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蒸發式換熱器的研究進展和應用狀況
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)
[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;最后,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?！吨袊澦?nbsp;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 首要途徑,發展高效冷卻節水技術是工業節約用水 的重點?！崩淠鋮s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%,其中最大誤差也不超過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。
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?；驹硪罁?nbsp;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,液滴尺寸的影響是最主要 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最為 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。
用FLUENT軟件對圓管、扭曲管和交變曲面波 紋管3種管束中空氣的速度場、壓力場及溫度場進 行了模擬,在適當簡化模型的基礎上,采用可實現 k-E模型,強化壁面處理方法和速度-壓力耦合 的SIMPLE算法,獲得了有代表性的來流流場及其 對傳熱與流阻性能的影響量。研究表明扭曲管和管 外親水處理都能獲得較好的水膜分布,而且還可以 達到減小水膜熱阻和提高蒸發式冷凝器傳熱性能的 目的。研究結果對蒸發式冷凝器的設計和實際應用 具有一定的指導意義。
可見,蒸發式冷凝技術在國內的研究開始得較 晚,理論研究主要體現在實驗分析方面,通過實驗 得出的關聯式和國外的相比也不盡相同。而模擬計 算所采用的數學模型主要以國外的理論為依據,通 過實驗和模擬計算的結果比對,其相對誤差較大。 由于蒸發式換熱器內部的傳熱傳質機理非常復雜, 通過國內外的理論研究表明,要精確的描述蒸發式 換熱器的傳熱傳質過程,仍有很長的路要走。
4 蒸發式冷凝器應用狀況和存在問題
4·1 蒸發式換熱器應用研究
蒸發冷凝技術的應用帶來了巨大的經濟效益和 社會效益,其廣泛用于航空發動機、燃氣渦輪機、 空氣壓縮機等機械裝置中。目前,由于工業生產及 人們生活的需要,該技術越來越受到人們的關注與重視。而市場經濟的發展,為蒸發式冷凝器的應用 提供了有利條件。由于蒸發式冷凝器是蒸發式換熱 器中的主要換熱設備種類,所以本文著重介紹蒸發 式冷凝器在國內的應用狀況。
目前,國內蒸發式冷凝器的生產,除了上海、 大連兩大合資企業外,還出現了一批中小生產企 業。2001年,Yunho·hwang等人依據ASHRAE第 116號標準,對蒸發式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器 在常見小型系統中的應用進行性能評估。結果表 明,蒸發式冷凝器比空冷式冷凝器制冷量高出 1·8%~8·1%,COP的值高出11·1%~21·6%, SEER的值高出14·5%,壓縮機的能耗降低了 11·4%[47]。K·AManske等人對蒸發式冷凝器在工 業制冷系統中的應用進行了模擬和試驗研究,對冷 凝器的選型和壓力控制進行了優化,文獻提出的優 化控制方法可以使系統的年運行能耗減少11%[48]。 由于蒸發式冷凝器具有良好的節水、節能特性,所 以蒸發式冷凝器市場的競爭十分激烈,在降低成本 的同時提高蒸發式冷凝器的性能成為企業當前迫切 需要解決的問題。
邱嘉昌等通過對美國58家和加拿大4家冷庫 使用的冷凝器進行調查表明,蒸發冷凝器已經在國 外廣泛應用[49]。調查結果如表1所示:
水資源緊缺、能源危機和節水環保等因素促進 了有關蒸發式冷凝器的應用研究。西北工業大學周 景鋒等人研究了蒸發冷凝技術在液體除濕和海水淡 化技術中的應用以及蒸發式冷凝器在海水淡化裝置 中的應用[50]-[51],研究結果表明,蒸發式冷凝器 在海水淡化裝置中具有良好的使用性能。包衛分析 了蒸發式冷凝器用在火電廠冷卻系統中所具有的優 點,論證了把蒸發冷運用在火電廠中是可行的[52]。 李志清等人研究了蒸發式冷凝器在礦井凍結工程中 的應用,實踐證明ZL型蒸發式冷凝器與立式冷凝器相比,可節水約97·7%,取得了很好的節水效 果[53]。李志明等對蒸發式冷凝器在工程實際中的 應用進行了總結,對三種冷凝方式進行了系統能效 比較,其比較結果表明,蒸發式冷凝器具有明顯的 節水、節能作用[54]。
王會串概述了蒸發冷在合成氨,尿素生產中的 應用,指出蒸發冷具有比普通水冷凝器投資少、能 耗低、安裝簡單、占地少、操作方便等諸多優 點[55]。王少為等人介紹了應用于家用中央空調機 組的小型氟里昂蒸發冷的設計方法、設計參數的選 取以及設計時應注意的問題和為了控制結垢需要注 意的一些關鍵因素。實踐證明,在相對干燥的地區 使用蒸發式冷凝器,系統的能耗相對節省了16%, 制冷性能相對提高了55%。通過試驗研究了對蒸發 式換熱器熱質交換的各種影響因素,確定了蒸發式 換熱器的最佳范圍,供工程設計、選型和生產參 考。試驗研究表明,采用蒸發式冷凝器可使房間空 調器的能效比(EER)提高50%~70%,并指出蒸 發冷凝式空調在空調市場具有很好的發展前 景[56]-[58]。王鐵軍等分析了蒸發式冷凝器的傳熱 機理、結構和技術特點,基于投資經濟學理論及其 分析方法建立了經濟技術分析模型,應用該模型對 制冷裝置的冷凝器選型做了運行期經濟效益分析計 算[59]。李丹沖從蒸發冷的選配程序、水垢控制技 術、運行管理以及在大型系統中的安裝四個方面研 究了蒸發冷在大型工業系統中的應用[60]。 以上文獻是國內學者對蒸發式冷凝器在一部分 領域的應用研究。在蒸發式冷凝器的應用領域方 面,啤酒、食品、飲料、制藥、石油化工等行業也 越來越多的采用蒸發式冷凝器。實踐應用表明蒸發 式冷凝器相對于其它形式冷凝器具有明顯優勢,在 內陸地區應優先選用節水、節電尤為顯著的蒸發式 冷凝器。另外,實踐應用證明,在選用蒸發式冷凝 器時,除了要重視其結構型式、應用特點外,還應 對選型計算、管路系統設計和循環水的水質處理等 進行認真研究。
4·2 蒸發式冷凝器存在的問題及對策
4·2·1 蒸發式冷凝器在理論研究方面存在的問題 及對策 蒸發式冷凝器作為生產應用中的一種高 效節能換熱器,其傳熱傳質原理和結構特點決定了 在理論研究和生產應用中不可避免的存在一些問題,其中一些在前人的研究中已經給出了相應的對 策,也有一些需要人們進一步的研究分析。 在理論研究方面,由于蒸發式冷凝器的傳熱傳 質過程相當復雜,目前,國內外的大多學者在相關 的理論研究方面是基于種種假設的基礎上的,所以 建立精確的描述蒸發式冷凝器的理論模型是亟待解 決的問題。另外,研究高效換熱管提高蒸發式冷凝 器的效率和優化冷凝器的結構也是需要進一步解決的問題。
4·2·2 蒸發式冷凝器在實際應用中存在的問題及對策首先是結垢問題。實驗和應用表明,污垢 是影響蒸發式冷凝器盤管換熱性能的最主要因素之 一。因此,為了最佳的傳熱效率和最長的使用壽 命,應考慮循環水的水質處理和循環水的循環周 期,并采用較為先進的防結垢技術。催勛章等人對 換熱管的垢樣進行了分析,其成分如表2所示[61]。 并建立了噴淋式循環清洗工藝系統,通過實踐檢 驗,采用此噴淋式循環清洗工藝系統對蒸發式冷凝 器盤管的清洗切合實際而且相當有效。
其次是腐蝕問題。由于蒸發式冷凝器是在潮濕 的環境下運行的,易于腐蝕,所以其換熱盤管、箱 體以及風機電機都需要采用防腐處理。換熱盤管的 腐蝕問題是制約蒸發式冷凝器發展的關鍵因素,蒸 發式冷凝器的換熱盤管一般采用整體熱浸鋅防腐, 并且要保證鍍鋅層的厚度,鍍鋅層的厚度不夠或者 鍍鋅不均都會影響蒸發冷的性能和壽命。
最后是水量和風量的合理分配問題。理論研究 發現,水量和風量是影響蒸發冷的主要因素之一。 應用中,冷卻水流量遠遠超過理想指標,這與噴嘴 型式和換熱器型式有關。應用中有兩種改進方式, 一種是犧牲水泵的功率,加大循環冷卻水的流量。 但是,隨著冷卻水量的增大,管子表面的水膜的厚度將增大,管外局部換熱系數卻迅速下降,而且水 泵的功率加大,所以這種方法不可取。另一種是改 變蛇型盤管管的斷面形式,用橢圓管代替圓管。這 種方式提高了冷卻水的覆蓋率,但是沒有從根本上 解決問題。而實際應用中風量的分配也是采用強大 的風力使冷卻水在換熱管底部形成水膜,提高水的 覆蓋率,打亂管底部的滯留區,以提高換熱效率。 這種以犧牲風機功耗的方法來獲得換熱效率的增 強,不利于蒸發式冷凝的推廣,是不可取的。過大 的水量和風量都不能使換熱器高效的運行,所以合 理的分配冷凝器的水量和風量對提高換熱器的性能 有很重要的影響。
5 結論
在我國水資源匱乏,尤其近年來電力資源日趨 緊張的局勢下,加強對具有節水、節能、結構緊湊 和占地面積小等優點的蒸發式換熱器的研究已刻不 容緩。對占我國面積一半以上的西北地區,空氣干 燥,夏季晝夜溫差大,冬季多為干冷氣候,常年平 均相對濕度在80%以下,正是應用蒸發式換熱器的 好地方。研究表明,在新疆及其它干燥地區大力推 廣蒸發式換熱器的應用是具有廣闊前景的。但是蒸 發式換熱器作為制冷、冶金和化工等行業新型的熱 交換設備之一,雖然具有節水、節能、結構緊湊等 優點,但依然存在一定的局限性和缺點。其理論和 應用研究仍有很大的發展余地,隨著新技術的出 現,新產品的開發和應用方式的改進,都為蒸發式 換熱器的發展提出新課題。
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