降膜冷凝器技術(shù)原理及其應(yīng)用于泵實(shí)踐研究

1、降膜冷凝器技術(shù)及其應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的實(shí)踐研究 falling film condenser and its application in heat pump 主要內(nèi)容 現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題 降膜冷凝器的強(qiáng)化換熱機(jī)理降膜冷凝器的強(qiáng)化換熱機(jī)理 降膜冷凝器數(shù)學(xué)模型降膜冷凝器數(shù)學(xué)模型 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 降膜冷凝器應(yīng)用領(lǐng)域與對(duì)金屬材料的節(jié)約降膜冷凝器應(yīng)用領(lǐng)域與對(duì)金屬材料的節(jié)約 結(jié)論與討論結(jié)論與討論 1、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題 局部強(qiáng)化冷凝換熱與整機(jī)換熱效率較低的矛盾 如何強(qiáng)化冷凝

2、器的換熱能力一直是熱泵技術(shù)領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn)之一 在局部強(qiáng)化換熱措施，采用粗糙壁面、擴(kuò)展表面、螺紋槽管等關(guān)于管外和管內(nèi)冷凝強(qiáng)化傳熱的方法可提高其換熱能力，其中有的異形管在實(shí)驗(yàn)室單管冷凝試驗(yàn)中其換熱系數(shù)可比普通光管高34倍以上 大量的熱泵整機(jī)實(shí)踐顯示，其整機(jī)實(shí)際平均傳熱系數(shù)通常比光管高2030%左右，并未充分發(fā)揮出高效換熱管的強(qiáng)化換熱效果，這是困擾許多熱泵生產(chǎn)商特別是兩器設(shè)計(jì)人員的一個(gè)重要問(wèn)題。1、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題 冷凝換熱過(guò)程中流態(tài)及換熱特性變化 水平管內(nèi)蒸汽加熱管外冷水時(shí)的蒸汽在管內(nèi)沿程流態(tài)變化1、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱

3、問(wèn)題 冷凝換熱過(guò)程中流態(tài)及換熱特性變化 進(jìn)口段：過(guò)熱蒸汽與干燥冷壁面接觸換熱，在冷壁面溫度低于蒸汽飽和溫度后出現(xiàn)凝結(jié)過(guò)程，并在壁面出現(xiàn)珠狀凝結(jié)，進(jìn)而形成薄液膜換熱，由于包括管內(nèi)熱阻、管壁熱阻和管外熱阻在內(nèi)的總傳熱熱阻較小，傳熱系數(shù)可達(dá)30005000w/k或更高，而管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)甚至可達(dá)800010000w/k以上 此后隨著凝結(jié)液的增多，壁面液膜逐漸增厚并形成環(huán)狀流、彈狀流、塞狀流和泡狀流，換熱管截面上反映氣體所占比例的空泡率逐漸降低，在濕蒸汽與管壁間的液膜也逐漸增厚，液膜熱阻在傳熱熱阻中所占比例越來(lái)越大，逐漸成為總熱阻的主要部分，導(dǎo)致冷凝器換熱能力顯著下降 有的熱泵冷凝器后期傳熱系數(shù)有可能

4、下降到只有500800 w/k，導(dǎo)致全尺寸換熱器的平均傳熱系數(shù)只有7001600w/k左右，從而需要更大的換熱面積和結(jié)構(gòu)尺寸以滿足所需換熱量，而許多廠家為節(jié)省成本選配盡可能小的換熱器，則又帶來(lái)熱泵制冷或制熱能力及其能效比（cop）的降低 1、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題、現(xiàn)有冷凝器存在的低效換熱問(wèn)題 小結(jié)： 在通常的熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)中，采用局部強(qiáng)化換熱通常難以改變整個(gè)蒸汽流程的流態(tài)變化，中后段的流態(tài)及其換熱系數(shù)仍可能保持在低水平，需要尋找更合理的強(qiáng)化整個(gè)流程換熱的技術(shù)途徑 2、降膜冷凝器的強(qiáng)化換熱機(jī)理及時(shí)排除冷凝液的新型冷凝換熱技術(shù)路線 降膜冷凝器的概念及其適用性2.1 及時(shí)排除冷凝液的新型冷凝換

5、熱技術(shù)路線 清華大學(xué)原彭曉峰教授提出了全新的技術(shù)路線，發(fā)明了“等流速汽水換熱器” 等，采取如下措施及時(shí)從管壁處排除冷凝液，將冷凝過(guò)程始終保持在初始段的高效換熱狀態(tài)： 短管換熱 汽液分離 自動(dòng)中間排液 合理的管數(shù)與布置等 自動(dòng)分液冷凝換熱器 專利號(hào)：zl02130914.02.1 及時(shí)排除冷凝液的新型冷凝換熱技術(shù)路線 技術(shù)效果： 有效地選擇高性能傳熱流型和過(guò)程； 最大限度避免復(fù)雜流型發(fā)展演化，減少所造成的傳熱弱化和運(yùn)行壓降等； 巧妙利用和發(fā)揮短管效應(yīng)，在換熱器內(nèi)自始至終維持高傳熱形態(tài)； 保證蒸汽在換熱器內(nèi)的流速基本不變，充分利用蒸汽流動(dòng)剪切效應(yīng)，破壞表面凝結(jié)液形態(tài)，達(dá)到形態(tài)選擇與汽液分離：流速影

6、響的保持；整體性能的均勻化。 實(shí)測(cè)結(jié)果： 換熱面積比強(qiáng)化管小25%，整機(jī)金屬材料耗量比同類產(chǎn)品節(jié)省2/3以上，該新型汽水換熱器結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模推廣階段 針對(duì)熱泵及家用空調(diào)機(jī)組領(lǐng)域也進(jìn)行了有益的嘗試，例如在水冷熱泵冷凝器的實(shí)測(cè)中換熱面積減少30%以上，而熱泵cop基本不變，在家用空調(diào)冷凝器實(shí)測(cè)中也可降低換熱管材約20%2.1 及時(shí)排除冷凝液的新型冷凝換熱技術(shù)路線技術(shù)實(shí)現(xiàn)中存在某些限制彭教授曾提出：新型高性能空冷冷凝器可實(shí)施對(duì)現(xiàn)有空調(diào)室外機(jī)的革命性改進(jìn)，如果解決大型化問(wèn)題，可作為大型火力電廠的冷凝器，具有更好的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)水性和環(huán)保作用。 在熱泵領(lǐng)域離規(guī)模推廣還有較多的設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制設(shè)計(jì)工作，熱泵運(yùn)

7、行不同于一般汽水換熱器，熱泵隨環(huán)境溫度、制冷制熱要求及相關(guān)因素的影響而在運(yùn)行中可能產(chǎn)生大幅度的出力調(diào)節(jié)，從而制冷劑的體積流量會(huì)有大幅度變化，這將導(dǎo)致采用該結(jié)構(gòu)的大中型熱泵的冷凝器內(nèi)的排液分流結(jié)構(gòu)等不能很好適應(yīng)運(yùn)行工況變化而存在可控制性問(wèn)題，并導(dǎo)致影響熱泵整機(jī)的cop達(dá)不到預(yù)期運(yùn)行要求。小型家用或商用空調(diào)及熱泵熱水器等領(lǐng)域，由于其固有的小容量及小尺寸特點(diǎn)，考慮到結(jié)構(gòu)工藝及成本控制等問(wèn)題，并不適合直接采用上述較復(fù)雜的及時(shí)排走冷凝液的具體結(jié)構(gòu)與措施，無(wú)法采用目前已有的冷凝器結(jié)構(gòu)工藝成果在更大容量的汽水換熱器及其它冷凝裝置中（幾十到上百mw），直接采用這種短管+排液結(jié)構(gòu)由于焊點(diǎn)過(guò)多、布置復(fù)雜等工藝及成

8、本原因，也有必要進(jìn)一步完善和考慮更多的具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施2.2 降膜冷凝器的概念及其適用性筆者根據(jù)上述先進(jìn)的冷凝換熱技術(shù)路線，并結(jié)合各類空調(diào)熱泵等冷凝過(guò)程的工況條件、使用要求、運(yùn)行特點(diǎn)、回油設(shè)計(jì)等技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了不同應(yīng)用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降低冷凝液膜厚度及其熱阻原則是考慮到不追求每一段冷凝流態(tài)及換熱均處于最高水平，而是將流態(tài)控制放寬到環(huán)形流區(qū)間，控制環(huán)形流的液膜厚度在沿程流態(tài)的主要部分均處于薄液膜狀態(tài)，同時(shí)充分利用流動(dòng)的剪切力效應(yīng)以增強(qiáng)液膜的對(duì)流換熱，從而有效控制液膜熱阻，使當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)始終保持較高強(qiáng)度，并保證了整個(gè)蒸汽流程中的更高的平均傳熱系數(shù)，取得有效節(jié)省傳熱面積與換熱材料的效果。該經(jīng)過(guò)調(diào)整的

9、技術(shù)方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是采用簡(jiǎn)單且適應(yīng)性強(qiáng)的方法以有效降低當(dāng)?shù)匾耗ず穸燃捌錈嶙瑁虼丝煞Q之為“降膜冷凝”技術(shù)2.2 降膜冷凝器的概念及其適用性 該技術(shù)措施雖然并不保證冷凝全程均處于最高強(qiáng)度的換熱階段，但比傳統(tǒng)的強(qiáng)化管冷凝器整機(jī)傳熱系數(shù)仍有明顯提高 可靈活地適應(yīng)小型家用及商用空調(diào)水冷及風(fēng)冷機(jī)組、多聯(lián)機(jī)、熱泵熱水器、大中型熱泵、大型汽水換熱器和電廠凝汽器等配用的冷凝換熱裝置的不同工況及其變化特點(diǎn)3. 降膜冷凝器數(shù)學(xué)模型過(guò)熱蒸汽區(qū)數(shù)學(xué)模型相變換熱區(qū)數(shù)學(xué)模型過(guò)冷液換熱數(shù)學(xué)模型3.1 降膜冷凝器過(guò)熱蒸汽區(qū)數(shù)學(xué)模型 干式換熱：管內(nèi)壁面溫度高于飽和溫度 可采用經(jīng)典的ditus - boelter公式計(jì)算 采用柯

10、氏公式或阿里特蘇里公式等關(guān)聯(lián)式計(jì)算沿程阻力 濕式換熱：如管內(nèi)壁面溫度低于飽和溫度一定值，由于此時(shí)壁面將開(kāi)始出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象 可按下述的兩相凝結(jié)區(qū)模型計(jì)算，其中汽化潛熱用下式中的過(guò)熱修正潛熱代替即可。 其中rg、r、cs、ts等分別表示過(guò)熱蒸汽修正汽化潛熱、汽化潛熱、飽和比熱容、過(guò)熱度。 ) 1 (/1*25. 0rtcrrssg3.2 降膜冷凝器相變換熱區(qū)數(shù)學(xué)模型 努謝爾特層流膜狀凝結(jié)的平均換熱系數(shù)： x位置液膜厚度： 其中hc、g、l、l、l、l、ts、tw、l、x分別表示平均冷凝換熱系數(shù)、重力加速度、液體密度、液體導(dǎo)熱系數(shù)、液體動(dòng)力粘度、沿程長(zhǎng)度、飽和溫度、壁面溫度、液膜厚度、當(dāng)?shù)匚恢?小結(jié)：

11、自然流態(tài)下的液膜厚度與沿程長(zhǎng)度正相關(guān)，換熱系數(shù)與長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)，換熱系數(shù)與液膜厚度成負(fù)相關(guān) 據(jù)此：“等流速汽水換熱”技術(shù)方案采用短管結(jié)構(gòu)并及時(shí)排除冷凝液，凝結(jié)過(guò)程保持在液膜形成之初可獲得更佳換熱效果 )2()(943. 025. 032wslllcttlgrh)3()(425. 02lwslllgrxtt)(/34ahllc3.2 降膜冷凝器相變換熱區(qū)數(shù)學(xué)模型 另一種解決思路：降膜冷凝通過(guò)提高流速，利用氣流對(duì)液膜的粘滯剪切作用直接降低液膜厚度，達(dá)到強(qiáng)化換熱目的 液膜內(nèi)部溫度及剪應(yīng)力分布均為線性時(shí)，速度與剪應(yīng)力的關(guān)系為（4），剪應(yīng)力、位置與液膜厚度關(guān)系為（5），對(duì)流換熱系數(shù)的求解式見(jiàn)（6）其中：u、

12、v、y、v分別表示流速、蒸汽密度、距壁面位置、蒸汽剪應(yīng)力，x*、*、*分別表征x、，而1、2、3分別表示相應(yīng)的與汽液狀態(tài)及物性相關(guān)的系數(shù) ，h*、4分別表征平均換熱系數(shù)hm及其系數(shù)，x*l板式l位置的x* )4(2/)(2yyyguvvl )5(343*4*vxvvxx3*2*1*,其中：)6(234*2*3*4*llvllmxxhh3.2 降膜冷凝器相變換熱區(qū)數(shù)學(xué)模型 式（4）表明剪應(yīng)力與流速成正比 式（5）表明x位置的剪應(yīng)力與液膜厚度成反向關(guān)系 式（6）表明局部及平均換熱系數(shù)與液膜厚度（表征凝結(jié)液量）和剪應(yīng)力成正向關(guān)系，其中xl處的液膜厚度越多，則表明該區(qū)段內(nèi)在該流速及剪應(yīng)力條件下的凝結(jié)液

13、越多，這意味著平均換熱系數(shù)越大；另一方面剪應(yīng)力越大，則換熱系數(shù)越大 )4(2/)(2yyyguvvl )5(343*4*vxvvxx3*2*1*,其中：)6(234*2*3*4*llvllmxxhh3.2 降膜冷凝器相變換熱區(qū)數(shù)學(xué)模型 由此建立了采用提高流速方式的降膜冷凝器的相變換熱區(qū)的換熱模型 相變換熱區(qū)的流動(dòng)阻力 可按分相流動(dòng)模型計(jì)算 3.3 降膜冷凝器過(guò)冷液換熱數(shù)學(xué)模型 過(guò)冷區(qū)換熱與流動(dòng)阻力均可按單相流體模型及關(guān)聯(lián)式計(jì)算 3. 降膜冷凝器數(shù)學(xué)模型 上述各方程式描述了采用降膜冷凝技術(shù)的冷凝過(guò)程中，從過(guò)熱蒸汽變化到過(guò)冷液狀態(tài)的傳熱模型 據(jù)此可以尋求平均傳熱系數(shù)最高為目標(biāo)，以管內(nèi)流動(dòng)阻力控制在

14、設(shè)定范圍內(nèi)為條件，進(jìn)行降膜冷凝器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與匹配選擇 4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 熱泵熱水器：限制性能改善和成本控制的一個(gè)重要因素是用作冷凝器的氟水換熱器 在家用或小型商用系列的熱泵熱水器（及空調(diào)熱水器和其它小型冷熱水機(jī)組）中，通常采用兩類冷凝器結(jié)構(gòu) 一類是內(nèi)置于殼體內(nèi)的氟水換熱盤(pán)管，包括橫置式或立式盤(pán)管 一類是外置于儲(chǔ)水罐的套管或套筒盤(pán)管結(jié)構(gòu) 小型冷凝器換熱管采用簡(jiǎn)單的等徑管，加工工藝簡(jiǎn)單可靠，但存在： 換熱器整體傳熱系數(shù)較低 同樣換熱量下所需的傳熱面積大、耗費(fèi)材料多、占用空間大等4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 某熱泵熱水器中采用降膜冷凝技術(shù) 內(nèi)置盤(pán)管分為若干

15、段，分段采用變截面結(jié)構(gòu)4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 熱泵熱水器按國(guó)標(biāo)名義工況進(jìn)行整機(jī)實(shí)測(cè) 當(dāng)水溫從15升高到55時(shí)，其平均cop超過(guò)3.6，高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的3.4 4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 實(shí)測(cè)結(jié)果比較 熱泵整機(jī)cop獲得一定提升，而換熱面積、材料重量及充注量均有明顯下降，同時(shí)監(jiān)測(cè)冷凝器前后的壓力變化表明其制冷劑側(cè)的流動(dòng)阻力并沒(méi)有明顯變化 項(xiàng)目1常規(guī)盤(pán)管熱泵2降膜冷凝器熱泵2與1比較壓縮機(jī)名義制冷量2000w名義制冷量2000w外表面積 0.8580.7-18.4%質(zhì)量 kg11.69.1-21.6%充注量 g705550-22.0%制熱量（水溫55） kw2.3

16、2.30.0%平均cop（水溫55）3.43.65.9%4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 維持兩比較樣機(jī)cop不變條件下的補(bǔ)充實(shí)測(cè)結(jié)果表明： 采用降膜冷凝器時(shí)其換熱面積和材料重量均下降達(dá)30%以上 4. 熱泵機(jī)組采用降膜冷凝器的性能實(shí)測(cè)分析 更多的空調(diào)熱泵開(kāi)發(fā)實(shí)測(cè)表明： 該技術(shù)路線與結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對(duì)于改進(jìn)冷凝換熱性能、降低傳熱面積和材料使用量是有效的 5.應(yīng)用領(lǐng)域與對(duì)金屬材料的節(jié)約 降膜冷凝技術(shù)可方便地應(yīng)用于各種冷凝器結(jié)構(gòu)，例如盤(pán)管式、殼管式、列管式、套管式、板式、風(fēng)冷翅片式等，其中部分結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)體現(xiàn)在如下的多項(xiàng)專利設(shè)計(jì)中： i 張茂勇. 一種熱泵熱水器用高空泡降膜冷凝器: 中國(guó),

17、2009202225146 p. 2009. ii 張茂勇. 一種微通道平行流降膜冷凝器: 中國(guó), 2010201528801 p. 2010. iii 張茂勇. 一種殼管式降膜冷凝器: 中國(guó), 2010201529289 p. 2010. iv 張茂勇. 一種殼管套管復(fù)合式降膜冷凝器: 中國(guó), 2010201519855 p. 2010.5.應(yīng)用領(lǐng)域與對(duì)金屬材料的節(jié)約 降膜冷凝器在許多工業(yè)領(lǐng)域的工藝及熱工流程中均有應(yīng)用價(jià)值 空調(diào)領(lǐng)域的各類熱泵系統(tǒng)的冷凝器 電廠水冷式及空冷式凝汽器 熱電廠首站及熱力站大型汽水換熱器 石化、化工等領(lǐng)域的蒸餾冷凝過(guò)程等 實(shí)際上目前某些化工產(chǎn)品早已在冷凝過(guò)程中應(yīng)用的

18、降低液膜的結(jié)構(gòu)原理，例如降膜吸收器，只是其首先為了加速傳質(zhì)吸收過(guò)程，與本文所述降膜冷凝器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理與結(jié)構(gòu)有所不同 中國(guó)銅材消費(fèi)量及其價(jià)格形勢(shì)日趨嚴(yán)峻 根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)資料，中國(guó)銅管產(chǎn)量從2001年的36.8萬(wàn)噸到2005年的105.1萬(wàn)噸，其中約有75%是空調(diào)用管，估計(jì)2005年中國(guó)空調(diào)用管生產(chǎn)量可達(dá)78.8萬(wàn)噸，而在世界銅管的總產(chǎn)量中，約有60%是空調(diào)用管的生產(chǎn)量 2009年中國(guó)銅加工材的表觀消費(fèi)量為747.6萬(wàn)噸，其中銅管消費(fèi)量99萬(wàn)噸 受金融危機(jī)影響近幾年空調(diào)用管增幅較為平緩，2010年中國(guó)精銅表觀消費(fèi)量直接計(jì)算為745萬(wàn)噸，約占世界銅消費(fèi)量的40%，而5年前才只有20%左

19、右 同時(shí)，中國(guó)銅礦資源相對(duì)較低，需由大量進(jìn)口補(bǔ)充，由此中國(guó)銅材價(jià)格易受?chē)?guó)際資本影響，消費(fèi)量大幅增加時(shí)易于蒙受很大經(jīng)濟(jì)損失 因此作為重要解決途徑，發(fā)展和應(yīng)用節(jié)約管材技術(shù)至關(guān)重要5.應(yīng)用領(lǐng)域與對(duì)金屬材料的節(jié)約按目前空調(diào)用管消費(fèi)量80萬(wàn)噸計(jì)算，并假設(shè)其中約4045%用于冷凝換熱管，即每年消費(fèi)約3236萬(wàn)噸，則如果其中50%的冷凝器采用降膜冷凝技術(shù)或等流速汽水換熱器技術(shù)，并取得節(jié)省20%管材的效果，則每年可節(jié)省銅管消費(fèi)約34萬(wàn)噸如按每噸銅管78萬(wàn)元計(jì)算，可節(jié)省成本2530億元以上。如推廣到其它行業(yè)，其節(jié)省銅材的效益會(huì)更高另外，目前采用不銹鋼管、鋁合金管、“邦迪管”等材料的冷凝器中采用該技術(shù)方法也可獲得良好節(jié)約管材的效果，因此其潛在的節(jié)省成本