1、污垢对蒸发式冷凝器性能的影响分析前言空调系统和工业生产过程产生的大量废热需要消除，寻找高效能的热交换器是当务之急。ASHRAE210/214 标准指出：蒸发式冷凝器是一种效率最高的换热器。随着制冷空调行业的蓬勃发展，蒸发式冷凝器已经得到了广泛的应用。本文研究了污垢对蒸发式冷凝器换热性能的影响特性。首先，讨论蒸发式冷凝器的污垢问题，接着利用文献污垢数学模型分析实际的污垢特性，最后利用实验数据定量分析了污垢对设备换热效率的影响。1. 蒸发式冷凝器的污垢问题极度腐蚀、结垢和生物污染都会降低设备的使用寿命。在较为恶劣的环境下，污垢大大降低了蒸发式冷凝器的换热效率。由于循环水极易受到污染，美国学者 Ma
2、clod-Smith 早在 2002年就提出，即使至今仍没有发生一例因蒸发式冷凝器而爆发大规模军团杆菌病，但是生产商和使用者还是应该特别注意循环水的品质。与冷却塔相比，蒸发式冷凝器需要处理的水量小得多，水处理过程看似简单，但是实际上由于水的快速循环导致设备极易结垢和加速水箱内刺激性气味的有机物增长，因此面临着更大的挑战，如果忽视这些，就会造成设备框架以及管束的快速腐蚀，需要高额的维修成本，甚至需要更换新设备。在某些情况下，换热管结垢层的厚度比较容易测得，这对于分析盘管的污垢特性有一定的指导意义。但是，这并不能够直观的分析出污垢对设备换热性能影响的量化关系。一般而言，设备使用者比较关心三个问题：
3、（1）腐蚀与结垢层厚度的关系；（2）结垢层厚度对设备排热量的影响；（3）污垢对设备换热性能的影响。美国学者 Maclod-Smith 在 2008 年研究了蒸发式冷凝器换热盘管上 CaCO3 结垢情况，如图 1 所示。他利用实际排热量与额定排热量的百分比表征结垢层厚度对设备换热性能的影响。从图中可以看出，垢层厚度 为 2.4mm 时，蒸发式冷凝器的排热量降低了大约 55%，而且随着垢层的增加，排热量还会继续降低。换热管水垢是影响设备换热效率和使用寿命的最主要因素之一，即使是换热管覆盖一薄层水垢都会大大降低设备换热性能，同时导致换热管腐蚀，缩短设备使用寿命。因此，必须对喷淋水进行软化处理和确保盘
4、管全部润湿。换热管表面水膜的覆盖率越大，垢越不容易。目前，洛阳隆华传热节能的蒸发式冷凝器的喷嘴使用一种新型的吊篮式喷嘴，其特点是：喷淋均匀，不易堵塞，确保盘管能形成均匀、完整的水膜。蒸发式冷凝器运行中，都是在综合考虑循环水的质量和设备材质的基础上，采用对结垢和腐蚀具有抑制作用的化学药物进行水处理，但是，一般不推荐使用酸性物质来抑制结垢，因为会影响设备的使用寿命。204060801000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.40额定排热量的百分比（ ）垢 层 厚 度 （ mm）图 1 CaCO3 垢层厚度对设备排热量的影响2. 污垢特性模型美国
5、学者 Khan 和 Zubair 依据运行过程中设备重量的增加，于 2009 年提出了冷却塔结垢时的性能系数 的数学关系式；美国学者 Bilal 和 Syedm 鉴于冷却塔与蒸发式冷凝器类似的特性，利用相似原理，于 2011 年推出蒸发式冷凝器污垢条件下的换热性能模型（如公式 1 所示） ，表征污垢性能系数 与结垢层厚度 的关系。21expCQclflcl （1）式中： Q cl-无垢条件下设备的排热量；Qfl-运行过程中，设备实际排热量；C1,C2-表征蒸发式冷凝器污垢特性的常数；C1-当污垢层厚度达到最大值 cr， 的增量；可按公式 2 取值：1nCcr（2）C2-当 降低到临界值 cr
6、的 63.2%， 的值；（1）式的线性表述为：21lnC（3）2012 年，美国学者 Macleod-Smith 利用实验数据进行回归分析，确定 n=0.76 时，拟合系数达到 0.999。图 2 是 Macleod-Smith 利用实验数据和污垢模型（方程（1） ）计算数据所做出的性能系数与垢层厚度 的函数曲线图。从图 2 可以看出， =2.4mm 时， 。因此，利用方56.0cr程（2）得出：C 1=0.732，将 C1， 代入（3）式，可得： C2=0.6 cr0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.10.20.30.40.50.6实 验 数 据模 型 计 算 数 据性能系数垢 层
7、 厚 度 （ mm）图 2 模型数据与实验数据的对比分析另外，图 2 的实验数据和模型数据的两条曲线几乎重合，证明利用污垢特性模型分析蒸发式冷凝器换热性能是可靠的。3. 蒸发式冷凝器热传质数学模型利用蒸发式冷凝器控制体积的微观模型，其中所做的一切假设和所应用的公式都是建立在理想模型的基础上，并且必须考虑水的蒸发影响。3.1 质量守恒对于蒸发式冷凝器，A 为换热管的外表面积； ma 为空气的质量流量，m w 循环水的质量流量；W 为湿空气的相对湿度；则水质量守恒可表示为：dAWdAmawwa（4）简化为： Amwa1（5）对于蒸发的循环水的质量，需要考虑蒸发式换热器的质量传递效率 hD。水膜温度
8、下的饱和空气的相对湿度记作 Ws，int ，则：dAWhmdAsDwwint,（6）简化后，可以写做 dAWhmdsDwint,（7）3.2 能量守恒蒸发式冷凝器中水膜空气的热湿交换面上，持续发生着热质交换。空气焓值记作 h，空气的对流传热系数记作 hc，水膜温度为 Tint，空气干球温度为 Tdb，水膜温度下的饱和水蒸气和饱和液态水的比焓分别记作 hg，int 和 hf，int ，其过程可表述为：dAWdAmdAhmsDbcaa intfitgint,int h-)()( （8） 简化后写作： ddThsDbca intfitgint,int h-)()( （9）工艺流体的质量流量和焓记作
9、mp 和 hp，工艺流体的温度记作 Tp，U os 是以管束外表面为基础，随着垢层不断增加的系统的总传热系数，则工艺流体的能量守恒可表示为：dAUAhPospp int（10）若水的定压比热记作 cp，w ，工艺流体的定压比热记作 cp，p ，循环水温度下蒸发的水的比焓记作 hf， w，如果用焓来表示：;, AThpf ATchpP,（11） （10）式和（11）式联立并简化，得： dATcmUdpospint,（12）系统总的能量平衡方程为：dAhmhdAhmppwfa pwffwa,（13）对于蒸发式冷凝器，在热传递过程中，管内制冷剂的焓值变化而温度保持不变，这是需要注意的。制冷剂的质量流
10、量记作 mr，制冷剂的焓记作 hr，制冷剂的温度记作 Tr，则运用（11）简化得： rmwpawp dhcdhcmdT,1（14）ATmUdhrosrint（15）水膜热阻记作 Rint，垢层热阻记作 Rf（t ） ，制冷剂的传热系数记作 hc，is ，换热管的热阻记作 kt，换热管内径和外径分别记作 dt，is 和 dt，os ，循环水的对流传热系数记作 he，w 。以盘管外表面为基础，U os可表示为 )(1,ln21int,c Rhistkht fweotosistoios （16）3.3 系统总方程美国学者 Dreyer 假设 ，将（9）式转换为：gf int,int,int,int,
11、 1h gssapDcsaD hWhhmdA（17）是指水-空气混合物的定压比热容；pc,同济大学许旺发等人分析了 Le、Le 关系式与 Le 因子之间的区别与联系，计算得到了蒸发式冷凝器空气与水热湿交换过程的 Le 因子取值范围大约在 0.51.0 时，Le 关系式导出的冷却效率相对误差小于 2，如果假设 Le 因子取 1,则（17）进一步简化为：dAhmdhsaDint,（18）从（5） ， （7）可以看出，随着一部分水膜蒸发，循环水的质量流量是变化的。从（14）可以看出，盘管内工艺介质的热量只是部分用于加热（冷却）水膜。在此假设下，水膜的温度和饱和水蒸气的温度相等，即 。上述方程描述了蒸
12、发式冷凝器的热质传递过程，可以利0intR用 EES(Engineerning Equation Solver)来求解上述方程组。假设管内工艺流体所能达到的最低温度为环境湿球温度，则蒸发式冷凝器的热效率可以表述为热传递过程中，实际传递的热量与理想状态下管内工艺流体的最大传递的热量的比值，即：inwiroutefch,（19）表 1 为利用上述数学模型得到的计算值 和实际实验数据 （制冷剂为氨）之间的误calQexpQ差百分比。从表中可以看出，排热量的误差不足 5.0.因此，上述所建立的蒸发式冷凝器的数学模型是成立的。表 1 排热量 计算误差百分比amkg s-1inw kg s-1pkg s-
13、1tdb intwb intrexpKWcalKWt% error1.879 2.667 15.00 25.0 19.5 50.0 118.2 120.7 2.1370.116 0.458 0.315 17.5 13.45 44.8 6.98 7.23 3.5812.170 1.835 2.670 10.0 7.450 47.2 130.6 134.3 2.8332.923 2.500 6.000 25.0 18.00 50.0 138.8 142.4 2.5944. 分析和讨论上述建立的数学模型可用于蒸发式冷凝器的设计计算和运行过程中设备换热效率评估。评估设备实际运行过程中结垢后的效率（ ）
14、 ，需要知道以下条件：（1）进口空气温度（包括efc干球温度 和湿球温度 ） ；（2）制冷剂的温度 ；（3）质量流量（包括空气 ，循indb,tinwb,t rt am环水 ，制冷剂 ） ；（4）排热量 ;(5)换热面积 A。对于蒸发式冷凝器，当 =25；wmr Qindb,t=18； =50；Le=1.0 ；A=9.0m 2； =0.13kgs-1； =1.89kgs-1； =2.70kgs-inb,trt rmaw1；C 1=0.250.732 ；C 2=0.6.计算结果如表 2。Khan 和 Zubair 研究表明，与其他因素相比，进口空气的湿球温度 对蒸发式冷凝器的inb,t换热效率影
15、响最大。利用污垢特性模型（方程（1） ） ，分析污垢条件下， 对设备效率的影w,响。表 2 =18，C 1=0.6 时,蒸发式冷凝器的 变化率inwb,t efc排热量(KW)Q换热效率 f C1无垢 有垢 无垢 有垢变化率（ %）0.25 110.561 92.980 0.9396 0.7528 19.880.37 110.661 79.573 0.9396 0.6639 29.340.49 110.661 73.166 0.9396 0.5737 38.940.732 110.661 49.178 0.9396 0.4006 57.36图 3 表述的是在不同的 ；C 1 取 0.25 和
16、0.732；其他参数与表 2 中的一致的条件下，蒸发式inwb,t冷凝器的出口空气的温度 和性能指标 的关系。从图中可以看出， 越低， 越低。out,ainwb,tout,a这是因为 降低，循环水温度随着降低，蒸发式冷凝器的传热驱动力从而增大的缘故（详见inwb,t公式（7） ） 。在理想条件（ =0）下，当 C1 一定， 从 22降到 16时， 从 46.99inwb,t out,a降到 46.68，降低了 0.66。然而在实际的污垢条件下，当 C1=0.25， 只降低 0.53；当t,C1=0.732， 仅降低 0.28。out,a0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.646.546
17、.9547.4047.8548.3048.75C1=0.25Twb， in=22Twb， in=20Twb， in=18Twb， in=16C1=0.732；A=9.0（ ）性 能 指 标 Ta， out图 3 twb，in 不同， 随 的变化out,a图 4 分别表示了换热效率 与性能指标 及排热量 的关系。C1 和 和图 3 相同，efcQinwb,t其他入口参数与表 2 中的保持一致。同时需要注意：计算的排热量应符合污垢模型（公式（1） ），以保证实际排热量的变化趋势符合图 1。污垢导致设备换热量降低，因此设备性能指标 增加，图 4（a）的曲线总体呈现降低趋势。在无垢的理想条件（ =0）
18、下，当 从 22降到 16时， 的增加量并不明显，因inwb,t efc此具体数值详见表 3。可以得出：与进口空气的湿球温度 相比，循环水的温度作为冷却介inwb,t质所能达到的最低温度，其更能表征蒸发式冷凝器的效率。从图 3 很容易看出，污垢减缓了降低，热效率增大的趋势。图 4（b）表示污垢条件下， 与 的关系。设备换热量inwb,t efcQ一定时， 越低， 也越低。这是因为：当换热量 一定（如图 4（b） ，40kw ）时，Qinwb,tefc越低，设备的性能指标 越高；而从图 4（a）可以看出 越高， 越低。当 C1=0.732，inb,t efc=16时， 降低的最大量可达 27.3
19、；当 C1=0.25， =16时， 降低的最大量w, efc inwb,tf可达 13.4。0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6性 能 指 标 换热效率0.050.100.150.200.250.30C1=0.25， 0.732；A=9.0C1=0.25Twb， in=22-160.350t ， （a） 随 的变化情况efc40 50 60 70 80 90300.050.100.150.200.250.300.35C1=0.25， 0.732；A=9.0 C1=0.25 1 2 1 2换热效率排 热 量 Q（ KW)twb， in=20twb， in=18twb， in=16twb
20、， in=22（b） 随 Q 的变化情况efc图 4 不同 ， 的变化情况inw,t表 3 图 4（a）和（ b）无垢时， 的变化量efctwb in（）(KW) b efc16 82.316 0.0987 0.3364118 81.919 0.1001 0.3363920 79.333 0.1011 0.3363822 78.540 0.1035 0.33635就蒸发式冷凝器，污垢降低设备的排热量，系统换热效率降低（参见公式（19） ） 。从以上图表和数据可以总结出：污垢导致系统 因 的降低而增加的理论值降低。值得注意的是，efcinwb,t蒸发式换热器盘管的结垢对系统的热驱动力的减弱作用非常明显。因此，与污垢相比， 对inwb,t换热器的影响就相对较小。 5. 结论试验数据验证了污垢模型的正确性，因此可以定量估算污垢对于蒸发式冷凝器排热量的影响。从上述分析可以知道，与进口空气的湿球温度 相比，循环水温度是理想条件下管内介inwb,t质所能达到的最低温度，因此更能表征蒸发式冷凝器的换热性能。污垢使蒸发式冷凝器的效率降低了 5075。 对蒸发式冷凝器性能的影响也反应了污垢使 降低，换热性能增inwb,t inwb,t加的效果减弱。
