据：此时蒸发式冷凝系统（以下简称系统1）制冷量为210W，空冷式冷凝系统（以下简称系统2）制冷量为170W，系统1的制冷量比系统2制冷量高23.5%;而图2下图显示：在两系统各自工作允许的工况范围内，与空冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器的排热量均相对较高，在蒸发温度为-2℃时，蒸发式冷凝器的排热量达到910W，而空冷式冷凝器的排热量则由于系统蒸发温度的限制，仍然停留在190W，两者此时的排热量形成了较为明显的数据差值，而排热量较低的空冷式冷凝系统显然不利于提高换热效率，因而其使用性能远弱于蒸发式冷凝器系统。究其原因，系统2的冷凝器传热系数较低，导致系统不能充分与冷却介质进行热量交换，排热量最低。解决此问题的直接简单的方法是提高系统风量，但增大风机容量又会出现新的问题，其中最值得注意的是能耗增高和噪声增大问题。

功率与蒸发温度的变化关系

图3中上、中、下图分别显示了系统压缩机做功、压缩机电机的输入电功率、压缩机轴功率与蒸发温度的变化关系。从图3上图可以看出，蒸发式冷凝系统中，压缩机所做的功最多，导致制冷剂吸收的热量也最多，进一步验证图2的结果。当蒸发温度为-24℃时，与系统1相比，系统2制冷量较低，系统1中压缩机对制冷剂所做压缩功为80W，系统2中压缩机对制冷剂所做压缩功为61W，做功相比之下低了23.7%。图3图中显示：当蒸发温度为-24℃时，系统1中压缩机所需功率为375W，系统2中压缩机所需要电功率为350W，相比之下低了6.7%。图3下图表明了两系统中压缩机轴功率比较结果。当蒸发温度为-24℃时，系统1中轴功率为180W，系统2中轴功率为160W，相比之下轴功率低了11.1%。所以，从以上数据可看出，同温度工况下的蒸发式冷凝器性能均略高于空冷式冷凝器，其他工况下蒸发式冷凝器的性能优势则更是明显。

性能指数COP及冷凝器热阻系数HRF的比较结果

图4是空冷式冷凝系统及蒸发式冷凝系统基于压缩机做功的性能指数COP的对比结果及此两种冷凝系统的冷凝器热阻系数HRF（将凝器的排热量与蒸发器的制冷量的比值定义为HRF）的比较结果。从图4上图可以看出，在两系统的各运行工况下，系统1的COP均相对较高;在蒸发温度为-24℃的相同工况下，系统1的COP为2.8，系统2的COP为2.5，即此时蒸发式冷凝器的COP比空冷式冷凝器的COP高出13.6%。由于制冷量最低，因此系统2的HRF值最高。从图4下图可以看出，在各种工况下系统2的HRF值均高于系统1，而且，当蒸发温度为-24℃时的相同工况下，两系统的HRF分别是：系统2的HRF为1.39，系统1的HRF为1.35，两系统的HRF的差值高达3%。由于HRF代表的是热阻系数，故与COP等系数恰巧相反，数值越小表示系统性能越佳，越大则性能越差。故从性能系数HRF之比上也能看出蒸发式冷凝器系统的优越换热性能。

图5为此两种系统基于压缩机电机输入的电功率及压缩机轴功率性能指数COP的对比结果。由于系统2的能量利用率较高，因此其COP也较高。从图5上图可见，两系统在各种工况下，蒸发式冷凝系统的基于轴功率的COP远远高于而空冷式冷凝系统，其中，当蒸發温度为-24℃时，蒸发式冷凝系统基于轴功率的COP在1.18，空冷式冷凝系统基于轴功率的COP为0.95，系统1比系统2的基于轴功率COP高出24.2%。从图5下图中可以得出：在两个系统各自的工作范围内，蒸发式冷凝系统基于压缩与电功率的COP数值明显高于各个工况下空冷式冷凝器基于压缩机电功率的COP，在蒸发温度小范围区域相同的情况下（即Te为-24～-22℃），蒸发冷式冷凝系统的基于压缩机电功率COP仍高于空冷式冷凝系统的COP。当蒸发温度为-24℃时，系统1的COP为0.58，系统2的COP为0.45，相比之下高出28.9%。此次的对比结果再次说明了蒸发式冷凝器的优越工作性能。

4 结论

当冷凝温度40℃时，此两种系统在各自允许的蒸发温度工作范围内，蒸发式冷凝系统的制冷量、冷凝器排热量、压缩机做功及压缩机轴功率等各种性能系数远远优于空冷式冷凝系统;在蒸发温度相同的范围内，蒸发式冷凝器的各项性能系数仍然略高于空冷式冷凝系统。以上数据再次验证了蒸发式冷凝器的优越工作性能。由于空冷式冷凝器冷凝能力受限于环境干球温度，而蒸发式冷凝器受限于环境湿球温度，因此，同空冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器冷凝温度较低，而冷凝温度每升高1℃，单位制冷量的耗电量将增加3%～3.5%，所以采用蒸发式冷凝器总功耗也会显著降低，节能效果明显。

通过调查美国和加拿大62个公用冷库制冷装置可以发现，蒸发式冷凝器的应用约占81%。从20世纪80年代起，我国化工行业和食品冷库工程也开始采用蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器，20多年来的应用实践证明其有明显节能效果。由于蒸发式冷凝器卓越的节水性能，考虑到我国不同地区的降水及水域分布情况，尤其是在西部缺水地域，蒸发式冷凝器还有较多应用场合，如现在已广泛应用于中西部地区戈壁发电的锅炉降温设备等。与风冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器的安装空间可节约1/2以上，且安装工艺简单易操作，安装工期短，这在施工方面极大地减少了工程预算成本。需要注意的是，要按要求定期对蒸发式冷凝器进行维护清洗，提高设备的换热效率，延长使用寿命，更好地达到节能效果。

参考文献：

[1] Chuklin. A Generalized Method for Design of Evaporative Condensers[J].Transactiom of the Odessa Technological Institute of the Food and Refrigeration Industry，1952（5）：17-28.

[2] Parker R ， Treybal R E. The Heat，Mass Transfer Hatactefisfies of Evaporative Coolers[J]. AIChE ChemEng Prngr Symper，1961（32）：138-149.

[3] Uriyel Fisher， Wolfgang Leidenfrost， JIA S L. Hybridevaporative Condenser Cooling Tower[J].Heattransfer Engineering，1983（4）：28-41.

[4]刘洪胜，孟建军，陈江平，等.家用中央空调机组用蒸发式冷凝器的开发[J].流体机械，2002（10）：53-56.

[5] Yunho Hwang， Reinhard Radermacher， William Kopko.An Experimental Evaluation of a Residential-sizedevaporatively Cooled Condenser[J]. International Journal of Refrigeration，2001（3）：238-249.

[6]涂爱民，朱冬生，吴治，等.蒸发式冷凝器空调系统的性能及应用[J].华南理工大学学报，2007（11）：66-71.

[7]牛立军，刘建芬，张晓芳.蒸发式冷凝器的使用总结[J].聚氯乙烯，2005（7）：41-42.

[8]宋印玺，朱冬生，孙纪远，等.蒸发式冷凝器在余热发电冷却系统中的节能节水研究蒸发式冷凝器的使用总结[J].热力发电，2009（3）：14-17.