作者簡介： 張建一，集美大學教授/院長

摘要：本文闡述了蒸發式冷凝器選型的常用方法及一般步驟。并依據國內、國外推薦的經驗數據計算得出，蒸發式冷凝器的單位排熱量耗功分別約為21.86 W/kW、11.12 W/kW，前者能耗約為后者能耗的2 倍。同時本文提出了蒸發式冷凝器選型的能耗核算公式，并通過實例分析了該公式的應用。研究發現，選用不同品牌的蒸發式冷凝器，運行能耗差異很大。本文提出的能耗核算公式，可以方便地比較不同品牌蒸發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者。
關鍵字：蒸發式冷凝器；選型；能耗；公式

1 前言

蒸發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點，目前已經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 個公用冷庫制冷裝置的調查[1]發現，蒸發式冷凝器的應用約占81%，見圖1。
 

一般情況下，立式水冷式冷凝器的進出口水溫差為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℃，比風冷式冷凝器低8～11℃，這大大地降低了壓縮機功耗。

同時，由于循環水量的減少，水泵的動力消耗也明顯降低。文獻[2]指出蒸發式冷凝器的風機動力消耗，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，蒸發式冷凝器受到國內外工業制冷用戶的普遍青睞。

作者發現，國內外不同品牌蒸發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式冷凝器選型的方法，然后根據國內外不同的經驗數據計算了蒸發式冷凝器的理論能耗。最后，通過典型蒸發式冷凝器產品的電機配置，總結出了蒸發式冷凝器的能耗核算公式。

2 蒸發式冷凝器選型的方法

目前蒸發式冷凝器選型方法主要有兩個：一是依據冷凝器的熱負荷進行選擇；二是依據制冷系統的制冷量進行選擇。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 的蒸發式冷凝器。

3 蒸發式冷凝器的理論能耗計算

蒸發式冷凝器系統的能耗主要由風機和循環水泵組成，風機功率可由下式計算：

Nf＝Pf·LD (1)

式中：Nf 單位冷凝負荷的風機功率（W/kW）
Pf 風機風壓（Pa）
LD 相應于單位冷凝負荷的風量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]推薦了美國的蒸發式冷凝器經驗數據，國內機械行業標準JB/T7658.5-95 氨制冷裝置用蒸發式冷凝器[5]也推薦了經驗數據。兩者的比較見表2。

表2 國內外蒸發式冷凝器的經驗數據
來 源 熱負荷q (kW/㎡) 循環水量Gw [L/(s·kW)] 風量LD [m3/(h·kW)]
美國工業制冷手冊[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。考慮到實際安裝情況，水泵的揚程設為10m。由公式(1)、(2)可得，國內的蒸發式冷凝器Nf＝18.72 W/kW，Ns＝3.14W/kW；美國的蒸發式冷凝器Nf＝9.36 W/kW，Ns＝1.76W/kW。因此，根據國內、國外推薦的經驗數據計算得出，蒸發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)．用戶在選用蒸發式冷凝器時，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；循環水量和風量越小，能耗越低。

(2)．國內制定的蒸發式冷凝器標準門檻較低，產品性能較差，能耗較高。但是需要指出，近年來許多國內生產蒸發式冷凝器的廠家為了提高產品的競爭力，分別制定了較高的企業標準。如上海上楓制冷設備有限公司的企業標準規定冷凝器熱負荷為4 kW/㎡，實際的產品高達5.41 kW/㎡。

4 蒸發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

筆者在對典型產品的技術參數比較分析發現，不同的蒸發式冷凝器，其單位排熱量能耗有明顯的差異。顯然，蒸發式冷凝器的能耗由水泵和風機組成。產品的技術手冊上均有水泵、風機的額定功率以及冷凝器的排熱量，據此可以歸納出一個單位排熱量的耗功Φ 的計算公式。

根據公式（3），用戶可以根據需要的冷凝負荷，用Φ 值的大小來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 選用蒸發式冷凝器產品進行實例核算。

4.2 能耗核算公式的應用

目前國內典型的蒸發式冷凝器產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。用戶在選用不同品牌的蒸發式冷凝器時，不僅要明確產品設計依據的標準，而且還要進行詳細的能耗核算。以下選用上述廠家中三種典型品牌的蒸發式冷凝器A、B、C，利用公式（3）進行能耗核算。依據各自的技術手冊，可知三種不同排熱量的不同品牌蒸發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式冷凝器單位排熱量風機、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，不同品牌蒸發式冷凝器的產品價位基本相同。由表4 可得，如果要選用排熱量約為345 kW 的小型蒸發式冷凝器，應選用蒸發式C；蒸發式A、B 的單位排熱量耗功約為蒸發式C 的1.85 倍、2.68 倍。如果要選用排熱量約為1200 kW 的中型蒸發式冷凝器，應選用蒸發式A；蒸發式B、C 的單位排熱量耗功約為蒸發式A 的2.31 倍、1.30 倍。如果要選用排熱量約為2010 kW 的大型蒸發式冷凝器，應選用蒸發式A；蒸發式B、C 的單位排熱量耗功約為蒸發式A 的2.46 倍、1.33 倍。

上述計算分析表明，不同品牌蒸發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式冷凝器能耗進行核算，保證選用的蒸發式冷凝器是最節能的。實際產品中，國內外不同品牌蒸發式冷凝器價格存在一定的差距，用戶往往對一次投資比較重視。因此，選型時必須特別注意，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行全面分析比較。

4.3 不同品牌蒸發式冷凝器的風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式冷凝器的風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，故為了提高蒸發式冷凝器的傳熱系數，一般采用增大風機的風量，而不是去增大水泵的流量。因此，蒸發式冷凝器中風機的能耗占主導。

需要指出的是，不同品牌的蒸發式冷凝器的水泵及風機能耗不同的一個主要原因，是由于蒸發式冷凝器的能耗與噴淋水形式、蛇形盤管的排列形式及其截面形式有密切的關系。不同的產品設計形式會造成不同的水泵及風機能耗。

5 結論

(1)．用戶在選用蒸發式冷凝器時，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；循環水量和風量越小，能耗越低。

(2)．產品選型中，選用不同品牌的蒸發式冷凝器，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，選型時應該對不同品牌的蒸發式冷凝器進行能耗核算，以便找出最節能的產品。

(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[M]．機械工業出版社，2007．
[3] 莊友明．蒸發式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比較及經濟性分析[J]．制冷，2001，20(1)：65-69．
[4] Wilbert F. Stoecker. Industrial Refrigeration Handbook[M]. New York: McGraw-Hill, 1998.
[5] 機械工業部冷凍設備標準化技術委員會．制冷空調技術標準應用手冊[M]．.機械工業出版社，1997．