第１４卷第４期 ２ ０ １ ４年４月 剖垮 室谰 ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴ１０Ｎ ＡＮＤ ＡＩＲ～Ｃ０ＮＤＩＴ１０ＮＩＮＧ 蒸发式冷凝器新型设计计算方法 尹凯杰¨ 王任远 ”（机械工业第六设计研究院有限公司） 摘 要吴金星 ’ （河南机电高等专科学校）”（郑州大学） 蒸发式冷凝器的现有设计计算方法都比较繁琐，需要多次的查表和迭代。本文通过对现有计算方 法的改进，提出一种简单快捷的设计计算方法——改进型温降法；在相同的设计参数下，通过实例与曲线相 交法进行比较，传热面积汁算误差在５ 以内，满足工程要求。 关键词 蒸发式冷凝器；改进型温降法；曲线相交法；设计计算 Ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｙｉｎ Ｋａｉｊｉｅ’ Ｗａｎｇ Ｒｅｎｙｕａｎ Ｗｕ Ｊｉｎｘｉｎｇ。 ”（Ｎｏ．６ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｐｌａｎｎｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ） 。 （Ｈｅｎａｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ） ’（Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｕｓｕａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔａｂｌｅ ｌｏｏｋｕｐ ａｎｄ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｑｕｉｃｋ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ“ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｍｅｔｈｏｄ”．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅ— ｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ ｉＳ ｗｉｔｈｉｎ ５ Ｔｈｅ ｒｅｓｅｕｌｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｍｅｔｈｏｄ；ｃｕｒｖｅｓ ｉｎｔｅｒ— ｓｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ 常见的冷凝器有３种形式：空冷式冷凝器、水 冷式冷凝器和蒸发式冷凝器，均有各自的特点和 适用范围。其中蒸发式冷凝器是公认的具有节能 节水优点的高效换热设备，在发达国家已得到了 之间的冷凝温降，以蒸发式冷凝器传热传质的基 本公式为依据进行计算；以风量为变量，通过调节 风量改变传热传质状况，使得在假设的冷凝温降 条件下，由管内热流密度折算得到的管外表面热 流密度与以外表面为基准的热流密度相等，满足 能量守恒。其假设的合理性由风量是否在可接受 的范围判定。 此种方法以风量是否在可接受范围内判定其 广泛的应用。美国和加拿大的６２家冷库的制冷装 置中，蒸发式冷凝器的应用占８１ ，远远超过其他 形式冷凝器所占份额的总和［１］。 目前对于蒸发式冷凝器的设计计算方法并不 是很多，而且不够精确。常用的有单位面积冷负 假设的合理性，修正了温降法以风量为定量，以能 量守恒为判定依据的迭代思想。由于风量的改变 通过风机调节很容易实现，且有一定的范围，因此 迭代次数将会大大减少。 荷估算法、概算一校核法 ］、曲线相交法口 及温降 法ｌ＿４ｊ。这几种算法的传热过程计算需要查询大量 的图表及计算公式，或是需要多次迭代计算，每次 计算所需时间较长，且精度难以保证。笔者提出 一该算法主要计算步骤如下： １）管内冷凝放热系数ａｉ（ｗ／（ｍ ・℃）） ］ 种新型的算法——改进型温降法。 １ 改进型温降法介绍 当换热管水平布置时： 若制冷剂为ＮＨ。， 改进型温降法的思路为：假设制冷剂到壁面 收稿日期：２０１３－Ｉ）７—１５ 作者简介：尹凯杰，硕士研究生，主要从事换热设备的强化传热研究。 剖ｄ ＝２ １１６△ ｄ 痔 （１） 室调 ｑｏ＝ ｑ。 第１４卷 （１２） 若制冷剂为Ｒ２２， ５５５（ ） 当换热管竖直布置时， １０）湿空气平均焓值ｈ 和空气侧出口焓值ｈ （ｋＪ／ｋｇ） ｈｍ＝ｈ 一 ｑｏ Ｃｐ （１３） （１４） ８５ ９ Ｒｅ＂・Ｐ （ ） （３） ｈ２＝２ｈ 一ｈ 式中：△ 为假设的制冷剂侧冷凝温降（℃）；ｄｉ为 冷凝管内径（ｍ）；Ｂ为集合物性参数（Ｗ。・Ｎ／（Ｉｎ ・Ｋ ・ｓ））；ｚ为管子的高度（ｍ）；Ｒｅ”和Ｐｒ”分别为 饱和蒸气状态下的雷诺数和普朗特数。 ２）管内冷凝热流密度ｑ，（Ｗ／ｍ ） ｑ ＝∞Ａｔ （４） ３）通过管内壁油膜温降Ａｔ （℃） Ａｔｙ ｑｉｒｉ （５） 式中 为油膜热阻（ｍ ・Ｋ／ｗ）。 ４）通过管壁导热的温降Ａｔ （℃） Ａ￡ ｇ． ｄｉ ｒ （６） 式中：ｄ 为管子平均直径（ｍ）； 为管壁热阻（ｍ ・Ｋ／Ｗ）。 ５）通过管壁表面水垢温降Ａｔ （℃） ｑ， ｒ。 （７） 式中：ｄ。为冷凝管外径（ｍ）；ｒ０为水垢热阻（ｍ。・ Ｋ／Ｗ）。 ６）通过水膜温降Ａｔ （℃） ｑ， ｒ （８） 式中ｒ 为水膜热阻（ｍ。・Ｋ／Ｗ）。 ７）管外水膜表面温度ｔ （℃）与水膜表面饱和 水蒸气焓值ｈ （ｋＪ／ｋｇ）Ｌ６ ｔｗ＝ｔｋ一（Ａｔ ＋△￡ ＋△ 。＋△ 。＋Ａｔｗ） （９） ｈ ＝１．００Ｓｔ ＋ｄ （２ ５０１＋１．８６ｔ ） （１０） 式中：ｄ 为水膜表面饱和水蒸气含湿量（ｋｇ／ ｋｇ干空气）。 ８）空气侧显热放热系数ａ （Ｗ／（ｍ ・Ｋ）） ａ ＝０．８８ｃ＿Ａ Ｒｅ Ｐｒ （１ １） 式中：Ｃ和ｍ均为与管簇排列方式及雷诺数有关的 参数 。 ；Ｒｅ和Ｐｒ分别为空气平均温度下的雷诺数 和普朗特数； 为空气平均温度下的导热系数（ｗ／ （ｍ・Ｋ））。 ９）以管外表面为基准的热流密度ｑ。（Ｗ／ｍ ） 式中：Ａ为与水膜温度ｔ 有关的系数 。 ； 为由于 水的飞溅和水膜的波动所增加的面积系数，取１．３ ～１．５；ｈ 为进出冷凝器的湿空气平均焓值（ｋＪ／ ｋｇ）；ｈ 为空气进口焓值（ｋＪ／ｋｇ￣；ｃ 为空气的定压 比热容（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））。 １１）所需空气流量Ｇ （ｋｇ／ｓ）及配风量Ｖ （ｒｎ’／ （Ｓ・ｋＷ）） Ｇ ： （１５） ｎ２ 凡１ 式中Ｑ 为冷凝器热负荷（ｋｗ）。 则配风量为 ６） 式中｜Ｄ 为空气密度（ｋｇ／ｍ ）。 １２）所需换热面积Ｆ（ｍ ） Ｆ： （１７） ｑ。 ２不同算法计算ｔ匕较 在现有的计算方法中，曲线相交法是一种经 典的算法，其缺点是计算量大且需要拟合数据作 曲线图，读图容易引入误差，但精度相对较高。 本节在相同的设计条件下通过实例分别用改进 型温降法和曲线相交法进行设计计算，通过计算 结果的比较验证改进型温降法的合理性和准 确性。 ２．１设计原始参数 制冷剂选用ＮＨ。，热负荷Ｑ。＝１００ ｋＷ，冷凝 温度ｔｋ＝３８℃，循环水量 ＝０．０１５ ５×１０ ｉｎ’／ （Ｓ・ｋＷ）。 进口空气：干球温度ｔ ＝３２℃，湿球温度ｔ ＝２７ ℃，焓值ｈ ：８５．５７ ｌｄ／ｋｇ，含湿量ｄ ＝２０．８ ｋｇ／ ｋｇ干空气，密度 ＝１．１２ ｋｇ／Ｈ１３；风速 ＝３．０ ｍ／ｓ。 蛇形管选用 ２５ ｍｍ×２．０ ｍｍ无缝钢管，叉 排正三角形排列，水平布置，横向间距ｓ ＝５０ ｒａｉｎ， 纵向间距ｓ２：４３ ｍｍ。 ２．２改进型温降法计算结果 制冷剂侧冷凝温度与壁面温差Ａｔ ＝０．４７℃， 按改进型温降法进行计算，结果如表１所示。 第４期 尹凯杰等：蒸发式冷凝器新型设计计算方法 表１ 改进型温降法计算结果 计算内容 管内冷凝放热系数ａ ／（ｗ／（ｒｒｌ ・℃）） 管内冷凝热流密度ｑ．／（ｗ／ｍ ） 通过管内壁油膜温降Ａｔ ／￣Ｃ 通过管壁导热的温降△￡ ／￣Ｃ 通过管壁表面水垢温降 通过水膜温降△￡ ／￣Ｃ 管外水膜表面温度ｔ ／＊Ｃ ／￣Ｃ 计算结果 ６ ３０４ ２ ９６３ １．１８５ ０．１ １４ １．４９３ ０．７４７ ３３．９９ 计算内容 水膜表面饱和水蒸气焓值＾ ／（ｋＪ／ｋｇ） 空气侧显热放热系数ｄ ／（Ｗ／（ｍ ・Ｋ）） 以管外表面为基准的热流密度 ／（ｗ／ｍ ） 空气侧出口焓值ｈ ／（ｋＪ／ｋｇ） 所需空气流量Ｇ ／（ｋｇ／ｓ）配风量Ｖ ／（ｒｒｔ ／（Ｓ・ｋＷ））所需换热面积Ｆ／ｍ。 计算结果 １ ２３．９ ７１．９１ ２ ４８９ １０９．４８ ４．１ ８２ ０．０３７ ３ ４【）．１８ 根据ＪＢ／Ｔ ７６５８．５—２（）（）６＿８ 规定，蒸发式冷凝 整配风量的大小实现管内热流密度折算得到的管 器的名义配风量Ｖ＝２２（）ＩＴＩ ／（ｈ・ｋＷ）＝０．０６１ ｍ。／（Ｓ・ｋＷ）。美国蒸发式冷凝器关于配风量的 经验数据为Ｖ ０．０３ ｉｎ ／（ｓ・ｋｗ） ］。 值介于 Ｖ和Ｖ 之间，属于可接受值，因此不需再次迭代。 ２．３ 曲线相交法计算结果 因为要与改进型温降法进行比较，所以该部 分原始参数与改进型温降法取相同的值，配风量 值取改进型温降法的计算值。采用曲线相交法主 要计算结果如表２所示。 表２ 曲线相交法计算结果 ２．４两种算法计算结果比较 由于曲线相交法较为经典，且误差较小。因 此采用以曲线相交法为基础对二者的传热面积计 算结果进行比较。 两种算法计算的面积误差为 △： ×１ｏｏ％ ： 二 Ｊ＿×１（）（】％４ １．９０ ＝４．１ ＜５ 应用中有很多因素会影响蒸发式冷凝器实际 需要的传热面积，如空气湿球温度、冷凝压力、冷 凝温度等，这些因素在工程应用中的影响一般认 为在１０ ９／６内即可接受。 在相同的设计条件下，笔者按改进型温降法 计算与按曲线相交法计算的传热面积误差小于 ５ ，因此可以认定改进型温降法是合理的。 ３ 结论 １）改进型温降法以配风量为因变量，通过调 外热流密度和以管外表面为基准的热流密度相 等，满足能量守恒。而且这种算法大大降低了迭 代次数。 ２）通过计算比较得到，在相同的设计条件 下，改进型温降法和曲线相交法得到的传热面 积误差小于５％，从而验证了改进型温降法的合 理性。 改进型温降法的迭代计算以配风量是否在可 接受的取值范围为判定依据。而配风量具体的可 接受范围，则需要根据工程实际需要和经济性要 求进行设定。本算法尚未在工程中得以实际应 用，配风量的取值范围有待进一步研究。 参考文献 ［１］张建一，秘文涛．氨制冷装置用蒸发式冷凝器的实际 能耗研究［Ｊ］．制冷学报，２００７，２８（５）：３６—３９． ［２７王少为，刘震炎．一种蒸发式冷凝器的新型设计方法 ＦＪ７．制冷与空调，２００２，２（４）：３１—３５． ［３］张祉佑．制冷原理与制冷设备［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９８７：２２６—２３２． Ｅ４３ 洪兴龙，李瑛．蒸发式冷凝器的设计选型及在氨制冷 系统中的应用［Ｊ７．流体机械，２０（）６，３４（２）：８０—８３． ［５］彦启森．空气调节用制冷技术［Ｍ］．北京：中国建筑工 业出版社，２００４． ［６］ 沈维道．工程热力学［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２００１． ［７］杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，１９９８． Ｅ８］ＪＢ／Ｔ ７６５８．５ ２（）（）６氨制冷装置用辅助设备 第５ 部分：蒸发式冷凝器［ｓ］． ［９］Ｗｉｌｂｅｒｔ Ｆ Ｓｔｏｅｃｋｅｒ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｈａｎｄ— ｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｍｅ—Ｇｒａ Ｈｉｌｌ，１９９８．