蒸发式冷凝冷却设备的应用状况和研究进展

　　1.由于人口膨胀和经济发展,水资源短缺的现象正在世界许多地方相继出现,尤其是城市缺水状况,越来越加剧。我国的水力资源可开发量虽达3·79亿千瓦,但人均不到0·3千瓦。《中国节水技术政策大纲》中指出:“大力发展和推广工业用水重复利用技术,提高水的重复利用率是工业节水的首要途径,发展高效冷却节水技术是工业节约用水的重点。”

　　冷凝冷却设备是工业耗能耗水大户,制冷冷却耗能量占工业用能的13%~15%,耗水占工业用水的70%~80%,而间接冷却用水又占冷却用水的70%~80%。也正是在这样的情况下,蒸发式冷凝技术应运而生,成为水循环重复利用的重要技术之一。蒸发式冷凝技术在航空、电力、机械、纺织等工业领域中起着重要作用。同时,冷却塔、喷淋塔、蒸发式冷凝器等就是冷却水重复利用的关键设备,蒸发式冷凝器的节能、节水效果不仅在理论上是明显的,在实际应用中也得到很好的证明。所以,研究和发展蒸发式冷凝冷却设备,极具现实意义。

　　2蒸发式冷凝器

　　根据蒸发式冷凝器的工作原理可知,由于蒸发式冷凝器主要利用水的汽化潜热带走制冷剂冷凝过程中放出的冷凝热量,所以冷却水的用量要比水冷式冷凝器少得多。实际补充水量为水冷式的1/25-1/50,其特别适用于缺水地区。

　　对各种冷凝器的性能与耗水情况分别进行了比较。据计算,以氨为制冷剂,产冷量在3·8×106kJ/h时,蒸发冷凝器比壳管式冷凝器平均每年节电3·4×105kWh。

　　 3蒸发式换热器的理论研究进展

　　国外理论研究进展

　　国外的蒸发冷凝技术发展比较早,所取得的理论和研究成果也比较高。蒸发式冷凝设备基本传热传质理论是在1925年由merkel所提出并发展起来的,为以后的理论研究奠定了基础。之后在二十世纪中期,S·G·Chuklin、尾花英郎等提出了关于蒸发式冷凝器设计的普遍化方法。 Parker和Treyball研究了蒸发式冷却器的传热、传质性能,阐明了蒸发式冷却器的传热、传质机理。对蒸发式冷凝器与凉水塔混合系统的实验表明此系统能显著降低冷凝温度,并节约换热面积。开发了一套用于设计水平或竖直放置的光管、翅片管蒸发式冷凝器与凉水塔混合系统的计算机程序。对竖直管蒸发式冷却器做了传热传质试验研究,结果表明控制热阻发生在空气与水的交界面,并建立了适用于光滑竖直管蒸发式冷凝器性能计算的经验关联式。对蒸发式换热器(凉水塔、流体冷却器、冷凝器)做了性能模拟,其模拟算法与制造厂家(美国巴尔的摩)提供的数据差别在±3%以内。对几种蒸发式冷却器芯体的设计方案做了模拟计算探讨,发现添加的塑料材料(Munter)可以显著地增强光滑管冷却器的传热性能,而不需要使用成本很高的翅片管以增加传热面积。给出了蒸发式冷凝器一种新传热传质数学模型,该模型准确的描述了传热传质过程;编制了适用于光管蒸发式冷凝器的计算机仿真模拟程序,通过试验验证,其计算结果同试验结果相比较平均误差为3%,其中最大误差也不超过20%;并且计算结果具有很高的精度,验证了计算机程序的合理性。]研究了在负的大气压下蒸汽混合物对DCXs型换热器的性能影响,通过试验测试研究了DCXs型换热器中入口处不凝性气体的影响,给出了数学计算模型,并指出该模型可为冷凝器设计提供依据。对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究,分析比对了直接蒸发式冷却器和间接蒸发式冷却器的性能,结果表明带有凉水塔的两步式蒸发冷却器比没有凉水塔的系统具有更高的换热效率,也优于一步式、直接接触式蒸发冷却器。讨论了蒸发式流体冷却器的传热传质过程,建立了逆流蒸发式流体冷却器的数学模型。研究了管束的分列排布对光管式流体冷却器的热性能影响。结果表明,对于蒸发式水冷却器,模拟计算值和试验值具有很好的吻合性,相对误差不超过6%,通过试验数据回归,总结出传质效率的关联式。介绍了一种描述蒸发式冷凝冷却设备通用的无量纲数学模型,该数学模型给出了水、空气和被冷却流体在系统中非绝热蒸发的换热过程。

　　应用无量纲微分方程建立的数学模型极大的降低了计算的参数量并且简化了计算。分析表明,该无量纲因次的数学模型具有广泛的应用性。对蒸发式冷凝器(采用两组翅片管+填料的结构型式)的性能进行实验研究,同时和风冷式冷凝器进行比较,结果表明蒸发式冷凝器的系统效率介于97%~99% 之间,而风冷式冷凝器系统效率介于88%~92%之间。在相同的实验条件下,对光管和翅片套管蒸发式冷却器的传热性能进行分析研究。通过试验证明,当空气的迎面风速从1·66~3·57m/s变化时,翅片套管蒸发式冷却器比光管蒸发式冷却器的换热性能提高了92%~140%,在假定换热器喷淋水温度不变的前提下,建立了光管和翅片套管蒸发式冷却器的热力学性能数学模型。在同样实验条件下,对椭圆光管和圆管蒸发式冷却器进行了性能比较试验研究。研究结果表明,椭圆管的平均传质Colburn因子Jm是圆管的89%,椭圆管的平均摩擦因子(f)是圆管的46%,而椭圆管的Jm/f是圆管的1·93~1·96 倍。实验证明,椭圆管的综合性能优于圆管,具有很好的换热和传质特性。对直接式和间接式冷却塔和冷凝器的性能进行了分析。基本原理依据merkel′s理论,针对常用的三种换热器应用统一理论和相同的操作方法进行分析,总结出了换热效率和热阻的计算关联式。建立了关于闭式冷却塔的基于热质传递守恒的简化效率模型,在假定盘管间冷却水膜温度为常数的条件下,研究了冷却塔在风量变化时性能的变化,并计算了耗水量。模拟计算的结果和已有的数据相吻合,其误差控制在10%以内。主要对比了制冷系统现在使用的三种冷凝器特性,即空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器和蒸发式冷凝器在相同的试验条件下分别进行试验研究,结果表明,在蒸发温度为-24~-4℃时,水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器相比,制冷量和能效比分别提高了2·9%~14·4%和1·5%~10·2%,但耗电量增加了2·3%~4·2%。在蒸发温度为-24℃时,蒸发式冷凝器和空气冷却式冷凝器相比,制冷量和能效比分别提高了31·0%和14·3%,耗电量增加了10·1%。介绍了一种基于计算流体力学的关于湿空气和水的两相流动的新型冷却塔的数学模型。在气体流动段采用欧拉方法分析,在水滴下落阶段应用拉格朗日方法分析研究。试验研究表明,液滴尺寸的影响是最主要的因素,当喷淋水量一定时,液滴尺寸越小,换热效率越高,冷却水入口温度和空气湿球温度相差越大换热效率越高。应用ANNs(人工智能网络)技术对蒸发式冷凝器的冷凝负荷进行了模拟和控制研究。研究结果表明,在热力学系统中,ANNs控制器适合取代 PID控制器。应用ANNs对带有蒸发式冷凝器的系统性能进行预测。通过改变蒸发器的负荷、空气和水流过蒸发冷盘管的速度和冷凝器入口处空气的干湿球温度对系统进行稳态测试。其预测值和试验值以及关联式计算的相对误差在 1·90%~4·18%内,结果表明ANNs在逆流蒸发式冷凝器的复杂系统中应用时具有很高的精度。对蒸发式流体冷却器和蒸发式冷凝器的数学模型进行了细致研究。通过和前人研究结果相比较,验证该模型的合理性。该模型考虑了污垢对换热性能的影响,建立了计算污垢热阻的相关方程,并利用此方法对换热器性能进行研究,为蒸发式换热器设计计算提供试验依据。对蒸发式换热器进行敏感性分析,所谓敏感性分析就是对影响换热器性能的模型参数逐一进行分析。

　　分析结果表明,对蒸发式冷却器,影响其换热效率的主要因素是流体流动速率;而对蒸发式冷凝器,影响其换热效率的主要因素是空气入口处的湿球温度和冷凝温度。依据热力学第一、二定律对逆流式冷却塔和蒸发式换热器进行了热力学性能分析,利用热力学火用平衡分析影响系统不可逆损失的因素。研究表明,换热器的入口湿球温度的增加总会提高热力学第二定律的效率。应用热力学方法丰富蒸发冷凝冷却技术的研究手段,但是仍难以准确的表达传热传质的过程。

　　蒸发式冷凝冷却技术在国外的研究从上个世纪至今从未间断过,并且在理论研究方面也取得了较大的成果,但大多局限于管内无相变的蒸发式冷却器的研究和蒸发式冷凝器的理论及性能模拟。随着节水和节能的需求,蒸发式换热器在系统中应用的深入研究将成为势在必行的重要研究课题。