[科普中国]-冷却冷凝器

冷却冷凝器属有相变换热设备，是化工生产重要换热设备之一。主要用于化工工艺过程中的单组分可凝蒸汽或含不凝性气体的混合气体的冷却冷凝。

蒸发冷却冷凝器工作原理蒸发冷却冷凝器以水和空气作为冷却介质，用水的蒸发带走制冷剂的冷凝热，工作时，冷却水由水泵送至冷凝管组上部喷嘴，均匀地喷淋在冷凝板管外表面，形成一层很薄的水膜，高温汽态制冷剂由冷凝管组上部进入，被冷凝板管外表面冷却水吸收热量后凝结成液体从下部流出，吸收热量的冷却水一部分蒸发为水蒸汽，其余落在冷凝器下部集水槽内，供水泵循环使用。冷凝器顶部的风机强迫空气以3~5m/s的速度掠过冷凝板管促使水膜蒸发，强化冷凝管外放热，同时使吸热后的水滴在下落过程中被空气冷却，促使水蒸汽随空气排出，未蒸发的水滴被脱水器阻挡落入集水槽，内设浮球阀控制补充冷却水。

蒸发冷却冷凝器应用气象条件理论上，直接蒸发制冷，空气可获得的最低温度为湿球温度，间接蒸发制冷，空气可获得的最低温度为露点温度。根据蒸发冷却冷凝器的工作原理可知，湿球温度与干球温度差值越大，蒸发冷却冷凝器的蒸发冷却效果越好。在北方较干燥的地区，采用蒸发冷却冷凝器，可以得到较高的换热效率。

蒸发冷却冷凝器与集中水冷系统的比较对已建核心机房楼风冷型空调系统进行改造时，需综合考虑安全性、稳定性以及换热效率。可以采用蒸发冷却冷凝器或集中冷却水型空调系统；在冷凝方式、冷凝温度、对风冷室外机改造方法、工程量、占地面积、系统复杂程度、灵活性、运行稳定性、系统安全性、扩容灵活性等方面，蒸发冷却冷凝器均比较优越。

由此可见，配置蒸发冷却冷凝器的机房专用空调系统，具有如下优点：

1） 系统制冷量高，运行能耗低。同样环境温度条件下，蒸发冷凝温度较风冷型机组低5~8度，较冷却水型机组低2~5度，提高了制冷剂单位流量的制冷量，可有效减少压缩机运行时间，降低空调能耗。数据显示蒸发冷却型比风冷型空调系统节能30%左右，可以达到空调系统节能运行的目的。

2 ） 系统维护费用低。目前市场上的蒸发冷却冷凝器采用耐腐蚀高导热性金属材质板管，利用高效平面液膜换热技术，清洗维护方便 ，长期运行换热效率高。

3 ） 系统控制先进。采用智能化控制手段，功能齐全，自动化程度高，运行安全可靠，能够实现冷凝器与室内机联动控制；具有机组启停程序管理、全功能故障报警及自我诊断等功能；同时在正常运转时具备缺水保护功能，达到节能、安全、可靠的高效运行。1

不饱和冷却冷凝器传热传质机理冷却段与冷凝段是以气体中可凝气的露点来划分的。从设备的气体入口至气温为露点时的位置为冷却段，从露点时的位置至设备气体出口为冷凝段。在冷却段，含不凝性气体（不凝气）和可凝性蒸汽（可凝气）的不饱和气体，因其中的可凝气尚未达到饱和，气体成分不发生变化，气体热量仅通过气体界膜传给换热管表面，如图1所示。

设备设计方法设备设计的主要内容就是根据工艺设计要求，完成结构参数设计和传热传质计算。传热传质计算是根据气体物性和设备结构参数计算传热系数和传热面积。其计算结果全面地反映出设备内部传热传质过程，因而可根据计算结果，对影响热效率的结构参数进行必要的调整，使设备满足工艺要求并具有较高的热效率。所以，结构设计和传热传质计算不仅同时进行而且相互制约。通过对传热传质机理及其基本计算方法的分析研究，设备设计过程采用下述方法和步骤。

1）根据气体入口处可凝气分压，由相平衡计算气体露点。

2）划分阶段。气体入口温度至露点为冷却段；从露点到气体出口为冷凝段。按气体温度将冷凝段分为3一7个计算区间，保证计算精度。

3）假设气体在各温度点的压力及气体由入口至设备出口的总压力降HP。

4）各区间热量、物料衡算。计算两相邻温度点气体所放出的热量以及在各温度点气体和已凝可凝气的流率、冷却水温度。

5）计算各区间气体传热单元数。

6）初估换热面积。

7）设备结构设计。根据初估换热面积，选择换热管规格及材质，进行管束设计，从而得出排管参数、设备直径、折流板数量等设备结构尺寸。

8）计算壳侧平均传热膜系数及流动压力降。

9）设备结构参数确定。当传热传质计算结果同时满足下列条件时，设备结构设计和传热传质计算结束，设备结构参数确定，可进行施工图设计。

（1）初估的传热面积不小于所需传热面积；

（2）假设的设备总压力降HP与计算出的总压力降Px之差的绝对值，小于给定的计算误差；

（3）在工艺设计允许的条件下，设备传热面积达到或接近最小传热面积。

10）设备结构参数调整。当计算结果不满足上述条件时，应进行设备结构参数调整或重新估算总压力降，重复其后的设计步骤，直至满足设计要求。在传热传质计算过程中，需计算较多的传热传质系数。对不同的气体物性和设备形式，其计算公式也各不相同。可根据设备的使用场合和具体工艺条件选择合理的计算公式。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所