張旭，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

冷凝器廣泛應(yīng)用在制冷空調(diào)、石油化工、電力、冶金、制藥等行業(yè)，是一種高耗能耗水設(shè)備。根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，冷凝器分為空冷、水冷和蒸發(fā)冷。在蒸發(fā)式冷凝器中，被冷卻介質(zhì)在熱交換器中冷凝，同時通過水噴淋系統(tǒng)在熱交換器外表面形成水膜，水蒸發(fā)以潛熱的形式帶走被冷卻介質(zhì)的冷凝熱量，并通過強(qiáng)制對流空氣排出熱量。

蒸發(fā)式冷凝器具有以下優(yōu)勢：換熱效果好，被冷卻介質(zhì)的終溫更接近于空氣的濕球溫度；節(jié)水節(jié)能，所需的循環(huán)水量為水冷設(shè)備的10%～30%，水泵能耗降低。蒸發(fā)式冷凝器的綜合優(yōu)勢明顯，近年來在我國的研究應(yīng)用日益廣泛。

1 管式蒸發(fā)式冷凝器

管式蒸發(fā)式冷凝器是一種研究和應(yīng)用最廣泛的蒸發(fā)式冷凝器，國內(nèi)外比較知名的廠商，如BAC大連有限公司采用的是圓形盤管換熱器，益美高ATC型蒸發(fā)式冷凝器采用的是橢圓管換熱器，洛陽隆華高效復(fù)合型冷卻(凝)器采用的是圓形翅片管加圓形盤管換熱器。

管式換熱器是管式蒸發(fā)式冷凝器的核心部件，管型的改進(jìn)應(yīng)以優(yōu)化液膜的流動狀態(tài)、提高換熱系數(shù)、減小管外流場的流動阻力為目的。

蔣翔等[1]通過實(shí)驗(yàn)測試了圓管、橢圓管、扭曲管的流動與傳熱傳質(zhì)性能。結(jié)果表明，扭曲管間水流分布均勻，脫落速度快，更易形成柱狀流，管表面水膜厚度比圓管和橢圓管小，扭曲管的傳熱傳質(zhì)系數(shù)高于橢圓管和圓管。

張景衛(wèi)等[2]通過數(shù)值模擬的方法對橢圓管、扭曲管、彈形管的空氣流場進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，彈形管管束中氣流擾動性最弱，流動阻力小，氣流分布均勻。

王定標(biāo)等[3]對蒸發(fā)式冷凝器采用的圓管、橢圓管、彈形管以及異型扁管的空氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，異形扁管與圓管、橢圓管、彈形管相比，壓降分別降低了30%，21%和15%。

對蒸發(fā)式冷凝器性能影響因素的研究是蒸發(fā)式冷凝器優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容。其影響因素主要有：空氣干濕球溫度、空氣流量、噴淋水溫度和噴淋水流量等。

Heyns等[4]通過實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)式冷凝器的熱流特性。得出的結(jié)論是，水膜傳熱系數(shù)與空氣流速、噴淋水流量和噴淋水溫度的函數(shù)?？諝?水之間的傳質(zhì)系數(shù)是空氣流速和噴淋水流量的函數(shù)。通過管束的壓降是空氣流速和噴淋水流量的函數(shù)。

Zheng等[5]研究了橢圓管閉式冷卻塔的性能特點(diǎn)。結(jié)果表明，水膜傳熱系數(shù)是噴淋水溫度、噴淋水質(zhì)量流量、空氣流速的函數(shù)，而空氣-水傳質(zhì)系數(shù)是空氣流速的函數(shù)。

申江等[6]設(shè)計了順流式橢圓管型蒸發(fā)式冷凝器實(shí)驗(yàn)臺，研究了總傳熱系數(shù)與風(fēng)速、噴淋密度的關(guān)系，得出單位換熱面積的最佳風(fēng)量為299.9 m3/(h·m2)，最佳水量為0.63 kg/(h·m2)。

Junior等[7]對實(shí)驗(yàn)室控制條件下運(yùn)行的小型蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。40種工況的換熱量保持一致，并且為入口空氣溫度、體積流量和噴淋水流量的函數(shù)，入口濕球溫度為換熱量的主要影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為研究者的分析和模擬提供依據(jù)。

2 板式蒸發(fā)式冷凝器

板式蒸發(fā)式冷凝器利用了板式換熱器的高效換熱性能和平面液膜蒸發(fā)式冷凝技術(shù)，具有空氣阻力小、布水均勻，宜于維修保養(yǎng)的優(yōu)勢，成為了目前研究的一個熱點(diǎn)。廣州華德低溫螺桿機(jī)組、螺桿式冷熱水機(jī)組等產(chǎn)品均采用的是板管式蒸發(fā)冷凝器，浙江萬享SWLB高效節(jié)能板片式蒸發(fā)式冷凝器采用的是板片式換熱器。

板式換熱器是板式蒸發(fā)式冷凝器的核心部件，在新板型的開發(fā)研究方面。孫荷靜[8]對板內(nèi)流體流動建模，通過模擬對板內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得流體的流動更加均勻。戴晨影[9]對鼓包板片蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)熱性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，板片焊點(diǎn)直徑和焊點(diǎn)角度影響水膜的厚度和停留時間，當(dāng)焊點(diǎn)直徑4～5 mm，角度164°時，具有最佳的傳熱傳質(zhì)性能。任勤[10]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究了凹凸板蒸發(fā)式冷凝器空氣-水側(cè)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理和流動特性，得出了凹凸板蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式，可對結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。王紅根[11]對某特定結(jié)構(gòu)的板管型蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了理論分析，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用CFD方法對板間流體流動進(jìn)行模擬計算，分析了板片結(jié)構(gòu)對蒸發(fā)式冷凝器的影響。板片的換熱性能隨著板片凹形結(jié)構(gòu)高度和凹形結(jié)構(gòu)大小徑的增大而提高，當(dāng)板片凹形結(jié)構(gòu)高度為5 mm，大小徑分別為29 mm和12 mm時，板片的換熱性能最優(yōu)。

影響板式蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的外部參數(shù)主要有：空氣干濕球溫度、空氣流量、噴淋水溫度、噴淋水流量和板間距等。

朱冬生等[12]建立了波紋板換熱器板外兩相流傳熱傳質(zhì)的計算模型，分析了熱流密度、噴淋水溫度、噴淋水量、空氣流速及板間距對板外換熱性能的影響。

董俐言等[13]建立了板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)過程的二維數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，誤差在10%以內(nèi)。結(jié)果表明，板式蒸發(fā)式冷凝器的熱流密度隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加而增大，隨著空氣濕球溫度的增加而減小，幾乎不受空氣干球溫度的影響；熱流密度隨冷卻水噴淋密度的增加而增大，但增大至一定量后對熱流密度幾乎沒有影響。上述結(jié)論可為蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)作用。

在蒸發(fā)式冷凝器中加入填料是一種常見的方式，主要有換熱器和填料組合作為換熱單元，以及單獨(dú)加裝填料兩種方式。

石仲璟等[14]將填料和板片組合成熱交換單元，通過這種混合冷卻方式來增強(qiáng)傳熱。建立了測試平臺，研究填料層數(shù)對組合板蒸發(fā)冷卻器傳熱性能的影響。在相同噴淋密度或風(fēng)速下，熱流密度隨著填料層數(shù)的增加而增大?？紤]到填料層對壓降的影響，宜選用3層填料。

簡棄非等[15]在不同的填料間距、氣流速度及噴淋水流量下對蒸發(fā)式冷凝器波紋填料間的熱質(zhì)傳遞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了填料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、空氣含濕量、空氣進(jìn)出口壓差的變化規(guī)律。當(dāng)填料之間的距離為6 mm，空氣流速為2 m/s，噴淋水流量為0.025 kg/s時，有一定的顯熱和潛熱交換量，水膜少量蒸發(fā)，同時降低了水泵和風(fēng)機(jī)的能耗，提高了系統(tǒng)的能效比。

3 蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用現(xiàn)狀

蒸發(fā)式冷凝器在國外的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，近年來，蒸發(fā)式冷凝器在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域得到了快速推廣應(yīng)用，涉及到氨合成、氨冰機(jī)冷凍、電廠汽輪機(jī)冷卻、甲醇合成等工藝過程的冷凝冷卻系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

吉勇[16]介紹了某公司合成氨和聯(lián)堿生產(chǎn)改造擴(kuò)容裝置中使用蒸發(fā)式冷凝器的情況，根據(jù)工程需要選用4臺熱負(fù)荷為3 200 kW的蒸發(fā)式冷凝器，投資費(fèi)用比采用傳統(tǒng)的管殼式水冷器加冷卻塔的方式低490萬元，年運(yùn)行費(fèi)用比管殼式冷凝器低約210萬元。

包曉暉[17]對三化合成氨生產(chǎn)冷凍系統(tǒng)中的冰機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，將原有的8臺立式管殼式水冷器和2臺臥式水冷器改造為蒸發(fā)式冷凝器。改造后冰機(jī)出口壓力由1.4～1.5 MPa降低為1.3 MPa，冰機(jī)出口溫度由152 ℃降低為140 ℃，年耗電量由1 247萬kW·h減少為138.44萬kW·h，投資回報周期約7個月。

Liu等[18]研究了蒸發(fā)式冷凝器用于燃?xì)鈾C(jī)熱泵的冷卻性能和節(jié)能效果。燃?xì)鈾C(jī)熱泵采用蒸發(fā)冷凝器比采用傳統(tǒng)的空冷冷凝器一次能源節(jié)約28.1%。

Wei等[19]設(shè)計了一套用于電廠小型汽輪機(jī)的蒸發(fā)式冷凝器。

史文玎等[20]介紹了漳山電廠引用蒸發(fā)式冷凝器對600 MW機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容改造的情況，通過采用蒸發(fā)式冷凝器擴(kuò)大汽輪發(fā)電機(jī)組冷端換熱面積的方式，使得機(jī)組夏季滿發(fā)背壓由35 kPa降為20 kPa，提高了機(jī)組熱效率。每年收益1 192.208萬元，約4年收回建設(shè)成本。

朱東生等[21]介紹了電站冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了蒸發(fā)式冷凝器用于電站冷卻系統(tǒng)的可行性及優(yōu)點(diǎn)，并提出應(yīng)用中需要注意凝汽器真空的問題。

蘇曉青等[22]以西安某數(shù)據(jù)中心機(jī)房為例，對采用蒸發(fā)式冷凝冷水機(jī)組和水冷式冷水機(jī)組的能效比EER、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)耗水量等進(jìn)行分析計算。結(jié)果表明，蒸發(fā)式冷凝冷水機(jī)組比水冷式冷水機(jī)組節(jié)能約29.5%，年節(jié)約電量20.5 kW·h，節(jié)水率51.11%。

Mckenzie等[23]分析了加利福尼亞州6個氣候區(qū)的新建和使用15年的三種家用空調(diào)系統(tǒng)：標(biāo)準(zhǔn)空氣冷凝器、蒸發(fā)式預(yù)冷冷凝器和蒸發(fā)冷凝器的總電力負(fù)荷和水負(fù)荷。與風(fēng)冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式預(yù)冷冷凝器和蒸發(fā)冷凝器的年平均直接節(jié)電率分別為17.7%和11.3%。蒸發(fā)冷凝器在用電高峰時比蒸發(fā)預(yù)冷冷凝器節(jié)省了更多的能量(峰值節(jié)能分別為30.9%和23.8%)，這對于炎熱的干旱氣候區(qū)是非常有利的。

席鐵峰[24]針對國際焦化有限公司甲醇系統(tǒng)水冷效果差的特點(diǎn)，新增了兩臺蒸發(fā)式冷凝器，改造后，通過蒸發(fā)式冷凝器完全取代甲醇水冷器，達(dá)到了循環(huán)氣溫度的設(shè)計要求；甲醇水冷器停用后，減少甲醇循環(huán)水用量1 300 m3/h；噸甲醇消耗焦?fàn)t煤氣降低約100 m3/h，每月增產(chǎn)甲醇約750 t，增產(chǎn)170萬元。

4 總結(jié)與展望

蒸發(fā)式冷凝器因其高效的換熱性能、節(jié)能節(jié)水的特點(diǎn)日益受到人們的重視，成為一種可替代空冷式冷凝器和水冷式冷凝器的高效冷凝器。高性能計算機(jī)和CFD技術(shù)的使用為蒸發(fā)式冷凝器的研究提供了一種重要的手段。應(yīng)用數(shù)值計算技術(shù)既加快了研究速度，又拓寬了研究參數(shù)的變化范圍，從而增加蒸發(fā)式冷凝器研究的深度和廣度。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對管式和板式蒸發(fā)式冷凝器以及對蒸發(fā)式冷凝器工程應(yīng)用的研究愈加活躍，新系統(tǒng)新方法不斷呈現(xiàn)。蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用范圍不斷拓寬。

雖然蒸發(fā)式冷凝器的研究已經(jīng)取得了很多成果，但也存在諸多不足之處，有待進(jìn)一步的解決。

(1)換熱器的結(jié)垢腐蝕問題一直是影響其性能穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，在這方面雖然已有較多的方法，但大多數(shù)方法處理結(jié)垢問題復(fù)雜，使用的化學(xué)處理劑對環(huán)境有危害，結(jié)垢腐蝕問題仍是困擾其高效應(yīng)用的難點(diǎn)。

(2)缺乏公認(rèn)的蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計計算方法，在蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)行策略方面仍有很高的研究價值。