蒸發(fā)式冷凝器的選型計算

恒豐冷暖設備始建于1963年,是研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器,鋁排管,速凍機等制冷輔助設備的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家;恒豐冷暖生產(chǎn)的蒸發(fā)式冷凝器具有運行安全可靠,使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。速凍機采用國際先進(jìn)的焊接設備和技術(shù),單凍機箱體內、外表面均為不銹鋼板,在運轉過(guò)程中,因此無(wú)傳動(dòng)故障,易清洗,無(wú)污染。新型鋁排管是我公司研制的新型制冷設備,解決了原國內市場(chǎng)的無(wú)縫鋼管吊頂排管諸多問(wèn)題。

1 前言

蒸發(fā)式冷凝器是一種高效節能的換熱設備。由于傳熱效率高、結構緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在美國等國家得到廣泛的應用。根據作者對美國和加拿大62 個(gè)公用冷庫制冷裝置的調查[1]發(fā)現，蒸發(fā)式冷凝器的應用約占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低3～5℃，比風(fēng)冷式冷凝器低8～11℃，這大大地降低了壓縮機功耗。

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[2]指出蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機動(dòng)力消耗，與水冷式的冷卻塔相近。由于降低了水泵的揚程與流量，泵的動(dòng)力消耗約為冷卻塔和管殼式冷凝器相結合的系統的四分之一。文獻[3]指出，蒸發(fā)式冷凝器相對于立式水冷式冷凝器可節電80％以上，相對于臥式水冷式冷凝器可節電10％左右。因此，蒸發(fā)式冷凝器受到國內外工業(yè)制冷用戶(hù)的普遍青睞。

作者發(fā)現，國內外不同品牌蒸發(fā)式冷凝器設計依據的標準不同，冷凝器系統的能耗差距較大。本文首先闡述了蒸發(fā)式冷凝器選型的方法，然后根據國內外不同的經(jīng)驗數據計算了蒸發(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)品的電機配置，總結出了蒸發(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)：一是依據冷凝器的熱負荷進(jìn)行選擇；二是依據制冷系統的制冷量進(jìn)行選擇。目前常用的方法主要是依據冷凝器熱負荷選型，其步驟為：

a) 確定系統所需的總排熱量，總排熱量為壓縮機制冷量與電機耗功之和；
b) 確定設計條件、冷凝溫度和濕球溫度；
c) 根據排熱系數圖表（由冷凝溫度和濕球溫度確定）查出負荷修正系數；
d) 系統的總排熱量乘以排熱系數，確定修正后的排熱負荷，選擇合適的型號；

本選型方法只適用于活塞式或螺桿式制冷壓縮機組成的制冷系統。如果螺桿式制冷壓縮機的油冷卻器的冷卻水是獨立的，則上面的總排熱量應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，依據表1、圖2 選擇冷凝器型號。



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

3 蒸發(fā)式冷凝器的理論能耗計算

蒸發(fā)式冷凝器系統的能耗主要由風(fēng)機和循環(huán)水泵組成，風(fēng)機功率可由下式計算：

Nf＝Pf·LD (1)

式中：Nf 單位冷凝負荷的風(fēng)機功率（W/kW）
Pf 風(fēng)機風(fēng)壓（Pa）
LD 相應于單位冷凝負荷的風(fēng)量m3/(s ·kW)

水泵功率可由下式計算：

Ns＝9.8 Gw·Hz (2)

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

文獻[4]推薦了美國的蒸發(fā)式冷凝器經(jīng)驗數據，國內機械行業(yè)標準JB/T7658.5-95 氨制冷裝置用蒸發(fā)式冷凝器[5]也推薦了經(jīng)驗數據。兩者的比較見(jiàn)表2。

表2 國內外蒸發(fā)式冷凝器的經(jīng)驗數據
來(lái) 源 熱負荷q (kW/㎡) 循環(huán)水量Gw [L/(s·kW)] 風(fēng)量LD [m3/(h·kW)]
美國工業(yè)制冷手冊[4] 4 0.018 108
JB/T7658.5-95 [5] ≥1.74 0.032 220

計算中，Pf均選取中間值312 Pa�？紤]到實(shí)際安裝情況，水泵的揚程設為10m。由公式(1)、(2)可得，國內的蒸發(fā)式冷凝器Nf＝18.72 W/kW，Ns＝3.14W/kW；美國的蒸發(fā)式冷凝器Nf＝9.36 W/kW，Ns＝1.76W/kW。因此，根據國內、國外推薦的經(jīng)驗數據計算得出，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(hù)在選用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，要注意比較其設計依據的標準。依據標準中的單位面積熱負荷越大，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)．國內制定的蒸發(fā)式冷凝器標準門(mén)檻較低，產(chǎn)品性能較差，能耗較高。但是需要指出，近年來(lái)許多國內生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器的廠(chǎng)家為了提高產(chǎn)品的競爭力，分別制定了較高的企業(yè)標準。如上海上楓制冷設備有限公司的企業(yè)標準規定冷凝器熱負荷為4 kW/㎡，實(shí)際的產(chǎn)品高達5.41 kW/㎡。

4 蒸發(fā)式冷凝器的能耗核算公式與應用

4.1 能耗核算公式的提出

筆者在對典型產(chǎn)品的技術(shù)參數比較分析發(fā)現，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)機組成。產(chǎn)品的技術(shù)手冊上均有水泵、風(fēng)機的額定功率以及冷凝器的排熱量，據此可以歸納出一個(gè)單位排熱量的耗功Φ 的計算公式。



根據公式（3），用戶(hù)可以根據需要的冷凝負荷，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 能耗核算公式的應用

目前國內典型的蒸發(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、國內煙臺冰輪的ZNX 系列和上海寶豐的SPL 型等。用戶(hù)在選用不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，不僅要明確產(chǎn)品設計依據的標準，而且還要進(jìn)行詳細的能耗核算。以下選用上述廠(chǎng)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。依據各自的技術(shù)手冊，可知三種不同排熱量的不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的設備配置，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、水泵以及冷凝器系統總耗功統計如表4。



假設在同一排熱量下，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。

上述計算分析表明，不同品牌蒸發(fā)式冷凝器的運行能耗差異很大，最大可達2.68 倍。根據公式（3）可以方便地對不同品牌的蒸發(fā)式冷凝器能耗進(jìn)行核算，保證選用的蒸發(fā)式冷凝器是最節能的。實(shí)際產(chǎn)品中，國內外不同品牌蒸發(fā)式冷凝器價(jià)格存在一定的差距，用戶(hù)往往對一次投資比較重視。因此，選型時(shí)必須特別注意，不能只考慮一次投資，應該高度重視運行能耗的差異，結合運行能耗費用進(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)機的28％。由文獻[4]可知，冷凝器的傳熱系數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

式中，K 為冷凝器的傳熱系數；c 為常數；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 的指數約為噴淋水量L 指數的2 倍，故為了提高蒸發(fā)式冷凝器的傳熱系數，一般采用增大風(fēng)機的風(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)機的能耗占主導。

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(pán)管的排列形式及其截面形式有密切的關(guān)系。不同的產(chǎn)品設計形式會(huì )造成不同的水泵及風(fēng)機能耗。

5 結論

(1)．用戶(hù)在選用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，要注意比較其設計依據的標準。依據標準中的單位面積熱負荷越大，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，運行能耗差異很大。例如，對于排熱量約為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)應該對不同品牌的蒸發(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)式冷凝器的運行能耗。單位排熱量耗功Φ 值最小者即為運行能耗最小的品牌。

參考文獻
[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．制冷空調裝置節能原理與技術(shù)[M]．機械工業(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] 機械工業(yè)部冷凍設備標準化技術(shù)委員會(huì )．制冷空調技術(shù)標準應用手冊[M]．.機械工業(yè)出版社，1997．

作者簡(jiǎn)介：
張建一，男，1953 出生，集美大學(xué)教授/院長(cháng)
通信地址：
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