蒸发式冷凝器简介

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蒸发式冷凝器
简介：
蒸发式冷凝器是从冷却塔改进而来，其操作原理和冷却塔基本相同，主要由换热器、水循环系统和风机系统三部分组成（如下图）。

蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基础，冷凝器顶部布水系统不断向下喷淋冷却水，在换热管表面形成水膜，换热管和管热流体发生显热交换并将热量传递到管外冷却水，同时换热管外冷却水和空气混合，冷却水向空气放出蒸发潜热（主要换热方式）而冷却，从而使流体冷凝温度更接近空气的湿球温度，其冷凝温度可比冷却塔水冷
式冷凝器系统低3-5℃。

美国《ASHRAE系统与设备手册》指出“蒸发式冷凝是
效率最高的冷却方式”。

管被冷却介质：
氨、氟里昂等用户要求的冷却介质。

：优点1.冷凝效果好：蒸发潜热大，空气与制冷剂逆向流动传热效率高。

蒸发式冷凝器以环境的湿球温度为驱动力利用盘管水膜的蒸发潜热换热, 使冷凝温度接近环境的湿球温度, 其冷凝温度可比冷却塔水冷式冷凝器系统低
3-5℃,比风冷式冷凝器低8-11℃,这大降低了压缩机功耗, 使系统能效比提高10%-30%。

2.节水：利用水的汽化潜热换热，其循环用水量少，考虑到吹散损失、排污换水等，耗水量为一般水冷式冷凝器的5%-10%。

3.节能：蒸发式冷凝器冷凝温度受限于空气湿球温度，而湿球温度一般比干球
温度低8-14℃，加上上侧风机给设备部造成的负压环境，其冷凝温度较低，故
压缩机功耗比低，而冷.
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凝器的风机、水泵动力消耗都低，相对于其他冷凝器，蒸发式冷凝器可以节能20%-40%。

4.初投资和运行费用都低:蒸发式冷凝器结构紧凑，不需要冷却塔，占地面积小,
制造时易于形成整体，给安装维护带来方便。

应用现状：
蒸发式冷凝器在西方国家应用较为广泛，在国的应用中，由于西北地区缺水的实际情况，蒸发式冷凝器在西北地区推广和应用较多，宾馆、办公楼、商场等民用建筑和厂房车间及冷库、温室等的冷却空调设备基本都采用了蒸发式冷凝器，啤酒、食品、饮料、制药、石油、化工等行业也越来越多的采用蒸发式冷凝器。

在较为湿热的中南地区则显得不足，经一些专家和研究开发人员的理论研究和实际改进，证明蒸发式冷凝器在中南地区一样也能取得较好的使用效果。

当传统冷凝器工作不正常或需要改换时，采用蒸发式冷凝器也较多。

研发问题：
1.结垢问题:蒸发式冷凝器结构紧凑，换热效率高，结垢对其传热性能影响相当
大。

2.腐蚀问题:蒸发式冷凝器外壳由于常年处于水与空气的潮湿环境下，易于腐蚀。

3.水量的合理分布问题：喷淋水的水量选择和均匀分布对蒸发式冷凝器换热效
果有很大的
影响，如果喷淋水量不足，易于在换热管表面结垢；如果喷淋水量过大，水膜厚度增加，
会增大水膜传热热阻。

4.风机问题:以往国产蒸发式冷凝器一般为吹风式结构，风机装在下面，由于挡
水板设置不
当，或用户操作不当，先开水泵后开风机，造成风机接线盒进水短路，使电机烧毁。

现
在多采用吸风式，接线盒放在箱体外，避免与水接触，一般不存在上述问题，但对风机
叶片要求较高，要能耐腐蚀。

5.振动与噪声问题:蒸发式冷凝器运行时噪声来源有：风机、水泵、冷却水下落
噪声和箱体
综合噪声，主要是风机噪声。

性能研究：
影响蒸发式冷凝器性能的因素有结构参数和运行参数。

结构参数主要有：盘管尺寸、盘管截面形状、盘管材料、盘管布置形式等；运行参数主要有：风量、喷淋水量、管冷凝流体流量等。

1.结构参数分析：
目前蒸发式冷凝器主要有板式和管式两种形式。

板式蒸发式冷凝器具有结构紧凑，换热效率高的优点；其缺点是流道较窄，容易堵塞，尤其是在含尘量大的环境中，随之时间的增加，流动阻力变大，容易堵塞，使其换热效率降低。

板式蒸发式冷凝器难做到布水均匀，表面结构，.
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维护困难。

管式蒸发式冷凝器优点是布水均匀，易形成稳定水膜，流道较宽，不易堵塞，流动阻力小；其缺点是换热效率低于板式蒸发式冷凝器。

高效传热管的研制，管型的改进和管表面性质的改造是蒸发式冷凝器发展的一个重要方面，改变壁面粗糙度和管型结构，增加空气湍流度，能起到强化传热的效果。

螺旋槽管横纹管扎槽管扭曲管
在管型改进方面，出现了椭圆管、异滴形管、波纹管和交变曲面波纹管等新型高
效盘管。

在材质研制方面，冷凝盘管大多采用热浸锌来防止腐蚀，近年来国厂家通过采用不锈钢材质基本上解决了盘管的腐蚀问题，并大大延长了使用寿命，减轻了重量。

管排方式方面，盘管正方形顺排时，气流容易从横向管间隙中短路流出，而纵向管间隙中没有气流流过；盘管三角形叉排时，管间气流分布非常均匀，故应尽可能采用三角形叉排方式布置盘管。

管间距的影响：管间距越小，气流速度梯度越大，导致分布不均甚至产生涡流，流阻较大且不利于传热，但单位体积可排布更多的传热管，从而缩小设备体积；管间距增大到合适时，气流流场分布均匀，传热效率会相应较高，空气流阻也不大，性能较佳；管间距过大时，气流速度梯度又过小，同样导致分布不均，不利于传热且流阻基本不变，体积也相应增大，但管间距大时设备制造容易，清洗维护简单。

合理的管间距要依据实际情况的需要，进行选择。

2.运行参数分析：
来流流场对蒸发式冷凝器性能能影响的研究：2.1
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在蒸发式冷凝器工作过程中，蒸发发生于水膜与空气接触界面上，为引起水分子在界面上的汽化，必须有一推动力。

在蒸发式冷凝器工作过程中，水温和空气温度极其接近，且空气中水蒸气分压较高，水处于一种非饱和或近饱和状态，水膜
部热质推动力很小，在水-空气界面上温差和湿度差也很小，因此其主要传热传
质推动力依靠水膜外空气的流动。

气流速度场直接决定水向空气的蒸发速度，这对以潜热为主冷却制冷剂、以传质带动传热的蒸发式冷凝器传热有决定性作用，来流流场正是通过影响蒸发式冷凝器空气状态来影响传热和流动的。

2.2 水分布对蒸发式冷凝器传热传质的影响：
(1) 喷淋密度对蒸发式冷凝器的传热传质有一个最小喷淋密度的操作条件要求。

这个最小喷淋密度就是使蒸发式冷凝器达到较好传热性能的喷淋密度最佳值，它基本不受迎面风速的影响。

喷淋密度过小时，换热管表面水膜覆盖不均匀，局部水膜厚度薄，影响蒸发换热；喷淋密度过大时，换热管表面水膜过厚，水膜热阻变大，阻碍换热，故喷淋冷却水要达到最佳喷淋密度最合适。

(2) 蒸发式冷凝器循环冷却水温不一定和补水温度相等,可能大于也可能小于。

蒸发式冷凝器水盘中循环冷却水温度达到稳定是需要一段时间的，主要受空气的湿球温度影响，但循环冷却水温度最终会达到一个平衡点。

(3) 在相同的操作条件下，加入填料，循环冷却水温度降低,蒸发式冷凝器传热传质系数分别提高。

填料的加入，增大了水-气接触面积，提高了空气的利用率，进而提高了蒸发式冷凝器的整体传质性能。

典型蒸发式冷凝器介绍：
1.板式蒸发式冷凝器:
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随蒸发式冷凝器的压降损失主要存在于介质冷凝后气液两相流的流动。

在管冷凝流动时，着蒸汽和冷凝液的比例不断变化，在不同的汽速下，可能出现分层流或环状流等流型，这些因素导致了很大的压降损失并增加了热阻，不利于冷凝传热；而在板片冷凝时，由于流体重力作用，冷凝液将流向板片底部，板片壁形成很薄的一层液膜，这样就可以使板片长期处于一种高换热状态，消除了盘管式冷凝器由于盘管底部冷凝流体和油液的停留而造成的不良影响。

而喷淋冷板式蒸发式冷凝器的传热主要是依靠板壁外表面水膜蒸发实现冷却冷凝的目的，却水在板壁表面更容易形成连续性降膜，液体薄膜具有传热传质系数高，热流密度大，过程时间短，结构简单等优点。

如果采用合适的板片结构，板外连续水膜在下降过程中，在流动空气即马兰格的影响下受到干扰将发生不稳定波动，波动表面温度分
布不均将产生热毛细力效应，尼效应，增大了传热效率。

而温度梯度不连续, 在气-液相界面处, 水膜和空气温度随壁面热流密度的增大而升高,
液相界面处传热的形式以水蒸发传质引起的潜热传热为主、空气显热传热-温度始终连续; 气改进水膜的流动状态对提高蒸发式冷凝减小水膜的厚度、为辅, 且传热热阻主要集中于水膜，水分蒸发量随风速增大而增大，在恒定的水/s)围, 2-4m 器的性能有重要影响; 在空气流速(
从液接触面的更新过程; -气流流速的增加可增大气液相界面相对速度, 加快气-膜流量下,
气的化学势两方面的共同作用使水、空气分子动能变大, 势能减小, 分子运动论的观点来看,
“毛细, 形成加剧空气和水膜之间的热质交换程度差增大, 导致水膜的波动频率和幅度增大,
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其传热量相对于自由表面降膜蒸发可增加一个至几个数量级诱导的蒸发”,存在
一个最佳的喷淋密冷凝器板间的热流密度随冷却水喷淋密度的增大而先增大后
减小，，度。

喷淋密度小时，传热板表面没有被喷淋水完全覆盖，局部表面温度过高而存在“干斑”传热方式“风冷”传热效率低；喷淋密度过大时，水膜厚度过厚，水膜热阻变大，热流密度随之变小，故布水量要合理。

板式冷凝器板间
空气和水并流时传热效果最好，逆流次之，错流最差。

并流时，水膜贴壁流，是典型的连续性降膜，下降水膜受剪切力的影响被空气掠带变薄热阻减小，热流密度随风速的增大而增大；逆流时，水膜受风拖滞，水膜厚度变厚，热阻变大；逆流时空气和水两相流.
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的湍动加剧，能部分消弱下降水膜因受拖滞变厚而增大热阻的不利影响，所以逆流比错流换热效果好。

板冷凝压力随冷却循环水喷淋密度、风速的增大而减小。

蒸汽对角进出时冷凝压力比同侧进出时有所升高。

蒸汽对角进出时的热流密度比蒸汽同侧进出时大，更有利于板表面温度的均匀分布，提高换热效率。

蒸发式冷凝器的冷凝能力主要取决于空气的湿球温度和干湿球温差，热流体冷却的极限是空气入口的湿球温度。

湿空气的干球温度变化主要取决于空气和喷淋水膜之间的显热交换，而潜热交换对空气干球温度的变化影响很小。

波纹板的结构对液膜的流动形式有重要影响，选用尺寸较大、凹槽较浅的波纹板有利于水膜的均匀分布和增加局部传热、传质速率。

填料组合板元蒸发式冷凝器：增加了板间空气流道的距离，并在其中加入填料代替金属板片进行传热。

利用填料代替金属板片进行传热不仅提高了设备的换热性能还降低了产品成本。

用填料代替板片进行传热，喷淋水落到填料表面形成水膜，与流动空气进行对流传热传质，研究表明循环水温度对蒸发式冷凝器传热传质的影响很大，循环水温
度降低1.1-2.0℃，在相同操作条件下，冷凝器的传热传质系数可以分别提高
7.2%-16.9%和34.5%-63.4%。

在板间加装填料进行传热，增加了气液两相的
接触面积，提高了空气与喷淋水间的传热传质，有效的降低了循环水温度和产品成本，从而提高了设备的传热性能和经济性。

2.套管蒸发式冷凝器的理论研究:
套管蒸发式冷凝器是一种新型的换热器，它结合了套管式冷凝器和蒸发式冷凝器的优点，具有节水，节能，传热能力比蒸发式冷凝器更强的优点，更利用了换热空间，使得传热能力大大增强。

在相同情况下，它的热流密度大约为蒸发式冷凝
器的1.5倍。

正太集团开发的套管蒸发式冷凝器经试验证明机组性能系数达4.5一5.0，比现有机组高20%一85%，水泵配置电机。

一功率减少30%60%
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图套管蒸发式冷凝器换热管结构示意图
套管蒸发式冷凝器结构及工作原理:套管蒸发式冷凝器所用的换热管由管和外管组成，比普通的蒸发式冷凝器的换热管部多了管，更充分地利用了部的换热空间，使得制冷剂的一部分热量可以传递给管中的冷却水。

考虑到制冷剂在水平管(外管)凝结时会形成分层流，为了防止管被外管下部液池所淹没，该套管式结构采用了偏心布置(管在外管圆心偏上)。

冷凝器运行时，高温高压的制冷剂蒸气进
入外管形成的环形通道，在管的外壁和外管的壁凝结，将热量传递给管中流动的冷却水和喷淋到外管外壁上的冷却水膜。

而外管外壁上冷却水膜与空气之间的热质传递过程与传统蒸发式冷凝器相同。

显然，这种套管式的换热盘管结构使得在同样的换热体积比单管结构多出了管部分的换热面积，从而较传统的单管结构的
蒸发式冷凝器具有更为紧凑的结构，具备了在商用空调制冷系统中应用的条件。

同时，这里的管可以采用外壁具有微肋强化表面的高效铜管，外管则可以采用壁具有微肋强化表面的高效热浸锌钢管，进一步提高该冷凝器的紧凑度，并解决了换热管束的腐蚀问题。

整个运行过程为:集水槽中的冷却水用循环水泵先送到换热管中的管，与制冷剂
蒸气进行一次热交换，循环冷却水沿管道再经离心式喷嘴，喷淋到蛇行换热管组的上面，形成一层水膜覆盖在换热管的外表面，水受热后一部分变成蒸汽，以潜热的形式带走热量，其余的水沿蛇行管外表面流下，并汇集于下部的集水槽，经水泵再送到冷凝管中的管使用，如此循环。

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