4.2.2.2 制冷系统中的换热设备-冷凝器（2）在线视频

除水冷式 风冷式冷凝器外

还有一种 融这两种冷凝器优点

于一体的冷凝器形式

这就是 蒸发式冷凝器

这里给出了 蒸发式冷凝器的结构示意图

它主要由 设置在一个壳体内的

制冷剂通道 水循环回路

以及风系统三部分组成

它利用盘管外侧喷淋冷却水

蒸发时的气化潜热

使盘管内制冷剂蒸气实现冷凝

制冷剂通道 就是冷凝器

即为一个蛇形管组的冷凝器盘管

制冷剂 从冷凝盘管的上部进入

并与冷却水进行叉流换热

水循环回路是

处于下部水箱中的冷却水

由淋水泵提升到盘管上部的

喷淋器里喷出

喷洒在盘管外表面上

水吸收气态制冷剂放出的热量

一部分蒸发变成水蒸气

其余部分则

落入下部的水槽 循环使用

还有就是 风系统

室外空气由风机抽吸

自下而上流经盘管

这样 不仅可以强化盘管外表面的传热

而且 可以及时地带走

水蒸发形成的水蒸气

以加速水的蒸发

提高冷凝效果

为了防止空气带走水滴

喷淋管上部 往往装有挡水板

挡水板 将热湿空气中

夹带的水滴挡住

减少水的吹散损失

值得注意的是

冷凝盘管的制冷剂进口区域

也沐浴在水流中

故 这一部分的盘管表面

容易因温度较高

而出现结垢 腐蚀

这是蒸发式冷凝器存在的最大不足

由于流出冷凝盘管的空气温度 仍然较低

因此 可以在挡水板的上部

设置一组翅片管式换热器

作为压缩机排气的预冷却器

这样有利于 进一步降低冷凝温度

减少成本较高的淋水区的

冷凝盘管的面积

同时 减轻冷凝盘管的结垢程度

但由于预冷却器周围的空气湿度大

高温制冷剂仍容易

使翅片管式换热器外表结垢

为了解决防结垢和除垢的问题

我国已研发出管板结构的

蒸发式冷凝器

这种冷凝器管板

是具有一定花纹结构的

两块金属板

通过点焊而成

外部光滑 周围设置

强化换热的布水填料

并通过一定的表面处理

和合理的除垢方式

可有效地解决上述难题

目前 已研发出采用这种蒸发式冷凝器的

冷水机组 新风机组等产品

并在工程中得到良好的应用

下面 我们来介绍冷凝器的热工性能

水冷式 风冷式

蒸发式冷凝器的传热过程相似

制冷剂都经历了

降低过热 冷凝和再冷三个阶段

其中 冷凝段带走了

绝大部分的冷凝负荷

制冷剂的温度基本不变

但因存在有流动阻力

故制冷剂的温度 略有降低

在冷却介质一侧

由于水冷式

和风冷式冷凝器的冷凝过程

利用了冷却水和空气的显热

故 其温度升高

这里 以一个风冷式冷凝器为例

来看看冷凝器内的传热过程

空气的进口温度为35℃

用它来冷却

冷凝55℃的压缩机排气

压缩机排气 在冷凝器中

迅速降低到46℃的饱和蒸气

然后 逐渐冷凝成为饱和液体

再冷却成再冷液体

由于 冷凝器的冷凝过程

具有沿程阻力

故 冷凝器出口

附近的饱和液体温度为45℃

故存在有1℃对应的压力损失

可以认为

这个冷凝过程的冷凝温度

为46℃和45℃平均值

即45.5℃

从降低过热 冷凝和再冷三个阶段来看

降低过热的冷凝负荷仅占6%

再冷部分也仅占8%

而冷凝过程的冷凝负荷 则大于80%

空气吸收了冷凝盘管释放的冷凝热

包括 过热蒸气和再冷液体的热量

使其温度升高到41℃

水冷式冷凝器的传热现象 也与此相同

但 由于冷却水温度更低

所以 它的冷凝温度也更低

对于蒸发式冷凝器而言

它主要是利用 盘管外侧喷淋冷却水

蒸发时的气化潜热

而使盘管内制冷剂蒸气凝结的

故 冷却介质的温度升高幅度较小

几乎不变

从图中这个例子 可以看出

其冷却水的温度 几乎维持在31℃

而对于相同的压缩机排气状态而言

其冷凝温度显著降低

仅为41~42℃

影响冷凝器传热性能的因素

有制冷剂侧和冷却介质侧

两方面的因素

对于制冷剂侧而言

制冷剂 在冷凝器中有过热蒸气

两相状态 过冷液这三种状态

它们与管壁的换热系数

存在很大的差异

相变段的换热系数 远大于单项流体

制冷剂的凝结形式

有膜状凝结何珠状凝结

后者的换热系数大

希望能够实现珠状凝结

冷凝壁面的表面状态和积油的状态

如 粗糙度会影响液膜积聚的状态

冷冻油聚集状态 也都影响其传热性能

还有 就是不凝性气体

如 空气进入换热器内

由于其不能被冷凝

故 将聚集在冷凝器中

占据换热空间

减小传热面积

气膜 也会降低传热系数

导致冷凝温度升高

在冷却剂介质一侧

冷却介质的流速 是非常重要的因素

流速高 换热增强 减少积垢

但阻力增大

流速过高 还会产生冲刷腐蚀

流速低 流阻小

泵和风扇能耗小

但换热系数减小

还会积垢

必然存在一个最佳的流速

冷却水的最佳流速 一般为1~1.5m/s

流速过高 还会产生冲刷腐蚀

空气的最佳流速

一般在2~4m/s

再大了 也起不了作用

同时 还会增加风扇的能耗和噪声

特别需要指出的是

水冷式 蒸发式的结垢和腐蚀

风冷式的积尘和锈蚀

是影响冷凝器

传热性能的非常重要的因素

这从后面的热阻分布 就可以看出

上述因素 都将影响

各传热环节的传热系数或传热热阻

传热系数的倒数是热阻

换热器的总热阻 由冷热介质 管壁 管内侧

和管内外侧的污垢热阻构成

其中 污垢热阻是最大的热阻

占总热阻的50%以上

一般而言

水冷式冷凝器的污垢热阻

为0.018~0.05 m2℃/kW

风冷换热器的污垢系数更大

是水冷冷凝器的6倍左右

这里我们给出了

常用冷凝器传热系数K值的大致范围

风冷换热器 在50W/(m2℃)

蒸发式 则在700W/(m2℃)

壳管式和套管式 在1200~1300W/(m2℃)

板式换热器 是壳管式换热器的两倍以上

下面 我简要介绍一下

冷凝器的设计要点

这些设计要点 都比较宏观

请大家 对它有一个总体的认识

首先 应根据当地的水文和气象条件

确定所采用的冷凝器的类型

然后 通过技术经济分析确定技术方案

对于大中型系统

采用蒸发式冷凝器的综合性能

略好于水冷冷凝器＋冷却塔

且运行费更低

因此 目前在冷库制冷系统

以及化工各领域

的制冷系统中广泛应用

但 其运行维护费也较高

最后 根据冷凝器的台数

宜与压缩机的台数相对应的原则

确定其冷凝器的总换热面积

值得注意的是 冷凝器的换热面积

必须保证最大冷凝负荷的需要

故 需要预留一定的余量

冷凝负荷的大小 是冷凝器设计

和选型的重要依据

从理论上讲

冷凝负荷 等于制冷量

和压缩机输入功率之和

但是 由于压缩机壳体

气缸套和排气管 都有一定的漏热

或者采用了一定的排热措施

故 在实际情况下

冷凝负荷并不等于制冷量

与压缩机的输入功率之和

那么 制冷系统的冷凝负荷

到底等于多少呢

对于封闭式压缩机而言

由于存在自然或强制对流散热

故 冷凝负荷等于制冷量+输入功率

再减去压缩机壳体的漏热

对于开启式压缩机来讲

其压缩机的输入功率 是轴功率

由于其机头有冷却水套或者风扇

故 冷凝负荷小于制冷量和轴功率之和

工程统计表明

开启式压缩机制冷系统的冷凝负荷

采用制冷量和压缩机指示功率之和来计算

则更接近实际