第３０卷第５期 ２０１６年ｌＯ月 制冷与空调 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ 、，０ｌ－３０ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１６．５５２～５５６ 文章编号：１６７１．６６１２（２０１６）０５．５５２．０５ 蒸发式冷凝器的优化设计 王俊西安苏晓青 ７１ ００４８） （西安工程大学【摘要】 通过对蒸发式冷凝器换热原理进行分析，将立管间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却填料和冷凝盘管 相结合，提出冷凝效率更高的复合型蒸发式冷凝器，并对其主要部件进行设计计算，得出各部分 所需换热面积，此设计计算简单实用。 【关键词】 蒸发式冷凝器；立管间接蒸发冷却器；直接蒸发冷却器；冷凝盘管；效率 中图分类号ＴＨ４８／ＴＭ９２５．１２ 文献标识码Ａ Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｗａｎｇ Ｊｕｎ ＨｕａｎｇＸｉｎｇ ＳｕＸｉａａｏｑｉｎｇ （Ｘｉ’ａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ｎ，７１００４８）ａ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｎｓｆａｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ，Ｔｈｅ ｕｎｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｕｂｅ ｙｐｅｔ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｅａｖｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｐａｃｋｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｃｏｉｌ．Ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｔｈａｔ ｉｔ’Ｓ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｍｏｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌｔｅ ｔｈａｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｅａｈｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｎｄ ａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａ１． ［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；ｖｅＲｉｃａｌ ｔｕｂｅ ｙｐｅ ｔｉｎｄｉｒｅｃｔ ｅａｖｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｐａｃｋｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｃｏｉｌ； ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ０ 引言 冷凝器是制冷系统中的重要换热设备，根据冷 却方式的不同分为空冷式、水冷式、蒸发冷式 ，２】。 我国水资源比较紧张，尤其是城市地区缺水严重 【５】，耗也小于空冷系统，并且蒸发式冷凝器结构紧凑， 占地面积小，因此在工业和民用建筑中得到了广泛 的应用。 蒸发式冷凝器相比于空冷和水冷方式，虽然具 空冷式冷凝器虽节省了水耗，但是冷凝效率受 有较大的优势，但是其冷凝效果和节能潜力还有很 大的上升空间。随着能源危机的出现，人们越来越 重视自然资源的节约利用，蒸发式冷凝器若是能进 一室外空气干球温度的影响，冷凝效率不高，尤其是 在夏季高温时段；水冷式冷凝器传热系数较高，能 保证冷凝效率，但是需要设置冷却塔，在消耗大量 水资源的同时也造成循环水泵功耗损失；蒸发式冷 凝器依靠管外水膜的蒸发进行散热，水的汽化潜热 带走热量远远大于显热换热，而蒸发式冷凝器所用 循环水量为水冷式的１０％一３０％，水泵功耗只有水 冷系统的１／８－１／４【２Ｊ，在保证冷凝效果的前提下减少 步提高冷凝效率，充分发挥其节水节能的优势， 必定会得到更广泛的应用，为国家的可持续发展战 略做出重大贡献，因此对蒸发式冷凝器的优化更显 得重要。蒸发式冷凝器的冷凝过程比较复杂，影响 其冷凝效率的因素有很多，包括喷淋水量、风量、 盘管布置、机组结构等，本文主要从换热原理上对 蒸发式冷凝器进行分析，由机组结构入手对其进行 了水耗，降低了水泵的电耗，其压缩机、风机等功 基金项目：陕西省统筹创新工程计划项目（编号：２０１１ＫＴＣＱ０１—１０） 作者简介：王俊（１９８８．１０一），男，在读研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：５５３８８２４６１＠ｑｑ．ｔｏｍ 指导教师：（１９６２．０７一），男，教授，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｘ＠ｘｐｕ．ｅｄｕ．ｃａ 收稿日期：２０１５—０８—１０ 第３０卷第５期 王俊，等：蒸发式冷凝器的优化设计 优化，提出一种复合型蒸发式冷凝器，其冷凝效率 高于常规蒸发式冷凝器［ ，嗣。 接触降低经冷凝盘管外空气和淋水温度，从而提高 了冷凝效率 Ｊ。 由于光管形式的间接蒸发冷却器处理空气量 １ 复合型蒸发式冷凝器结构 复合型蒸发式冷凝器主要由立管间接蒸发冷 却器、直接蒸发冷却填料、闭式换热盘管、风机系 比较少，此机组立管间接蒸发冷却器采用翅片管， 在增强换热的同时增加了空气处理量，避免了机组 尺寸过大的现象；直接蒸发冷却填料分层布置在冷 统和喷淋系统五大部分组成，其结构如图１所示。 １．立管间接蒸发冷却器：２．风机；３．预冷盘管； ４．直接蒸发冷却填料；６．冷凝盘管；７．喷淋架 图１ 复合型蒸发式冷凝器结构图 Ｆｉｇ・１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ 复合型蒸发式冷凝器运行过程：室外空气在风 机作用下进入立管间接蒸发冷却器，立管间接蒸发 冷却器中一部分室外空气走管内（即一次空气）， 一部分室外空气走管外（即二次空气），水泵将水 箱中的循环水送到立管间接蒸发冷却器上部，由布 水器对立管管内进行布水，管内空气与淋水逆流换 热，水温降低，通过管壁与管外一次空气进行显热 换热，实现一次空气的预冷过程，二次空气在风机 作用下经收水器后排出机组；预冷一次空气与冷凝 盘管部分的淋水在直接蒸发冷却填料上发生热湿 交换，空气和淋水温发生等焓降温过程，空气和淋 水温度降低，冷凝盘管内热量依靠水分蒸发、降温 空气和淋水带走，实现冷凝过程，一次空气经预冷 盘管和收水器后由风机排出。 常规蒸发式冷凝器的重要部件为冷凝盘管，主 要依靠管外淋水的蒸发带走管内热量，同时管外空 气和淋水也会带走部分热量，因此室外空气湿球温 度越低，冷凝效果越好，而复合型蒸发式冷凝器在 结构上采用立管间接蒸发冷却器对室外空气进行 预冷，相当于降低了室外空气湿球温度，采用直接 蒸发冷却填料分层布置在冷凝盘管之间增加空气 与淋水的热交换面积和接触时间，经过两者的充分 凝盘管中间可使空气和淋水的热湿交换更加充分， 从而空气和淋水温降更低，增强冷凝效果；预冷盘 管的设置可以避免因气态介质温度太高，在盘管上 直接淋水而产生结垢的现象，同时起到一定收水作 用，避免漂水损失。 ２设计计算 ２．１设计参数的确定Ｌ１ Ｊ 我国西北地区水资源匮乏，蒸发式冷凝器由于 其高效节水的特点在该地区得到广泛应用，而西北 地区气候干燥，干空气能丰富，非常适合间接蒸发 冷却器和直接蒸发冷却器的应用，因此选取乌 鲁木齐地区作为设计地区。根据中国建筑热环境分 析专用气象数据集，该地区夏季空气调节室外计算 干球温度为３３．５℃，湿球温度为ｌ８．２℃；该机组对 蒸汽进行冷凝，蒸汽温度为６５℃，冷凝温度为 ４０℃，冷凝蒸汽量为ｌｔ／ｈ，则机组冷凝负荷为 ６７０ｋＷ。 配风量是指该机组通过冷凝盘管的总风量，即 一次风量。中国机械行业标准规定单位换热量所需 风量为２２０ｍＶ（ｈ・ｋｗ），美国标准为０．０３ｍ３／（ｓ・ｋｗ）。 风量增大，则带走热量增加，换热效果增强，但是 风量增加的同时风机功耗大，造成电耗的增加和噪 音的污染，因此应合理选择配风量。本设计选取美 国标准ｅ＝Ｏ．０３ｍＶ（ｓ．ｋＷ），根据计算公式Ｌ１＝Ｑｘｅ 计算得一次风量为７２０００ｍ３／ｈ。 淋水量是指冷凝盘管部分的总淋水量。淋水量 以能否保证全部润湿盘管、形成连续水膜为标准。 淋水量过小，水膜对盘管的包覆不充分，不能满足 冷凝要求；淋水量过大，则水膜变厚，不利于换热， 并且水泵的功率增大，电耗增加。中国 ＪＢ／Ｔ７６５８．５—９５标准中单位冷凝负荷淋水量为 Ｏ．０３２Ｌ／（ｓ・ｋＷ），美国工业制冷手册标准为０．Ｏ１８Ｌ／ （ｓ＇ｋＷ）。本设计选用美国工业制冷手册标准 ｒ＝Ｏ．０１８Ｌ／（ｓ．ｋＷ），由计算公式Ｇ＝Ｑ￣ｒ计算得淋水 量为４３ｔ／ｈ。 制冷与空调 ２０１６焦 ２．２立管间接蒸发冷却器设计计算［３，’， 】 立管间接蒸发冷却器主要实现空气的预冷，降 低室外空气的湿球温度。一次空气走管外，二次空 气走管内，喷淋系统对立管管内进行淋水，管内壁 形成水膜，二次空气和淋水在管内逆流换热，相当 于发生直接蒸发冷却，空气和淋水等焓降温，管内 水膜通过管壁与管外一次空气进行显热换热，实现 一次空气的预冷。 在乌鲁木齐地区直接蒸发冷却效率选取为 ８０％，间接蒸发冷却效率选取为６５％，根据直接蒸 发冷却效率公式 雎ｃ＝（ｔｇ１一ｔｇ０）／（ｔｇ１－ｔ，１）进行计 算，式中 ｌ为室外空气干球温度， １为室外空气 湿球温度， 为管内淋水温度，管内淋水温度接近 二次排风温度，经计算的管内淋水温度近似为 ２０．６＂Ｃ， 根据间接蒸发冷却效率公式 ｒｈｅｃ＝（ １一 ２）／（ｔｇ。－ｔ，１）进行计算，经立管间接蒸 发冷却器处理后一次空气温度为２３．５６￣Ｃ。根据立 管间接蒸发冷却器进风温度、出风温度和水膜温度 计算可得对数平均温差为６．８６℃，从而求得管内水 温的平均温度为２７．３６℃，据此查询干空气热物理 参数，进行计算得立管间接蒸发冷却器处理一次空 气热负荷为２３５７５６Ｗ。 查询《传热学》第五版附录１１：换热设备的ｈ 及ｋ概略值，得出加热和冷却水时换热系数取值范 围ｈ＝２００￣１２０００Ｗ／（ｍ ・Ｋ），本设计选取ｈｉ＝２２０Ｗ／ （ｍ ．Ｋ）。 国外学者Ｂｒｉｇｇｓ和Ｙｏｕｎｇ对正三角形叉排布 置的圆形翅片管束的管外空气侧换热系数进行了 研究，得出空气横掠翅片管管外换热系数实验公 式： ：ｏ．１３７８ （ ）０，７１８Ｉ（一Ｃｐ／ｚ （ 。－２９６ ‘ｄ ｒ ｋ ｜ 式中：Ｇｌ 为最窄截面空气质量流量，ｋｇ／（ｍ２・ｓ）； ，，，Ｓ为翅根直径，翅片高度，翅片净间距，ｍ； 为流体动力粘度，ｋｇ／（ｍ２・ｓ）； 为流体定压比 热容，Ｊ／（ｋｇ・℃）。 其余物性参数按气流在管束进出口平均温差 查取。 根据公式ＫＡＡｔ ＝ 可计算得到换热面积。机 组采用两侧进风，两侧的立管间接蒸发冷却器对称 设计，为了便于安装，每一侧立管间接蒸发冷却器 由三个立管模块组成，每一个模块的体积为 ６６８ｍｍｘ２８０ｍｍｘ１７００ｍｍ，立管间接蒸发冷却器管 型为圆翅片管，管材为铝管铝翅片，管长为 １７００ｍｍ，管外径为２５ｍｍ，翅片高度为１２．５ｍｍ， 翅片间距为８ｍｍ，共计需要２１０根翅片管。 ２．３冷凝盘管设计计算［８－１４］ 蒸汽接触低于饱和温度的壁面会发生凝结，蒸 汽的凝结分为珠状凝结和膜状凝结。发生珠状凝结 时凝结液不能很好的润湿壁面，聚集成一个个液 珠，相当于在液珠和裸露的壁面之间进行换热，由 于液珠的表面积要比它所占据的壁面积大，并且与 裸露壁面之间没有热阻，所以珠状凝结效果比较 好。膜状凝结指蒸汽能很好的润湿壁面，在壁面形 成一层薄膜，换热过程要经过薄膜才能到达壁面， 增加了换热热阻，凝结效果比珠状凝结要差，凝结 效果跟薄膜厚度、运动状态（层流或紊流）等因素 有关系。因此，从设计角度考虑及对蒸汽凝结效果 的影响，本设计采用膜状凝结相关公式进行设计计 算。蒸汽凝结水温度高于管外水膜温度，热量将通 过显热传热方式由凝结水经壁面传递到管外水膜 【７．９】。 水膜与空气之间的热量传递是通过显热交换 和潜热交换进行。显热交换的驱动势是温差，水膜 与空气之间通过导热、对流和辐射等方式进行热量 传递；潜热交换的驱动势是水蒸气分压力差，水膜 表面水蒸气分压力大于空气，水分子吸收水蒸气凝 结放出的热量蒸发进入空气中，带走蒸汽凝结放出 热量。水膜与空气之间总热交换的驱动势是焓差， 热交换过程与换热设备表面形式和空气流速等因 素有关 １ ｏ 因此，在本设计中忽略次要因素，蒸汽的冷凝 过程主要包括以下几个步骤： 蒸气在水平管内的凝结； 蒸汽凝结热经管壁传到管外水膜； 管外水膜经导热和对流方式将热量传给空气。 根据相关经验公式进行各换热系数的计算如 下所示。 先根据雷诺数判断水平管内蒸汽流动状态，雷 诺数公式为：Ｒｅ＝４ｈ￣ｒＲ（ｔ，一ｔｗ）／ｌ￣ｒ，按式进行计算 所得雷诺数将远小于１６００，因此判断管内蒸气流 动状态为层流，根据蒸汽凝结放热系数计算公式： ｎ２ ３ ｈ１＝０．７２９ｆ ，（ｆ 一ｔｗ） ］１／４ 第３０卷第５期 王俊，等：蒸发式冷凝器的优化设计 式中： 为蒸汽的饱和温度，℃： 为汽化潜 热，ｋＪ／ｋｇ；Ｐ为膜层平均温度下的密度，ｋｇ／ｍ ； 为膜层平均温度下的导热系数，Ｗ／ｍ℃； 为膜层 平均温度下的动力粘度，ｋｇ／ｍｓ；ｄ为管道内径，ｍ； 管壁到管外水膜传热系数的影响因素有很多， 包括淋水温度、淋水量、风速等。管壁到管外水膜 的传热系数可按下面的简化公式进行计算。 １５３［南］１／３ 式中：Ｇ为淋水量，ｋｇ／ｈ；Ｌ为最上层排管的 长度，交错排列时为最上层两层排管长度，ｍ；ｄａ 为管道外经，ｍ； 由式Ｆ＝Ｑ／ｋ（ｔ￣一ｔｗ）可计算出散热面积。冷凝 盘管分模块布置，共需要三个冷凝模块和一个预冷 模块，一个冷凝模块的尺寸为１９００ｍｍ￣１９００ｍｍ ￣２４０ｍｍ，模块之间采用管箱的形式进行连接，三 个冷凝模块之间布置两层蒸发冷却填料，换热管采 用碳钢管，管型为圆形，管外径为２５ｍｍ，共计需 要３０２根换热管。 ２．４直接蒸发冷却填料的设计计算【３’４】 直接蒸发冷却填料用于一次空气和淋水进行 接触，发生热湿交换，从而空气和淋水等焓降温。 填料表面和其结构比较复杂，空气在填料内和水膜 进行热湿交换不能被看成任何一种单纯形态的流 动，其换热过程与一次空气的质量流速、淋水质量 流量、一次空气温湿度等因素有关系。 根据热量平衡关系，在不考虑水分蒸发带走热 量的条件下由麦克尔焓差方程可以计算得出水的 总散热量：Ｃ・ｄＨ＝ｆｌｘ￣（ｈ”－－ｈ）ｄＶ，考虑水蒸发带走热 量时引入系数１／Ｋ，从而得到修正式为： ：三 ｏ Ｋ Ｊｔ２ ｈ 一ｈ 而夏季在填料上发生的传热主要是水分蒸发 带走热量 ，而依靠温差传导散热 很小，所 以ｅ＝Ｈａ／Ｈｆｌ＝Ｏ，则：Ｋ＝Ｉ—ｔ２／？，式中， 为填料换热 过程中淋水的平均汽化热值，在一般冷却条件下， ），取值在０．９～１．０之间，实际计算时采用冷却水温 ｔ２的】，值，根据上面 值的公式可以绘制出 值与 温度的相关曲线，根据曲线由ｔ２可查得 值，本 次设计选取Ｋ＝０．９７。 散质系数 受多种因素的影响，如淋水密度、 空气流量密度、进气湿球温度等，其计算公式常采 用 ＝Ａｇ￣ｑ：ｔ｛ ，本设计取为ｌ１０００。 气水比的计算公式为 ＝Ａｔ／Ｋ（ｈ ２一 ｔ），其 定义是冷却每公斤水所需要的空气量，本次设计取 值为２。 交换数采用公式Ⅳ＝去￡ 进行计算，当 计算精度要求不是很高时，可以采用简化式 Ⅳ＝ ‘ －ｆ－ ４ 一Ｉ－ ）进行计算，经 计算本次设取值为０．９。 直接蒸发冷却填料体积 与交换数关系式为 Ａｖ＝Ｑ・Ｎ／ ，经计算可得所需填料体积为３．８ｍ，， 选取塑料斜波填料，填料布置分为三个部分：下面 为Ｖ型填料，上面为两层方形填料，方形填料布 置于冷凝盘管之问。 ２．５风机水泵的选型 表１风机选型 Ｔａｂｌｅ １ Ｆａｎ ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ 立管部分水泵 ３２—１２５／０７ ６ ２台 冷凝部分水泵４０－１２５／２２ ４３ １台 ３结束语 蒸发式冷凝器具有高效、节水、节能和占地面 积小等优势，在各个行业得到了广泛的应用。本文 对常规蒸发式冷凝器换热理论进行分析，从冷凝器 的结构上对其进行优化设计，将立管间接蒸发冷却 器、直接蒸发冷却填料和冷凝盘管相结合，提出冷 凝效率更高的复合型蒸发式冷凝器，根据传热过程 对机组各部分进行了简要的设计计算和风机水泵 的选型。随着人们节能意识的提高和蒸发式冷凝器 的广泛应用，提高蒸发式冷凝器的冷凝效率，对蒸 发式冷凝器进行优化设计将逐渐受到人们的关注。 参考文献： …１ 尹凯杰，王任远，吴金星．蒸发式冷凝器新型设计计算方 法［Ｊ】．制冷与空调，２０１４，（４）：２卜２３． ・５５６・ 制冷与空调 ２０１６年 （上接第５５１页） 的初步研究【Ｊ］．暖通空调，２００４，３４（１ １）：１ １４一ｌ１７。 ［６】倪美琴．风机盘管干工况时进水温度的确定［Ｊ】．制冷与 空调，２００６，（６）：８３—８５． 参考文献： ［１】涂光备．医院建筑空调净化与设备［Ｍ】．北京：中国建筑 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