蒸发式冷凝器在空调系统的应用

Ｃｈａｎｐｉｎ　Ｊｉｓｈｕ◆产品技术＿　效。　蒸发式冷凝器在空调系统的应用　吴凯东　（ｆ－州约克空调冷冻设备有限公司，广东广州５１００００）　摘要：提出了蒸发式冷凝器用于集中空调系统的可行性，分析其性能特点。在实际应用中，可以实现节能、环保、高　关键词：空调；节能；蒸发式冷凝器；冷却；应用　

我国公共建筑空调的单位面积耗电量为７０～３ｏ０　ｋＷｈ／ｍ２・ａ，为居住建筑的（５～５１倍），具有巨大的节能　潜力＿ｌ－２］。空调设备特别是冷凝器不仅占地面积大，而且　影响建筑外观，产生噪音。发展低能耗、占地少、低噪音，　与周围环境相适宜的空调设备，是空调领域的发展趋　势，对社会的和谐发展有着十分重要的意义［４］。　目前空调中主要使用的冷凝方式是风冷式、水冷式　＋冷却塔两种形式，理论研究和工程应用也相对成熟。　蒸发式冷凝技术可实现小温差下的高热流率，具有节　能、节水、结构紧凑和占地面积小等优点，已广泛应用于　制冷、化工、石油、冷冻、食品、啤酒、轻工及电力等工业　过程，节能节水效果明显　，但在空调中应用才刚刚起　步，相关研究也有待深入。　本文将蒸发式冷凝器应用于空调系统，通过研究不　同因素对蒸发式冷凝空调性能的影响，探讨空调中应用　蒸发式冷凝器的可行性，得出一些规律性结论，为蒸发　式冷凝空调在建筑中的节能、节地、降噪提供理论依据，　为推广应用创造条件。　１　蒸发式冷凝器的应用前景　冷凝器是制冷系统主要的热交换设备之～，其作用　是将压缩机排出的高温、过热蒸气冷却成液态制冷剂。　根据冷却介质和冷却方式的不同，常用的冷凝器一般可　分为水冷式（又分为壳管式、套管式、沉浸式等）、空气冷　却式（或称风冷式）及蒸发式（制冷剂在管内冷凝，管外　同时受到水及空气的冷却）３种。显然，选择不同形式的　冷凝器，其水泵和风机的能耗不同，同时造成的冷凝压　力差异又影响压缩机压缩过程的功耗和制冷效果，因此　冷凝器的正确选型与配置，应引起足够的重视网。　由于冷却效果较差、冷凝温度较高，空气冷却式冷　凝器主要用于缺乏冷却水源场所、分散式及小型制冷系　统。而大、中型制冷系统，过去应用最多的是立式或卧式　壳管式冷凝器，同时为了减少冷却水消耗量，大多使用　循环水，故需建有冷却水塔或凉水池，因而造成了冷凝　器和冷却水塔装置占地面积大、循环水泵和冷却水塔风　机功耗均较大的缺点。　蒸发式冷凝器具有节水、节电和结构紧凑、占地面　积小等优点，是一种能源节约型产品，具有良好的发展　前景。从２Ｏ世纪７０年代起，国际上发达国家开始改用　蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器。由于蒸发式冷凝器的　循环水流量仅为水冷式冷凝器的１０％，水泵的能耗将明　显降低；采用风冷式冷凝器，虽然不用水泵，只需要风　机，但其空气流量要比蒸发式冷凝器大数倍，而且还造　成冷凝器压力较高。　从２０世纪８０年代起，我国的化工行业和食品冷库　

机电信息２００９年第１６期总第２２６期４９　－产品技术◆ｃｈａｎｐｉｎ　Ｊｉｓｈｕ　工程也开始采用蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器，通过　近２０年的应用实践，证明它有明显的节能效果。　２　蒸发式冷凝器运行的理论基础与特点　蒸发式冷凝器在结构上是将水冷式冷凝器的传热　管和冷却塔的塔体组合在一起，使原来分开的制冷剂冷　凝过程与水冷却过程合二为一，因而结构紧凑，进一步　实现了系统的节能、节水。依据空气进入的方式不同，有　送风式和吸风式２种，送风式结构如图１所示，吸风式　结构如图２所示，目前绝大多数为吸风式。　图１　送风式蒸发式冷凝器　程，当水膜温度已处于饱和状态时，水膜的换热机理是　强制对流潜热蒸发；当水膜温度处于非饱和状态时，又　分为２个过程，一是管内无相变，二是管内有相变。当管　内无相变时，一般管内流体温度较高，传热温差大，其换　热机理是水膜与空气的强制对流显热换热；当管内有相　变时，其热流率是管内无相变的几倍甚至上百倍，且冷　凝温度一般为３６￣３８℃，这比无相变流体温度低几度　甚至几十度，仅略高于常温下水和空气得温度，相应地　管外水膜温度也比饱和蒸发及管内无相变时低得多，水　膜与空气温差不超过８℃，因此它是一个高热流率低传　热推动力的过程，要实现制冷剂蒸汽的迅速冷凝，必须　

１一鼓风机２一挡水板３喷嘴４一蛇形冷却管　５一水泵６一浮球　

图２　吸风式蒸发式冷凝器工作　

蒸发式冷凝器的运行原理为：水由水泵５经喷淋装　置喷淋３于换热管４表面形成水膜，水膜吸收管内制冷　剂蒸汽的热量，同时与管外快速流动的空气直接接触发　生蒸发，以潜热为主、显热为辅的方式完成换热过程，并　由空气将热量带走。未蒸发的水汇集于水槽，供循环使　用。蒸发式冷凝器装有风机１，以使空气加大流速自下　而上地流经盘管，不断带走水蒸汽，加速喷淋水的汽化，　为防止未汽化的水滴被空气带走，在箱体上部还装有挡　水板２。水盘中的水由于过程中水的蒸发而不断减少，　同时水中的含盐浓度也不断增加，故需经常补充冷却　水。　管内流体被冷却或冷凝、管外水膜与空气换热过　依靠传质带动传热，因此其水膜与空气的换热　机理是强制对流显热换热和潜热蒸发带动传　热。　蒸发式冷凝器主要利用自然条件中空气　的干湿球湿度差使水蒸发来移除制冷剂的热　量，蒸发过程原理如图３所示ｌ　６ｌ。当不饱和的空　气和水接触时，空气中水蒸气分压低于水面的　水蒸气压，将会存在浓度差而产生推动力，使　水向空气中蒸发，在质量传递的同时发生热量　传递，向空气传递热量，为维持蒸发过程，水同时向制冷　剂吸收热量，实现制冷剂蒸汽的冷凝。由于空气中水蒸　气分压由空气湿球温度决定，因此相对于空气或水单冷　式冷凝器，蒸发式冷凝器操作温度可降低３～１１℃。　

ｏ　Ｏ　ｏ　Ｏ　ｏ　

ｏ　

饱和边界层　０　

水　图３　蒸发过程热湿交换原理　

５０　中央空调市场・２００９年６月　Ｃｈａｎｐｉｎ　Ｊｉｓｈｕ◆产品技术－　蒸发式冷凝器盘管内外的各种流体温度和焓分布　如图４所示。传热过程可分为４个步骤：（１）制冷剂蒸汽　冷凝放热；（２）冷凝热通过管子内壁，传至管外壁的水　膜，其推动力取决于制冷剂的冷凝温度和水膜表面的温　度差；（３）热量在水膜内的传递，并由水膜传递给空气　流，这是热传递和质（水蒸汽）传递的结合；（４）空气流带　走热量。在上述传热过程中，制冷剂放热和空气带走热　量的过程都是快速进行的过程，由于水在盘管表面呈膜　状流动，所以其雷诺数较小，热量由制冷剂蒸汽膜向空　气传递的过程（图４）。　Ｔ　Ｊｕｂｅ　ｓｉｄｅ　图４　蒸发式冷凝器传热管温度分布　在蒸发式冷凝器工作过程中，制冷剂不断散发出热　量，因此沿其流向温度不断降低；水向空气中放出的热　量大于水蒸发向空气吸收的热量，因此空气温度逐渐上　升；因为冷却水被循环，蒸发式冷凝器设备顶部和底部　的水温相同，这个水温就是蒸发式冷凝器运行的平衡温　度，它由设备的结构、盘管的传热能力和空气的湿球温　度共同决定，并反过来决定蒸发式冷凝器的传热传质性　能。　由上述分析可见，蒸发式冷凝器对传统冷却方式进　行了以下几方面改进：（１）改变单相冷却流体利用显热　温升来冷凝制冷剂的方式，主要利用水的潜热使冷凝制　冷剂蒸汽；（２）设备项部和底部水温相同，可在自身范围　内实现水温平衡，从而减去冷却水从冷凝器到冷却塔的　传递阶段，直接实现水的重复利用，节省水泵功耗；（３）　其紧凑而合理的结构使空气以较小的流量即保持较高　的流速，增加水和空气热质交换的剧烈程度，还能使空　气在整个过程保持非饱和状态以维持传热传质推动力，　以实现水向空气传热传质，这不仅保证了水的蒸发潜热　能完全用于蒸汽冷凝，空气还能带走部分热量，从而节　约用水；（４）其操作平衡温度为空气的湿球湿度，相应的　循环水温度、制冷剂冷凝温度都可降低，对压缩机节能　十分有利。上述改进方式使蒸发式冷凝器相对于其他冷　却装备有着如下优势【，】：　（１）节能。一方面，蒸发式冷凝器将换热与水冷却过　程合二为一，省略了水冷式冷凝中的水从冷却塔到冷凝　器的传递阶段，加之循环水量仅为水冷凝式的５％～　１０％，有效地节约了冷却水泵的输入功率，为水冷式的　５％～１５％；另一方面，蒸发式冷凝器冷却水温更接近空　气湿球温度，其相应的冷凝温度可以更低，其冷凝温度　比风冷式冷凝器低８～１１℃，比水冷式冷凝系统低３～　１Ｏ℃，这能提高制冷压缩机的制冷效率，降低压缩机的　能耗达到１０％￣３０％。　（２）节水。冷却水在水冷式冷凝器中的温升一般为　６Ｎ８℃，即１　水可带走２５￣３４　ＫＪ的显热量，而蒸发　式冷凝器主要通过冷却水潜热来完成换热的，ｌ　水吸　热蒸发可以带走２　４５０　ＫＪ的热量，使得蒸发式冷凝器实　际运行中的水量仅为水冷式的５％～１５％，明显节约了　水资源。　（３）冷换效果好。一方面，由于水的蒸发潜热大，单　位水的吸热量大，在盘管内外，水、空气与制冷剂逆流向　流动，使传热快，传热效率增加，从而达到更好的冷换效　果；另一方面，如用于制冷系统，其冷凝温度低，使压缩　机排气温度和压力降低，其制冷效率可提高３０％以上。　（４）占地面积小。蒸发式冷凝器采用换热与冷却过　

机电信息２００９年第ｌ６期总第２２６期５１　－产品技术◆ｃｈａｎｐｉｎ　Ｊｉｓｈｕ　程一体化的方法，使空气和水进行强制热湿交换，换热　效率高，使热量交换和移除的过程可在很小的空间内完　成，因而蒸发式冷凝器结构十分紧凑，因此其占地面积　仅相当于风冷式或水冷式——冷却塔的３０％￣６０％，在　土地资源日益紧张的今天，这点有特别重要的意义。　（５）环境污染小。蒸发式冷凝器整个系统完全封闭　运行，减少了污染物排放；其管外介质为水和空气，对环　境污染小。　（６）结构紧凑、容易安装维护、运行费用低。因为传　热传质２个过程在蒸发式冷凝器内一次完成，因而不需　要冷却塔，相对于传统的带冷却塔的水冷式冷换设备，　结构更加紧凑，而且制造时更容易形成整体，这样给安　装带来了极大的方便，出现故障时，维修也变得容易，减　少了工程实施的难度和费用。在运行中，除如上所述的　节能节水效果外，蒸发式冷凝器还排除了水冷式系统中　因大量用水而产生的水处理问题，使运行费用大大降　低。　

３　结语　我国是一个水资源紧缺的国家，全国正常年份缺水　量约４００亿ｍ　。随着经济社会的快速发展和人口增长，　“水”的问题已日益成为制约我国经济社会发展的重要　因素。节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根　本途径【　。　蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理论上明　显，在国内外广泛的实际应用中也得到了很好的证明。　能源危机和节水环保促进了有关蒸发式冷凝器的研究　

和应用，清洁高效蒸发式冷凝器的研制及产业化，对节　水、节电和节地具有重要意义，对经济和社会的发展将　起到重要的推动作用。　

［参考文献］　

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