文 献 综 述

1. 研究背景

冷凝器是制冷系统主要的热交换设备之一，其作用是将压缩机排出的高温、过热蒸汽冷却成为液态制冷剂。常用的冷凝器按其冷却介质同和冷却方式一般可分为三种类型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、蒸发式及淋水式制冷剂在管内冷凝，管外同时受到水及空气的冷却^[1]。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高低又影响压缩机压缩过程的耗功和制冷效果，因此，正确的选型与配置冷凝器，应该引起我们的重视^[2]。

空气冷却式冷凝器由于冷却效果较差、冷凝温度较高，故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，以住我们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耗功均较大的缺点^[3]。

冷凝冷却技术在工业、商业和民用领域应用广泛。同时，冷凝冷却设备也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%。此外，随着社会的发展和人们生活水平的高，建筑空调用电正逐渐成为耗能大户，并成为引发近几年夏季用电紧张的主要因素。在能源日益紧张、水资源短缺的情况下，开发和推广节能节水型设备，减少冷凝冷却设备的能源和资源消耗，极具现实意义^[4]。目前的冷凝冷却技术按其使用的冷凝冷却介质分要有空冷式、水冷式和蒸发式（空气和水联合冷却）3 种。空冷式冷凝器一般采用翅片管式换热器，主要在中小型空调系统使用，而在热泵机组中，常将空气作为冷、热源，因此也常采用空冷式冷凝器^[6]。空冷式冷凝器传热系数低（25～35 W#183;m^-2#183;℃^-1），体积和质量庞大，冷热两用是其最大优势；维护管理简单，初投资低；冷凝温度比环境温度高12～20 ℃，系统运行费用相对较高；较高的压缩比也缩短了压缩机的使用寿命水冷式冷凝器在大中型空调制冷机组和工业制冷中使用普遍，主要优点是结构紧凑，传热系数高（大型工业用氨制冷系统多用光管，传热系数800～1050 W#183;m^-2#183;℃^-1；空调一般为R22 系统，普遍采用内螺纹管，传热系数930～1600 W#183;m^-2#183;℃^-2），系统性能也较高；由于水资源的短缺，冷却水一般循环利用，必须配备冷却塔，因此初投资较大；大量的冷却水使水泵耗功量大，增加了水处理费用。蒸发式冷凝器是一种融合了空冷式、水冷式和冷却塔的紧凑式换热器，主要靠水分的蒸发散热，理论上只需水冷式冷却水量的1%左右的蒸发水量即可带走同样的热量，实际循环水量由于要保证布水效果和循环水温的恢复，一般为水冷式的10%～30%，加上蒸发式冷凝器的水只是在冷凝器设备内循环，因此水泵功率只有水冷式冷却塔系统的1/8～1/4，水质处理费用比水冷式低，同时设备占地面积也减少。此外，蒸发式由于其采用的散热方式与前两者的显热方式不同，主要靠潜热散热，冷凝温度比空冷式低8～14 ℃，比水冷式低3～6 ℃，系统能耗^[7]。少和效率高而日益受到关注，成为近年来国内发展最快的冷凝冷却设备。目前开发的圆管蒸发式冷凝器传热系数可以达到800～1000 W#183;m^-2#183;℃^-1。在石油、化工、化肥、纯碱、啤酒、饮料、冷藏、食品、建筑等很多工业应用场合，蒸发式冷凝器正逐步替代水冷式冷凝器，并开始往民用空调领域拓展^[8]。

2. 国外研究现状

由于蒸发式冷凝器传热过程涉及多相流，并伴随着质传递，其传热机理极为复杂，因此一直是国内外的研究热点。在国外，对于蒸发式冷凝/冷却技术的研究已有很长的一段历史^[9]。早在20 世纪五六十年代，美国、加拿大、澳大利亚等国家就已经对此进行了多方面的研究，并取得了一定的成果；但当时的研究工作尚不够细致，并且由于新兴制冷工业的兴起，使得此项技术的研究未能得到进一步发展；70 代出现的能源危机使得蒸发冷凝冷却技术的应用逐渐得到重视；80 年代以来，当发现对人类生存构成巨大威胁的灾难性气候都和空调制冷行业有关后，蒸发式冷凝冷却技术等利用自然条件取得冷量的被动式供冷技术得到了迅速的发展^[10]。美国ASHRAE 早已成立了名为”蒸发冷却”的技术委员会，还制定了一个新的标准《额定间接蒸发冷却器的实验方法》。美国、澳大利亚、以色列等国家分别研制出针对不同气候条件及用途的多种形式的蒸发冷凝冷却产品及设备，并将其应用于不同的系统和场所，取得了良好的效果。蒸发冷却理论的形成可上溯到道尔顿的蒸发理论^[11]。1802 年，道尔顿综合考虑空气温度、湿度、速度对蒸发的影响，提出了道尔顿定律，从此蒸发的理论计算有了明确的物理意义和依据。Nusselt 在1916 年对光滑平板上层流下降液膜进行理论模拟，忽略界面波动和气相剪应力的影响，通过求解降膜动量和能量方程，得到液膜传热膜系数，并得到了液膜厚度。降膜蒸发理论的提出促进了蒸发冷却和蒸发传质理论的研究^[12]。

3. 国内研究现状

国内最早研究蒸发冷技术始于20 世纪80 年代，在引进国外技术标准的基础上由当时的机械工业部颁布了国内第一个有关蒸发式冷凝器的技术标准《蒸发式冷凝器的型式和基本参数》（1982）。但由于当时国内的制造水平和对节能节水应用技术意义的认识不足，该技术并未在国内引起足够的重视，相关的理论与实验研究文献也不多见，只有大连理工大学、西安交通大学和上海交通大学等为数不多的几家单位对此有过研究和探索。研究的重点也仅限于设备的选型和设计、系统的实验研究以及热工性能研究^[13]。

90年代后期，随着国家和企业对节能节水的重视，对非饱和蒸发冷却技术的研究逐渐增多起来，研究的内容也更加深入^[14]。在理论研究方面，蒋常建等以管内走工艺水的横流式蒸发冷却塔为研究对象，借鉴王铁军的逆流式冷却塔热力计算的数学模型，提出了一种准三维的计算方法；定义了一系列量纲为1参数，通过计算得到了横流式E-NTU的关系线图；讨论了各种参数对其热力性能和E-NTU关系的影响。王东屏对用喷淋蒸发翅管式冷凝器的传热过程进行了分析，建立了传热传质数学模型。唐伟杰通过对带预冷盘管的蒸发式冷凝器传热传质过程进行分析，得到了冷凝盘管外冷却水温度和冷却空气焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表达式，郝亮等采用分布参数法对蒸发式冷凝器建立了数学模型，并进行了数值计算，以及对制冷剂温度和热流密度的沿程分布情况和入口空气状态变化、配风量和配水量对换热器性能的影响进行了模拟分析。刘焕成参照美国ASHREA 标准对下进风上排风（即风水逆流式）并采用圆管换热器的蒸发式冷凝器系统进行了实验测试，分析了冷凝温度、空气进口湿球温度、风量和喷淋水量对氨蒸发式冷凝器单位面积热负荷的影响，同时验证了在不同工况下氨蒸发式冷凝器冷凝能力变换曲线的可靠性；实验结果还表明，当氨蒸发式冷凝器的结构尺寸确定以后，在影响单位面积热负荷的各种因素中，冷凝温度和空气的进出口湿球温度最为显著，其次是迎面风速，影响最小是淋水量；并指出设计时采用较大风量和较小的喷淋水量是合适的。刘宪英等对蒸发式冷凝技术应用于家用空调系统的效果性进行了试验研究。史一忠等则分别从不同角度对蒸发式冷凝器换热盘管的防垢除垢方面进行了分析和论证。在系统比较和经济分析上，王振辉等对目前国内几种冷凝器形式和特点进行了比较，认为蒸发式冷凝器在内地有着明显优势，对节能具有重要意义^[15]。郭胜江通过系统分析认为蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中是可行的。崔海亭等则通过工程实例总结从实践上证明了蒸发式冷凝器在工业冷却应用中具有良好的经济性。总体说来，国内对蒸发式冷凝冷却技术的研究主要体现在实验分析与应用比较，模拟计算所用的理论模型主要借鉴了国外蒸发理论，模拟采用的一些经验公式也各不相同，模拟与实验结果仍有一定距离。国内外对蒸发冷的理论研究也表明，要精确描述其传热传质过程，尚有许多工作要做^[16]。