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蒸发式冷凝器经济技术分析王铁军吴昊刘向农唐景春(合肥工业大学机械与汽车工程学院, 230009)摘要: 分析了蒸发式冷凝器的传热机理、结构和技术特点, 基于投资经济学理论及其分析方法建立了经济技术分析模型,应用该模型对制冷装置的冷凝器选型做了运行期经济效益分析计算。结果表明, 采用蒸发式冷凝器可大幅节约运行费 用, 间接产生较大的投资回报。文中建立的分析模型对投资和设计方案的评估分析具有广泛的参考价值。关键词: 制冷与低温工程 蒸发式冷凝器 经济技术分析 模型引言1蒸发式冷凝器主要利用水蒸发吸收潜热进行传热, 是一种高效节能的换热设备, 在制冷制置和石油化工等行业有广泛的应用。由于传热效率高、节能、结构紧凑和安装方便等优点, 蒸发式冷凝器在美国为代表的发 达国家有较广泛的应用1, 2 。近年一些国际著名公司纷纷在中国建立合资企业, 推动了产品的技术升级; 本地企业在市场竞争中技术水平迅速提高, 产品性能逐步完善, 形成了产品结构初步合理、市场价格高低有序的格局。 产品性能的提高和价格的下降( 合资企业的高价产品降价幅度达 30% ) , 为蒸发式冷凝器的推广使用 创造了良好的物质条件。在蒸发式冷凝器的研究和工程应用方面国内同行做了大量卓有成效的工作, 煤炭部 在建井冻结工程的技改项目中推广使用蒸发式冷凝器取代水冷式冷凝器, 以确保降低生产成本和节约用水3; 蒸发式冷凝器在空调装置上的应用实验4, 5 已发现有大幅节能的应用前景; 蒸发式冷凝器与水冷式冷凝器在冷库中应用的分析比较6 表明前者节能优势明显; 蒸发式传热传质实验研究7 认为蒸发式冷却设备大有发展前途。 然而目前国内蒸发式冷凝器应用比例和水平都不高, 其主要原因是: ①对其技术和经济优势 认识不足; ②技术更新和发展滞后; ③技术的应用和管理水平落后。 本文从技术和经济两个方面对蒸发式冷 凝器进行了细致地分析和横向比较, 建立了经济分析模型, 对采用不同冷凝器的制冷装置的运行经济性做了分析和预测, 论证了蒸发式冷凝器的技术和经济优势, 为推广其在制冷装置中的应用, 优化资源配置提供依 据。冷凝器的种类、传热原理和特点2冷凝器是制冷装置的主要换热设备之一, 高温高压的制冷剂蒸气在冷凝器中冷却、冷凝, 完成向高温热源的放热过程。 冷凝器的种类主要有空气冷却式(风冷式)、水冷式和蒸发式三大类。 蒸发式冷凝器是冷凝器和冷却塔的组合, 主要利用水蒸发吸收潜热传递热量。它的传热传质过程由两部分组成: ①热量通过换热管内壁传给管外水膜, 传热的驱动力来自于制冷剂和水膜的温差; ②热量通过水膜 与空气的热质交换释放给空气, 传热的驱动力取决于两者的焓差。风冷式冷凝器传热的驱动力是冷凝温度与环境干球温度的差值, 蒸发式冷凝器的传热主要取决于环境 湿球温度, 通常干湿球温度相差 7～ 12℃, 加上水膜与金属壁面的传热系数大和风机产生的局部负压作用,因此蒸发式冷凝器的冷凝温度远低于空冷式。水冷式冷凝器传热的驱动力是冷凝温度与水温的差值, 在外部气象条件相同, 即有相同的湿球温度和水 温时, 其传热的驱动力相当, 蒸发式冷凝器传热能力强的原因主要是: 交叉流的气流扰动和水膜的流动及蒸 发都强化了热质交换。Ξ 收稿日期: 2003- 03- 24低 温 与 超 导第 31 卷66各种冷凝器的结构性能特点如表 1 所示。表 1 冷凝器的种类与特点项 目风冷式水冷式蒸发式传热驱动力换热系数 冷凝温度 用水量 辅助功率消耗冷凝温度与空气干球温度差小 高 无大 (风机)冷凝温度与冷却水温度差较大 较低 循环水流量大 大 (水泵、风机)冷凝温度与空气湿球温度差大 低 流量小小 (水泵、风机)壳管式 套管 式包括冷却水系统, 结构复杂, 庞大,适用于大、中、小型制冷装置翅管式, 结构紧凑, 安装使用方便, 适用于大、中、小型制冷装置, 大量用于风源热泵空调系统结构较紧凑, 安装使用相对壳管式较方便, 适用于大、中型制冷装置, 有向小型制冷装置发展的可能结构使用特点结构紧凑, 安装使用方便, 金属耗量大, 适用于中、小型制冷装置分析模型建立3在对投资或设计方案进行可行性分析和择优决策时, 经济分析方法主要是进行投资效益的评价和预测。本文分析对象为制冷机组, 目的是为制冷机冷凝器类型的设计选择提供参考, 初选方案有风冷式、水冷式和 蒸发式冷凝器。本案例设定分析对象完成相同任务, 制冷工质和用冷要求相同, 不考虑运行利润, 对比分析时采用“净现值法”8 。3. 1 投资费用M t = ∑m ti = m t1 + m t2 + m t3(1)其中M t 为制冷机组初投资, m t1 、m t2 和m t3 分别为制冷机组 (不包括冷凝器及水系统)、冷凝器