蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況(圖)

????李鵬飛1,王志遠1,薛玉卿1,原如冰2

????(1?河南科技大學車輛與動力工程學院,河南洛陽471003;2?重慶大學動力工程學院,重慶400450)

????【中國制冷網】[摘要]著重比較了不同型式冷凝器的相關應用參數;對蒸發式換熱器國內外研究進展和國內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,并針對相關問題提出了相應對策;z*后,指明了蒸發式冷凝器的應用前景和發展方向,并通過實踐證明了節能型的產品在國內外具有良好的市場。

????[關鍵詞]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

????由于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用水重復利用技術,提高水的重復利用率是工業節水的s*要途徑,發展高效冷卻節水技術是工業節約用水的重點。”冷凝冷卻設備是工業耗能耗水大戶,制冷冷卻耗能量占工業用能的13%~15%,耗水占工業用水的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,成為水循環重復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復利用的關鍵設備,蒸發式冷凝器的節能、節水效果不僅在理論上是明顯的,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。

????2蒸發式冷凝器

????根據蒸發式冷凝器的工作原理可知,由于蒸發式冷凝器主要利用水的汽化潛熱帶走制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。實際補充水量為水冷式的1/25-1/50,其特別適用于缺水地區。

????文獻[3]和文獻[4]對各種冷凝器的性能與耗水情況分別進行了比較。據計算,以氨為制冷劑,產冷量在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

????國外的蒸發冷凝技術發展比較早,所取得的理論和研究成果也比較高。蒸發式冷凝設備基本傳熱傳質理論是在1925年由merkel所提出并發展起來的,為以后的理論研究奠定了基礎。之后在二十世紀中期,S?G?Chuklin、尾花英郎等提出了關于蒸發式冷凝器設計的普遍化方法。Parker和Treyball研究了蒸發式冷卻器的傳熱、傳質性能,闡明了蒸發式冷卻器的傳熱、傳質機理。文獻[6]對蒸發式冷凝器與涼水塔混合系統的實驗表明此系統能顯著降低冷凝溫度,并節約換熱面積。開發了一套用于設計水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發式冷凝器與涼水塔混合系統的計算機程序。文獻[7]對豎直管蒸發式冷卻器做了傳熱傳質試驗研究,結果表明控制熱阻發生在空氣與水的交界面,并建立了適用于光滑豎直管蒸發式冷凝器性能計算的經驗關聯式。文獻[8]對蒸發式換熱器(涼水塔、流體冷卻器、冷凝器)做了性能模擬,其模擬算法與制造廠家(美國巴爾的摩)提供的數據差別在±3%以內。文獻[9]對幾種蒸發式冷卻器芯體的設計方案做了模擬計算探討,發現添加的塑料材料(Munter)可以顯著地增強光滑管冷卻器的傳熱性能,而不需要使用成本很高的翅片管以增加傳熱面積。文獻[10]給出了蒸發式冷凝器一種新傳熱傳質數學模型,該模型準確的描述了傳熱傳質過程;編制了適用于光管蒸發式冷凝器的計算機仿真模擬程序,通過試驗驗證,其計算結果同試驗結果相比較平均誤差為3%,其中z*大誤差也不超過20%;并且計算結果具有很高的精度,驗證了計算機程序的合理性。文獻[11]研究了在負的大氣壓下蒸汽混合物對DCXs型換熱器的性能影響,通過試驗測試研究了DCXs型換熱器中入口處不凝性氣體的影響,給出了數學計算模型,并指出該模型可為冷凝器設計提供依據。文獻[12]和[13]對兩步式蒸發冷卻器的性能做了實驗研究,分析比對了直接蒸發式冷卻器和間接蒸發式冷卻器的性能,結果表明帶有涼水塔的兩步式蒸發冷卻器比沒有涼水塔的系統具有更高的換熱效率,也優于一步式、直接接觸式蒸發冷卻器。文獻[14]討論了蒸發式流體冷卻器的傳熱傳質過程,建立了逆流蒸發式流體冷卻器的數學模型。研究了管束的分列排布對光管式流體冷卻器的熱性能影響。結果表明,對于蒸發式水冷卻器,模擬計算值和試驗值具有很好的吻合性,相對誤差不超過6%,通過試驗數據回歸,總結出傳質效率的關聯式。文獻[15]介紹了一種描述蒸發式冷凝冷卻設備通用的無量綱數學模型,該數學模型給出了水、空氣和被冷卻流體在系統中非絕熱蒸發的換熱過程。

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冷水機組運行時的誤操作及節能管理分析
《制冷學報》2009年第一期摘要[雙月刊]

????應用無量綱微分方程建立的數學模型極大的降低了計算的參數量并且簡化了計算。分析表明,該無量綱因次的數學模型具有廣泛的應用性。文獻[16]對蒸發式冷凝器(采用兩組翅片管+填料的結構型式)的性能進行實驗研究,同時和風冷式冷凝器進行比較,結果表明蒸發式冷凝器的系統效率介于97%~99%之間,而風冷式冷凝器系統效率介于88%~92%之間。文獻[17]在相同的實驗條件下,對光管和翅片套管蒸發式冷卻器的傳熱性能進行分析研究。通過試驗證明,當空氣的迎面風速從1?66~3?57m/s變化時,翅片套管蒸發式冷卻器比光管蒸發式冷卻器的換熱性能提高了92%~140%,在假定換熱器噴淋水溫度不變的前提下,建立了光管和翅片套管蒸發式冷卻器的熱力學性能數學模型。文獻[18]在同樣實驗條件下,對橢圓光管和圓管蒸發式冷卻器進行了性能比較試驗研究。研究結果表明,橢圓管的平均傳質Colburn因子Jm是圓管的89%,橢圓管的平均摩擦因子(f)是圓管的46%,而橢圓管的Jm/f是圓管的1?93~1?96倍。實驗證明,橢圓管的綜合性能優于圓管,具有很好的換熱和傳質特性。文獻[19]對直接式和間接式冷卻塔和冷凝器的性能進行了分析。基本原理依據merkel′s理論,針對常用的三種換熱器應用統一理論和相同的操作方法進行分析,總結出了換熱效率和熱阻的計算關聯式。文獻[20]建立了關于閉式冷卻塔的基于熱質傳遞守恒的簡化效率模型,在假定盤管間冷卻水膜溫度為常數的條件下,研究了冷卻塔在風量變化時性能的變化,并計算了耗水量。模擬計算的結果和已有的數據相吻合,其誤差控制在10%以內。文獻[21]主要對比了制冷系統現在使用的三種冷凝器特性,即空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器和蒸發式冷凝器在相同的試驗條件下分別進行試驗研究,結果表明,在蒸發溫度為-24~-4℃時,水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器相比,制冷量和能效比分別提高了2?9%~14?4%和1?5%~10?2%,但耗電量增加了2?3%~4?2%。在蒸發溫度為-24℃時,蒸發式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器相比,制冷量和能效比分別提高了31?0%和14?3%,耗電量增加了10?1%。文獻[22]介紹了一種基于計算流體力學的關于濕空氣和水的兩相流動的新型冷卻塔的數學模型。在氣體流動段采用歐拉方法分析,在水滴下落階段應用拉格朗日方法分析研究。試驗研究表明,液滴尺寸的影響是z*主要的因素,當噴淋水量一定時,液滴尺寸越小,換熱效率越高,冷卻水入口溫度和空氣濕球溫度相差越大換熱效率越高。文獻[23]應用ANNs(人工智能網絡)技術對蒸發式冷凝器的冷凝負荷進行了模擬和控制研究。研究結果表明,在熱力學系統中,ANNs控制器適合取代PID控制器。文獻[24]應用ANNs對帶有蒸發式冷凝器的系統性能進行預測。通過改變蒸發器的負荷、空氣和水流過蒸發冷盤管的速度和冷凝器入口處空氣的干濕球溫度對系統進行穩態測試。其預測值和試驗值以及關聯式計算的相對誤差在1?90%~4?18%內,結果表明ANNs在逆流蒸發式冷凝器的復雜系統中應用時具有很高的精度。文獻[25]對蒸發式流體冷卻器和蒸發式冷凝器的數學模型進行了細致研究。通過和前人研究結果相比較,驗證該模型的合理性。該模型考慮了污垢對換熱性能的影響,建立了計算污垢熱阻的相關方程,并利用此方法對換熱器性能進行研究,為蒸發式換熱器設計計算提供試驗依據。文獻[26]對蒸發式換熱器進行敏感性分析,所謂敏感性分析就是對影響換熱器性能的模型參數逐一進行分析。分析結果表明,對蒸發式冷卻器,影響其換熱效率的主要因素是流體流動速率;而對蒸發式冷凝器,影響其換熱效率的主要因素是空氣入口處的濕球溫度和冷凝溫度。文獻[27]依據熱力學第一、二定律對逆流式冷卻塔和蒸發式換熱器進行了熱力學性能分析,利用熱力學火用平衡分析影響系統不可逆損失的因素。研究表明,換熱器的入口濕球溫度的增加總會提高熱力學第二定律的效率。應用熱力學方法豐富蒸發冷凝冷卻技術的研究手段,但是仍難以準確的表達傳熱傳質的過程。

????蒸發式冷凝冷卻技術在國外的研究從上個世紀至今從未間斷過,并且在理論研究方面也取得了較大的成果,但大多局限于管內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,蒸發式換熱器在系統中應用的深入研究將成為勢在必行的重要研究課題。

????3?2國內理論研究進展

????20世紀80年代,同濟大學陳沛霖教授在美國加州勞倫斯伯克利研究所從事蒸發冷卻技術的國際合作研究,并將這一技術引入我國。近年來,一些企業和科研單位對蒸發冷凝冷卻技術進行了理論和試驗研究,并取得了一定的成果。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面積熱負荷的影響,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水膜平均溫度之差轉換為焓差,并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面積熱負荷的簡化計算公式,與常用的比較繁瑣的試湊法或圖解法相比,這種方法對于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,此法可用于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z*為經濟。

????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,并對其中兩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于工程實踐。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,并根據傳熱學理論得到了模型的解析解,為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熱過程,建立其傳熱傳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于氨制冷系統的有利作用,同時結合工程實例對蒸發式冷凝器的管路進行了設計,并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臺,測試了不同噴淋密度及迎面風速對管外水膜與空氣傳熱與阻力性能的影響,得到了管外水膜與空氣傳熱系數計算式。

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技術：壓縮機常見故障分析(1) 電機燒毀
冷水機組運行時的誤操作及節能管理分析
《制冷學報》2009年第一期摘要[雙月刊]