对蒸发冷凝器性能实验与应用研究进展

由于蒸发冷却冷凝技术的优点明显，蒸发冷却设备早在20世纪70年代就得到了广泛的应用，前期的研究也主要集中于设备尺度的研究，并从热力学、节能和节水角度论证了蒸发 式冷却技术相对于其他冷却技术的优势，但研究中偏重于设计（包括传热膜系数计算）、优化、控制、传热传质过程强化及应用等方面的问题。

1952年，S．G．Chuklin提出了蒸发式冷凝器管内制冷剂冷凝设计的普遍化方法。

1962年，Parker和Treyball发现，1960以前模型假定喷淋水温恒定是矛盾的，并利用 传热系数U和传质系数K作为评价参数，假设刘易斯( Lewis)关系式成立的情况下，提出 了蒸发式冷却器新的数学模型。再通过对管内外流体5种不同的组合实验，得到了传热膜系 数的关联式。他们发现，用传热传质类比法得出的传质系数与实际值有一定偏差。Parker和 Tl-eyball的工作为今后蒸发传热传质理论和实验研究奠定了基础。

1967年，Mizushima等人通过变化风量和水量对蒸发式冷却器进行实验研究，分析了铜 管换热管及其内外3种流体间的分传热膜系数，利用水膜和空气Re数关联出了经验计算公 式，并与现有公式进行了比较，即管外水膜传热系数公式比Parker和Treyball的结果 高30%。

1 973年，日本的尾花英郎在水科笃郎等人提出传热膜系数经验公式的基础上，比较系 统地介绍了蒸发式冷却器的设计方法，并作出了以氨为工质，冷却温度在60~lOO度范围内的传热效率对传热单元数的一系列图表。

1975年，S．G．Chuklin对具有润湿薄膜换热表面的平板型蒸发式冷凝器进行了实验研 究，指出盘管型蒸发式冷凝器的缺点是管间风速很难很过3.5 m/s；阐述了水膜温度与湿球温度之差是传热传质的推动力，并据此给出了简化的传热膜系数公式；对空气速度、湿球温度及水膜温度进行考察后，得出其冷凝温度与水膜温差一般在3—4℃，且水膜温度提高2度 则表面热流密度需增加25%；湿球温度为22℃时，平板型蒸发式冷凝器表面热流密度达 2.8 kW／m2。

1 979年，Leidnfrost等人在假定刘易斯数(Le)等于1的情况下，给出了板翅式和盘管式蒸发式冷凝器性能评估的分步计算方法。

1 983年，Urivel Fisher、Wolfgang Leidenfrost和JiashangLi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。此外，还共同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，应用效果良好。

1984年，Perez-Blanco和W．A．Bird对竖直光滑管蒸发式冷却器（管外为无相变热流体，管内为喷淋水膜和气流间蒸发作了传热传质实验研究。指出蒸发式换热设备的两个特点是：①传质带动传热；②理论上可将介质冷却至湿球温度。利用汽液界面处的传热传质关联 方程法建立了传热传质过程的模型，并进行了单管模型的实验验证。结果表明，控制热阻在空气一水交换界面的发生，是强化传热机理研究的着手点。他们还建立了适用于光滑竖直管 蒸发式冷凝器性能汁算的经验关联式，该竖直管表面热流密度在2.2~4. 2kW／m2之间。 1985年，RaJphL Webb和AleiandroVillacres在ASHRAE的资助下得出了蒸发式换热器 （凉水塔、流体冷却器及冷凝器）性能模拟的计算机算法，此算法可应用于工业设备及各种操作工况下的性能核算，且其计算结果与制造厂家BAC（美国巴尔第摩）提供的数据相差仅在±3%以内。

1988年，Erens P J对几种蒸发式冷却器芯体的设计方案作了探讨和模拟计算，发现在蒸发式冷却器壳体内芯体添加塑料填料( Munter)后可显著增强光滑管冷却器的传热性能， 而毋须使用成本很高的翅片管来增加传热面积。

1988年，Peterson D等人综述了蒸发换热设备数学模型的发展过程，指出了各个文献间的矛盾和不统一性，在修正Park和Treybal分析方法的基础上，建立了蒸发式冷凝器的简单 一随观分析模型，并利用制冷剂R22在工厂蒸发式冷凝制冷系统中进行了实验研究。实验结果表明，热负荷比预测值低30%，喷淋水温低3℃，若总传热系数U乘以1.9的系数则可达 到较好的预测效果。同时还发现，传热传质系数与喷淋水关系不大，只是在较低流量即尚未 达到完全润湿的情况下才有影响。

1 989年，上海交通大学进行了氨蒸发式冷凝器热工性能实验。结果表明，冷凝温度和空气湿球温度对单位面积热负荷影响较大，其次为迎面风速，喷淋水量影响较小。得出了不 同工况下冷凝能力换算曲线，且可应用于实际工程计算。在标准工况下，其单位面积热负荷为1.6kW／m2，与当时日本和前苏联产品相当。

1989年，兰州石油机械研究所介绍了蒸发式冷却器的基本原理及结构特点，指出蒸发式冷却器分为上下两段，上部以传热为主，下部以传质为主，下部可采用填料增加传质面积，强化传热传质。分析了使用中结垢的原因，介绍了蒸发式冷却器的一维单元设计方法， 指出应以电子计算机设计为主。

1 990年，哈尔滨空气调节机厂与广东茂名石化公司合作开发研制了带有翅片预冷器的 ZL - 250蒸发式冷却冷凝器，并在我国首次应用于炼油行业，总结了其节能、节水及经济性 优点。

1990年，北方交通大学给出了蒸发式冷凝器的计算机辅助设计计算方法，其误差可控 制在1%以内。得出了适宜的风速为3．O~3. 5m/s，以及合理的配风量和配水量。

1990年，上海交通大学把蒸发式冷凝器中的冷凝温度与水膜平均温度之差转化为焓差， 导出了不含水膜温度的单位面积负荷的简化计算公式，与试凑法和图解法相比大大简化了计算过程，且与其实验结果相当接近。

1991年，胡元刚介绍了蒸发式排管冷却器的结构特点，分析了横流式蒸发式冷却器的设计计算方法，对比了使用效果和投资优势。

1 997年，重庆大学刘宪英教授等人对蒸发式冷凝器在房间空调器中的应用进行了实验研究，结果表明，采用蒸发式冷凝器可使房间空调器的能效比( EER)提高50%-70%。

1997年，Faishl I等人对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究。结果表明，带有凉水塔的两步式蒸发冷却器要比没有凉水塔的系统具有更高的换热效率，也优于一步、直接接触 式蒸发冷却器。

1998年，Wittek指出了蒸发冷却的非线性特性，着重研究了冷却设备结构对蒸发冷却的影响，并指出了结构强化传热传质的方向。

1 999年，蒋常建等人对光滑铜管管束和翅片铜管管束横流式蒸发冷却器进行了传热传 质实验，根据焓差法的Makerl方程得出容积散质系数（传质系数）。结果表明，空气流速对 传质系数影响远大于喷淋水量，且低翅片管束可增加传质系数20%—30%。

2000年，波兰Wojciech Zalewski等人建立了蒸发式换热器的重量、部件尺寸几何参数 和设备费用模型以及风机和水泵操作参数和费用的模型，并据此进行了优化设计及实验验 证，以较小的费用达到较佳的冷却冷凝效果。结果表明，换热管长度和盘管高度对性能影响 较大，是管外径的1.3倍，管间距的20~33倍；管内热流体和空气湿球温度差影响较大， 是风速的7倍，是喷淋水密度的30倍。

2000年，葡萄牙Jorge Facao等研究了建筑空调用闭式冷却塔的热力性能，得到了传热 ‘ 传质实验关联式，并与Mizushima的结果进行了比较。发现将新的关联式应用于现有模型 后可得出比较满意的结果。

2001年，美国Hwang等人对转盘蒸发式冷凝器进行了实验研究。实验严格按照 ASHARE的测试条件进行，使用的制冷剂是氟利昂R22，通过实验优化了转盘速度和系统的 操作参数。另外，还对9kW的家用空调使用此蒸发式冷凝器进行了计算机模拟。转盘型蒸 发式冷凝器同传统的风冷式冷凝器相比较，冷凝负荷提高了1. 8%~8.1%，COP值提高了 11. 1%～21. 6%，SEER值提高了14. 5%。

2001年，美国K．A．Manske等人对蒸发式冷凝器在工业制冷系统中需要不同蒸发温度 的使用场合进行了研究，对系统中的各部件建立了模型。仿真计算结果表明，进行优化设计 和控制的蒸发式冷凝器制冷系统每年可节约能耗11%以上。他们在总结了蒸发式冷却技术 工业应用成果的基础上，指出其湿球温度、冷凝温度、风机及水泵动力控制是影响蒸发式冷 却效果的较关键因素。

2001年，Hisham M．Ettouney等人对蒸发式冷凝器（采用两组翅片管+填料的结构形 式）的性能进行了实验研究，且与风冷式冷凝器进行了比较。结果表明，蒸发式冷凝器系 统的效率介于97%-99%之间，而风冷式冷凝器系统的效率介于88%～92%之间。系统效 率随水一空气比例L/G的减小及管内蒸汽温度的升高而提高。

2002年，华南理工大学教授朱冬生教授等人进行了用交变曲面波纹管代替光管和椭圆 管的试验。初步实验表明，它能有效增加水膜在管表面的覆盖面积，加速水膜更新速率，能 有效强化蒸发式冷却的传热传质过程。

2003年，芬兰Ala Hasan和Kai Siren对φ10mm光管和板翅铜管蒸发式冷却换热器的性能 在相同操作条件下进行了实验研究和比较。结果表明，传热系数Uo分别为1100W．m -2.k-1 428W．m-2．K-1，但由于翅片管总传热面积为光滑管的4倍，一定的管束容积和相近的能 量指数（表征热一动力特性）下，翅片管传递热量比光管高92%一140%通过实验还分别 得到了传质系数关联式，并与Parker Treybal，Mizushina，Miitsu等人的关联结果进行了 比较。

2003年，上海交通大学对户式空调蒸发式冷凝器各种影响因素进行了实验研究和热质 交换规律分析。结果表明，对于φlOmm的盘管装置，较小喷淋密度为0.0484kg．m-2S-1， 较小截面风速的较佳值为2.6~2. 9m/s。湿球温度通过影响进口空气焓值对热质交换产生 作用。

2003年，王铁军等人建立了经济技术模型，并对制冷装置的冷凝器选型作了运行期经 济效益分析计算。结果表明，采用蒸发式冷凝器辅助功耗比水冷式和风冷式节约1/3，循环 水量比水冷式减少1/2，压缩机功耗减少5% ~30%，可大幅节约运行费，间接产生较大的投资回报。

2004年，芬兰Ala Hasan和Kai Siren对椭圆光管和圆管蒸发式冷却器在相同操作条件下 进行了性能比较的实验研究，表明椭圆管的平均传质Corbum因子Jm是圆管的84%，平均摩 擦因子f是圆管的46%，而椭圆管的传质因子与摩擦因子的比率jm/f是圆管的1.93~1.96 倍，这意味着椭圆管有更好的热力和水动力特性。

2004年，土耳其M．Hosoz和A．Kilicarslan对风冷、水冷和蒸发冷的制冷系统性能进行 了实验评估比较。结果表明，使用蒸发式冷凝器的系统制冷能力和COP值比风冷式的分别 提高31%和14.3%。

2005年，华南理工大学对咖16mm铜盘管蒸发式冷凝器进行了传热传质理论分析和实验 研究，实验分析了传热传质的各种影响因素，并得到了实验关联式。

2005年，沙特Bilal A．Qureshi等建立了蒸发式冷凝器污垢模型，结果表明，循环水温 度比进口空气湿球温度更能体现蒸发式冷凝器的性能，污垢对传热性能的影响较高可达 75 %，且结垢也因湿球温度降低而使性能提高程度降低。

2005年，周景锋等人对应用于海水淡化系统的蒸发式冷凝器进行了实验研究。试验表 明，它是一种高效、节能并适合家庭使用的小型海水淡化装置。

2005年，刘彦军对浸没管束蒸发冷却过程的换热和阻力特性进行了实验研究，主要考 察了不同空塔速度、热流密度和管束排布方式对换热系数和空气阻力的影响。

2006年，沙特Bilal A．Qureshi等人综合并研究了蒸发式冷凝器数学模型，并将污垢模 型综合在内进行性能评估。结果表明，污垢水平p=0. Ol时，设备换热性能下降66.7%。 之后还对蒸发式冷凝器进行了敏感性分析，表明冷凝温度是较敏感的因素。

2006年，华南理工大学对蒸发式冷凝器管外流体流动与传热传质性能和机理进行了研 究，丰富了蒸发式冷凝器研究的理论体系。

2006年，华南理工大学朱冬生教授等人对蒸发式冷凝器强化性能进行了研究，建立了 试验平台，测试了风速和喷淋密度的影响。此外，还进行了利用填料强化传热传质性能的 试验。 2006年，王铁军对喷淋蒸发翅管式冷凝器进行了传热传质分析，建立了传热传质数学 模型和设计计算方法，简要分析了环境温湿度、管翅结构、风速及淋水量等一些主要因素对 传热传质性能的影响。 2007年，沙特Bilal A．Qureshi等人研究了蒸发换热设备的蒸发损失，依据生产商BAC 推荐的经验公式，得出预测值与模拟结果比较一致，较大误差在4%，大部分情况下低于 2%。同时，基于热力学第二定律，分析了蒸发换热设备的热动力特性。