冷用蒸發(fā)式冷凝器的選型與節(jié)能

作者簡(jiǎn)介： 張建一，集美大學(xué)教授/院長(zhǎng)

摘要：本文闡述了蒸發(fā)式冷凝器選型的常用方法及一般步驟。并依據(jù)國(guó)內(nèi)、國(guó)外推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，蒸發(fā)式冷凝器的單位排熱量耗功分別約為21.86 W/kW、11.12 W/kW，前者能耗約為后者能耗的2 倍。同時(shí)本文提出了蒸發(fā)式冷凝器選型的能耗核算公式，并通過(guò)實(shí)例分析了該公式的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，選用不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器，運(yùn)行能耗差異很大。本文提出的能耗核算公式，可以方便地比較不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的運(yùn)行能耗，單位排熱量耗功Φ 值最小者即為運(yùn)行能耗最小者。
關(guān)鍵字：蒸發(fā)式冷凝器；選型；能耗；公式

1 前言

蒸發(fā)式冷凝器是一種高效節(jié)能的換熱設(shè)備。由于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在美國(guó)等國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)作者對(duì)美國(guó)和加拿大62 個(gè)公用冷庫(kù)制冷裝置的調(diào)查[1]發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用約占81%，見(jiàn)圖1。
 

一般情況下，立式水冷式冷凝器的進(jìn)出口水溫差為2～3℃，臥式水冷式為4～6℃。理論上，在水冷式冷凝器中，1kg 的冷卻水能帶走8.37～25.12kJ 的熱量，而1 kg 水在35℃的常壓下汽化潛熱為2418kJ/kg。因此，蒸發(fā)式冷凝器所需的理論耗水量只為水冷式冷凝器的0.3％～1％。同時(shí)它省去了冷卻水在冷凝器中顯熱傳遞階段，使冷凝溫度有可能更接近空氣的濕球溫度，其冷凝溫度可比冷卻塔水冷式冷凝器系統(tǒng)低3～5℃，比風(fēng)冷式冷凝器低8～11℃，這大大地降低了壓縮機(jī)功耗。

同時(shí)，由于循環(huán)水量的減少，水泵的動(dòng)力消耗也明顯降低。文獻(xiàn)[2]指出蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗，與水冷式的冷卻塔相近。由于降低了水泵的揚(yáng)程與流量，泵的動(dòng)力消耗約為冷卻塔和管殼式冷凝器相結(jié)合的系統(tǒng)的四分之一。文獻(xiàn)[3]指出，蒸發(fā)式冷凝器相對(duì)于立式水冷式冷凝器可節(jié)電80％以上，相對(duì)于臥式水冷式冷凝器可節(jié)電10％左右。因此，蒸發(fā)式冷凝器受到國(guó)內(nèi)外工業(yè)制冷用戶的普遍青睞。

作者發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外不同品牌蒸發(fā)式冷凝器設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同，冷凝器系統(tǒng)的能耗差距較大。本文首先闡述了蒸發(fā)式冷凝器選型的方法，然后根據(jù)國(guó)內(nèi)外不同的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了蒸發(fā)式冷凝器的理論能耗。最后，通過(guò)典型蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品的電機(jī)配置，總結(jié)出了蒸發(fā)式冷凝器的能耗核算公式。

2 蒸發(fā)式冷凝器選型的方法

目前蒸發(fā)式冷凝器選型方法主要有兩個(gè)：一是依據(jù)冷凝器的熱負(fù)荷進(jìn)行選擇；二是依據(jù)制冷系統(tǒng)的制冷量進(jìn)行選擇。目前常用的方法主要是依據(jù)冷凝器熱負(fù)荷選型，其步驟為：

a) 確定系統(tǒng)所需的總排熱量，總排熱量為壓縮機(jī)制冷量與電機(jī)耗功之和；
b) 確定設(shè)計(jì)條件、冷凝溫度和濕球溫度；
c) 根據(jù)排熱系數(shù)圖表（由冷凝溫度和濕球溫度確定）查出負(fù)荷修正系數(shù)；
d) 系統(tǒng)的總排熱量乘以排熱系數(shù)，確定修正后的排熱負(fù)荷，選擇合適的型號(hào)；

本選型方法只適用于活塞式或螺桿式制冷壓縮機(jī)組成的制冷系統(tǒng)。如果螺桿式制冷壓縮機(jī)的油冷卻器的冷卻水是獨(dú)立的，則上面的總排熱量應(yīng)減去油冷卻器的熱量，然后再選型。

例如，已知制冷劑為 R717、冷凝溫度35℃、濕球溫度25℃、排熱量586kW，依據(jù)表1、圖2 選擇冷凝器型號(hào)。

由圖2 查得，在冷凝溫度35℃、濕球溫度為20℃的排熱系數(shù)為1.3。因此，修正后的排熱負(fù)荷為586×1.3＝761.8 kW。根據(jù)表1，型號(hào)C 的排熱量太小。故此選擇型號(hào)為D 的蒸發(fā)式冷凝器。

3 蒸發(fā)式冷凝器的理論能耗計(jì)算

蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)的能耗主要由風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵組成，風(fēng)機(jī)功率可由下式計(jì)算：

Nf＝Pf·LD (1)

式中：Nf 單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)機(jī)功率（W/kW）
Pf 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（Pa）
LD 相應(yīng)于單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)量m3/(s ·kW)

水泵功率可由下式計(jì)算：

Ns＝9.8 Gw·Hz (2)

式中：Ns 單位冷凝負(fù)荷的水泵功率（W/kW）
Gw 相應(yīng)于單位冷凝負(fù)荷的水流量（kg/s·kW）
Hz 水泵揚(yáng)程（m）

文獻(xiàn)[4]推薦了美國(guó)的蒸發(fā)式冷凝器經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7658.5-95 氨制冷裝置用蒸發(fā)式冷凝器[5]也推薦了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩者的比較見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)式冷凝器的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
來(lái) 源 熱負(fù)荷q (kW/㎡) 循環(huán)水量Gw [L/(s·kW)] 風(fēng)量LD [m3/(h·kW)]
美國(guó)工業(yè)制冷手冊(cè)[4] 4 0.018 108
JB/T7658.5-95 [5] ≥1.74 0.032 220

計(jì)算中，Pf均選取中間值312 Pa?？紤]到實(shí)際安裝情況，水泵的揚(yáng)程設(shè)為10m。由公式(1)、(2)可得，國(guó)內(nèi)的蒸發(fā)式冷凝器Nf＝18.72 W/kW，Ns＝3.14W/kW；美國(guó)的蒸發(fā)式冷凝器Nf＝9.36 W/kW，Ns＝1.76W/kW。因此，根據(jù)國(guó)內(nèi)、國(guó)外推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，蒸發(fā)式冷凝器的能耗分別約為21.86 W/kW、11.12 W/kW，后者能耗約為前者能耗的51％。

由上分析可知：

(1)．用戶在選用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，要注意比較其設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的單位面積熱負(fù)荷越大，冷凝器的傳熱性能越好；循環(huán)水量和風(fēng)量越小，能耗越低。

(2)．國(guó)內(nèi)制定的蒸發(fā)式冷凝器標(biāo)準(zhǔn)門檻較低，產(chǎn)品性能較差，能耗較高。但是需要指出，近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器的廠家為了提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，分別制定了較高的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如上海上楓制冷設(shè)備有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冷凝器熱負(fù)荷為4 kW/㎡，實(shí)際的產(chǎn)品高達(dá)5.41 kW/㎡。

4 蒸發(fā)式冷凝器的能耗核算公式與應(yīng)用

4.1 能耗核算公式的提出

筆者在對(duì)典型產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)比較分析發(fā)現(xiàn)，不同的蒸發(fā)式冷凝器，其單位排熱量能耗有明顯的差異。顯然，蒸發(fā)式冷凝器的能耗由水泵和風(fēng)機(jī)組成。產(chǎn)品的技術(shù)手冊(cè)上均有水泵、風(fēng)機(jī)的額定功率以及冷凝器的排熱量，據(jù)此可以歸納出一個(gè)單位排熱量的耗功Φ 的計(jì)算公式。

根據(jù)公式（3），用戶可以根據(jù)需要的冷凝負(fù)荷，用Φ 值的大小來(lái)比較不同品牌的單位排熱量耗功，即Φ 值最小的品牌運(yùn)行能耗最小。以下按排熱量分別為345 kW、1200 kW 和2010kW 選用蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)例核算。

4.2 能耗核算公式的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)典型的蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品主要有中美合資的上海益美高 ATC 系列、中美合資的大連冰山巴爾的摩CXV 系列、國(guó)內(nèi)煙臺(tái)冰輪的ZNX 系列和上海寶豐的SPL 型等。用戶在選用不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，不僅要明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，而且還要進(jìn)行詳細(xì)的能耗核算。以下選用上述廠家中三種典型品牌的蒸發(fā)式冷凝器A、B、C，利用公式（3）進(jìn)行能耗核算。依據(jù)各自的技術(shù)手冊(cè)，可知三種不同排熱量的不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)備配置，如表3 所示。

由公式（3）可得，不同排熱量的三種品牌蒸發(fā)式冷凝器單位排熱量風(fēng)機(jī)、水泵以及冷凝器系統(tǒng)總耗功統(tǒng)計(jì)如表4。

假設(shè)在同一排熱量下，不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的產(chǎn)品價(jià)位基本相同。由表4 可得，如果要選用排熱量約為345 kW 的小型蒸發(fā)式冷凝器，應(yīng)選用蒸發(fā)式C；蒸發(fā)式A、B 的單位排熱量耗功約為蒸發(fā)式C 的1.85 倍、2.68 倍。如果要選用排熱量約為1200 kW 的中型蒸發(fā)式冷凝器，應(yīng)選用蒸發(fā)式A；蒸發(fā)式B、C 的單位排熱量耗功約為蒸發(fā)式A 的2.31 倍、1.30 倍。如果要選用排熱量約為2010 kW 的大型蒸發(fā)式冷凝器，應(yīng)選用蒸發(fā)式A；蒸發(fā)式B、C 的單位排熱量耗功約為蒸發(fā)式A 的2.46 倍、1.33 倍。

上述計(jì)算分析表明，不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的運(yùn)行能耗差異很大，最大可達(dá)2.68 倍。根據(jù)公式（3）可以方便地對(duì)不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器能耗進(jìn)行核算，保證選用的蒸發(fā)式冷凝器是最節(jié)能的。實(shí)際產(chǎn)品中，國(guó)內(nèi)外不同品牌蒸發(fā)式冷凝器價(jià)格存在一定的差距，用戶往往對(duì)一次投資比較重視。因此，選型時(shí)必須特別注意，不能只考慮一次投資，應(yīng)該高度重視運(yùn)行能耗的差異，結(jié)合運(yùn)行能耗費(fèi)用進(jìn)行全面分析比較。

4.3 不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機(jī)和水泵的能耗討論

由表 4 可以得出，不同排熱量的不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機(jī)和水泵的平均耗功分別約為9.60W/kW、2.68 W/kW，水泵的平均耗功約為風(fēng)機(jī)的28％。由文獻(xiàn)[4]可知，冷凝器的傳熱系數(shù)K 與噴淋水量及空氣的流量關(guān)系如下：

K=cG0.48L0.22 （4）----0.48和0.22都是指數(shù)

式中，K 為冷凝器的傳熱系數(shù)；c 為常數(shù)；L 為噴淋水量；G 為空氣流量。由公式（4）可知，由于空氣流量G 的指數(shù)約為噴淋水量L 指數(shù)的2 倍，故為了提高蒸發(fā)式冷凝器的傳熱系數(shù)，一般采用增大風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，而不是去增大水泵的流量。因此，蒸發(fā)式冷凝器中風(fēng)機(jī)的能耗占主導(dǎo)。

需要指出的是，不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器的水泵及風(fēng)機(jī)能耗不同的一個(gè)主要原因，是由于蒸發(fā)式冷凝器的能耗與噴淋水形式、蛇形盤管的排列形式及其截面形式有密切的關(guān)系。不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式會(huì)造成不同的水泵及風(fēng)機(jī)能耗。

5 結(jié)論

(1)．用戶在選用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，要注意比較其設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的單位面積熱負(fù)荷越大，冷凝器的傳熱性能越好；循環(huán)水量和風(fēng)量越小，能耗越低。

(2)．產(chǎn)品選型中，選用不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器，運(yùn)行能耗差異很大。例如，對(duì)于排熱量約為345kW 的小型蒸發(fā)式冷凝器，品牌B 的單位排熱量能耗約為品牌C 的2.68 倍；對(duì)于排熱量約為2010 kW的大型蒸發(fā)式冷凝器，品牌B 的單位排熱量能耗約為品牌A 的2.46 倍。因此，選型時(shí)應(yīng)該對(duì)不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行能耗核算，以便找出最節(jié)能的產(chǎn)品。

(3)．本文提出的能耗核算公式（3），可以方便地比較不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的運(yùn)行能耗。單位排熱量耗功Φ 值最小者即為運(yùn)行能耗最小的品牌。

參考文獻(xiàn)
[1] J. Zhang, E.A. Groll. Survey of the Design of Refrigeration Plants for Public Refrigerated Warehouses[J]. ASHRAE Transactions, 2005, 111:327-332.
[2] 張建一，李莉．制冷空調(diào)裝置節(jié)能原理與技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2007．
[3] 莊友明．蒸發(fā)式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比較及經(jīng)濟(jì)性分析[J]．制冷，2001，20(1)：65-69．
[4] Wilbert F. Stoecker. Industrial Refrigeration Handbook[M]. New York: McGraw-Hill, 1998.
[5] 機(jī)械工業(yè)部冷凍設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．制冷空調(diào)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M]．.機(jī)械工業(yè)出版社，1997．