由于蒸發冷卻冷凝技術的優點明顯,蒸發冷卻設備早在20世紀70年代就得到了廣泛的應用,前期的研究也主要集中于設備尺度的研究,并從熱力學、節能和節水角度論證了蒸發 式冷卻技術相對于其他冷卻技術的優勢,但研究中偏重于設計(包括傳熱膜系數計算)、優化、控制、傳熱傳質過程強化及應用等方面的問題。
1952年,S.G.Chuklin提出了蒸發式冷凝器管內制冷劑冷凝設計的普遍化方法。
1962年,Parker和Treyball發現,1960以前模型假定噴淋水溫恒定是矛盾的,并利用 傳熱系數U和傳質系數K作為評價參數,假設劉易斯( Lewis)關系式成立的情況下,提出 了蒸發式冷卻器新的數學模型。再通過對管內外流體5種不同的組合實驗,得到了傳熱膜系 數的關聯式。他們發現,用傳熱傳質類比法得出的傳質系數與實際值有一定偏差。Parker和 Tl-eyball的工作為今后蒸發傳熱傳質理論和實驗研究奠定了基礎。
1967年,Mizushima等人通過變化風量和水量對蒸發式冷卻器進行實驗研究,分析了銅 管換熱管及其內外3種流體間的分傳熱膜系數,利用水膜和空氣Re數關聯出了經驗計算公 式,并與現有公式進行了比較,即管外水膜傳熱系數公式比Parker和Treyball的結果 高30%。
1 973年,日本的尾花英郎在水科篤郎等人提出傳熱膜系數經驗公式的基礎上,比較系 統地介紹了蒸發式冷卻器的設計方法,并作出了以氨為工質,冷卻溫度在60~lOO度范圍內的傳熱效率對傳熱單元數的一系列圖表。
1975年,S.G.Chuklin對具有潤濕薄膜換熱表面的平板型蒸發式冷凝器進行了實驗研 究,指出盤管型蒸發式冷凝器的缺點是管間風速很難很過3.5 m/s;闡述了水膜溫度與濕球溫度之差是傳熱傳質的推動力,并據此給出了簡化的傳熱膜系數公式;對空氣速度、濕球溫度及水膜溫度進行考察后,得出其冷凝溫度與水膜溫差一般在3—4℃,且水膜溫度提高2度 則表面熱流密度需增加25%;濕球溫度為22℃時,平板型蒸發式冷凝器表面熱流密度達 2.8 kW/m2。
1 979年,Leidnfrost等人在假定劉易斯數(Le)等于1的情況下,給出了板翅式和盤管式蒸發式冷凝器性能評估的分步計算方法。
1 983年,Urivel Fisher、Wolfgang Leidenfrost和JiashangLi對蒸發式冷凝器與涼水塔混合系統的實驗表明,此系統能顯著降低冷凝溫度,并節約換熱面積。此外,還共同開發了一套用于設計水平或豎直放置的光管、翅片管蒸發式冷凝器與涼水塔混合系統的計算機程序,應用效果良好。
1984年,Perez-Blanco和W.A.Bird對豎直光滑管蒸發式冷卻器(管外為無相變熱流體,管內為噴淋水膜和氣流間蒸發作了傳熱傳質實驗研究。指出蒸發式換熱設備的兩個特點是:①傳質帶動傳熱;②理論上可將介質冷卻至濕球溫度。利用汽液界面處的傳熱傳質關聯 方程法建立了傳熱傳質過程的模型,并進行了單管模型的實驗驗證。結果表明,控制熱阻在空氣一水交換界面的發生,是強化傳熱機理研究的著手點。他們還建立了適用于光滑豎直管 蒸發式冷凝器性能汁算的經驗關聯式,該豎直管表面熱流密度在2.2~4. 2kW/m2之間。 1985年,RaJphL Webb和AleiandroVillacres在ASHRAE的資助下得出了蒸發式換熱器 (涼水塔、流體冷卻器及冷凝器)性能模擬的計算機算法,此算法可應用于工業設備及各種操作工況下的性能核算,且其計算結果與制造廠家BAC(美國巴爾第摩)提供的數據相差僅在±3%以內。
1988年,Erens P J對幾種蒸發式冷卻器芯體的設計方案作了探討和模擬計算,發現在蒸發式冷卻器殼體內芯體添加塑料填料( Munter)后可顯著增強光滑管冷卻器的傳熱性能, 而毋須使用成本很高的翅片管來增加傳熱面積。
1988年,Peterson D等人綜述了蒸發換熱設備數學模型的發展過程,指出了各個文獻間的矛盾和不統一性,在修正Park和Treybal分析方法的基礎上,建立了蒸發式冷凝器的簡單 一隨觀分析模型,并利用制冷劑R22在工廠蒸發式冷凝制冷系統中進行了實驗研究。實驗結果表明,熱負荷比預測值低30%,噴淋水溫低3℃,若總傳熱系數U乘以1.9的系數則可達 到較好的預測效果。同時還發現,傳熱傳質系數與噴淋水關系不大,只是在較低流量即尚未 達到完全潤濕的情況下才有影響。
1 989年,上海交通大學進行了氨蒸發式冷凝器熱工性能實驗。結果表明,冷凝溫度和空氣濕球溫度對單位面積熱負荷影響較大,其次為迎面風速,噴淋水量影響較小。得出了不 同工況下冷凝能力換算曲線,且可應用于實際工程計算。在標準工況下,其單位面積熱負荷為1.6kW/m2,與當時日本和前蘇聯產品相當。
1989年,蘭州石油機械研究所介紹了蒸發式冷卻器的基本原理及結構特點,指出蒸發式冷卻器分為上下兩段,上部以傳熱為主,下部以傳質為主,下部可采用填料增加傳質面積,強化傳熱傳質。分析了使用中結垢的原因,介紹了蒸發式冷卻器的一維單元設計方法, 指出應以電子計算機設計為主。
1 990年,哈爾濱空氣調節機廠與廣東茂名石化公司合作開發研制了帶有翅片預冷器的 ZL - 250蒸發式冷卻冷凝器,并在我國首次應用于煉油行業,總結了其節能、節水及經濟性 優點。
1990年,北方交通大學給出了蒸發式冷凝器的計算機輔助設計計算方法,其誤差可控 制在1%以內。得出了適宜的風速為3.O~3. 5m/s,以及合理的配風量和配水量。
1990年,上海交通大學把蒸發式冷凝器中的冷凝溫度與水膜平均溫度之差轉化為焓差, 導出了不含水膜溫度的單位面積負荷的簡化計算公式,與試湊法和圖解法相比大大簡化了計算過程,且與其實驗結果相當接近。
1991年,胡元剛介紹了蒸發式排管冷卻器的結構特點,分析了橫流式蒸發式冷卻器的設計計算方法,對比了使用效果和投資優勢。
1 997年,重慶大學劉憲英教授等人對蒸發式冷凝器在房間空調器中的應用進行了實驗研究,結果表明,采用蒸發式冷凝器可使房間空調器的能效比( EER)提高50%-70%。
1997年,Faishl I等人對兩步式蒸發冷卻器的性能做了實驗研究。結果表明,帶有涼水塔的兩步式蒸發冷卻器要比沒有涼水塔的系統具有更高的換熱效率,也優于一步、直接接觸 式蒸發冷卻器。
1998年,Wittek指出了蒸發冷卻的非線性特性,著重研究了冷卻設備結構對蒸發冷卻的影響,并指出了結構強化傳熱傳質的方向。
1 999年,蔣常建等人對光滑銅管管束和翅片銅管管束橫流式蒸發冷卻器進行了傳熱傳 質實驗,根據焓差法的Makerl方程得出容積散質系數(傳質系數)。結果表明,空氣流速對 傳質系數影響遠大于噴淋水量,且低翅片管束可增加傳質系數20%—30%。
2000年,波蘭Wojciech Zalewski等人建立了蒸發式換熱器的重量、部件尺寸幾何參數 和設備費用模型以及風機和水泵操作參數和費用的模型,并據此進行了優化設計及實驗驗 證,以較小的費用達到較佳的冷卻冷凝效果。結果表明,換熱管長度和盤管高度對性能影響 較大,是管外徑的1.3倍,管間距的20~33倍;管內熱流體和空氣濕球溫度差影響較大, 是風速的7倍,是噴淋水密度的30倍。
2000年,葡萄牙Jorge Facao等研究了建筑空調用閉式冷卻塔的熱力性能,得到了傳熱 ‘ 傳質實驗關聯式,并與Mizushima的結果進行了比較。發現將新的關聯式應用于現有模型 后可得出比較滿意的結果。
2001年,美國Hwang等人對轉盤蒸發式冷凝器進行了實驗研究。實驗嚴格按照 ASHARE的測試條件進行,使用的制冷劑是氟利昂R22,通過實驗優化了轉盤速度和系統的 操作參數。另外,還對9kW的家用空調使用此蒸發式冷凝器進行了計算機模擬。轉盤型蒸 發式冷凝器同傳統的風冷式冷凝器相比較,冷凝負荷提高了1. 8%~8.1%,COP值提高了 11. 1%~21. 6%,SEER值提高了14. 5%。
2001年,美國K.A.Manske等人對蒸發式冷凝器在工業制冷系統中需要不同蒸發溫度 的使用場合進行了研究,對系統中的各部件建立了模型。仿真計算結果表明,進行優化設計 和控制的蒸發式冷凝器制冷系統每年可節約能耗11%以上。他們在總結了蒸發式冷卻技術 工業應用成果的基礎上,指出其濕球溫度、冷凝溫度、風機及水泵動力控制是影響蒸發式冷 卻效果的較關鍵因素。
2001年,Hisham M.Ettouney等人對蒸發式冷凝器(采用兩組翅片管+填料的結構形 式)的性能進行了實驗研究,且與風冷式冷凝器進行了比較。結果表明,蒸發式冷凝器系 統的效率介于97%-99%之間,而風冷式冷凝器系統的效率介于88%~92%之間。系統效 率隨水一空氣比例L/G的減小及管內蒸汽溫度的升高而提高。
2002年,華南理工大學教授朱冬生教授等人進行了用交變曲面波紋管代替光管和橢圓 管的試驗。初步實驗表明,它能有效增加水膜在管表面的覆蓋面積,加速水膜更新速率,能 有效強化蒸發式冷卻的傳熱傳質過程。
2003年,芬蘭Ala Hasan和Kai Siren對φ10mm光管和板翅銅管蒸發式冷卻換熱器的性能 在相同操作條件下進行了實驗研究和比較。結果表明,傳熱系數Uo分別為1100W.m -2.k-1 428W.m-2.K-1,但由于翅片管總傳熱面積為光滑管的4倍,一定的管束容積和相近的能 量指數(表征熱一動力特性)下,翅片管傳遞熱量比光管高92%一140%通過實驗還分別 得到了傳質系數關聯式,并與Parker Treybal,Mizushina,Miitsu等人的關聯結果進行了 比較。
2003年,上海交通大學對戶式空調蒸發式冷凝器各種影響因素進行了實驗研究和熱質 交換規律分析。結果表明,對于φlOmm的盤管裝置,較小噴淋密度為0.0484kg.m-2S-1, 較小截面風速的較佳值為2.6~2. 9m/s。濕球溫度通過影響進口空氣焓值對熱質交換產生 作用。
2003年,王鐵軍等人建立了經濟技術模型,并對制冷裝置的冷凝器選型作了運行期經 濟效益分析計算。結果表明,采用蒸發式冷凝器輔助功耗比水冷式和風冷式節約1/3,循環 水量比水冷式減少1/2,壓縮機功耗減少5% ~30%,可大幅節約運行費,間接產生較大的投資回報。
2004年,芬蘭Ala Hasan和Kai Siren對橢圓光管和圓管蒸發式冷卻器在相同操作條件下 進行了性能比較的實驗研究,表明橢圓管的平均傳質Corbum因子Jm是圓管的84%,平均摩 擦因子f是圓管的46%,而橢圓管的傳質因子與摩擦因子的比率jm/f是圓管的1.93~1.96 倍,這意味著橢圓管有更好的熱力和水動力特性。
2004年,土耳其M.Hosoz和A.Kilicarslan對風冷、水冷和蒸發冷的制冷系統性能進行 了實驗評估比較。結果表明,使用蒸發式冷凝器的系統制冷能力和COP值比風冷式的分別 提高31%和14.3%。
2005年,華南理工大學對咖16mm銅盤管蒸發式冷凝器進行了傳熱傳質理論分析和實驗 研究,實驗分析了傳熱傳質的各種影響因素,并得到了實驗關聯式。
2005年,沙特Bilal A.Qureshi等建立了蒸發式冷凝器污垢模型,結果表明,循環水溫 度比進口空氣濕球溫度更能體現蒸發式冷凝器的性能,污垢對傳熱性能的影響較高可達 75 %,且結垢也因濕球溫度降低而使性能提高程度降低。
2005年,周景鋒等人對應用于海水淡化系統的蒸發式冷凝器進行了實驗研究。試驗表 明,它是一種高效、節能并適合家庭使用的小型海水淡化裝置。
2005年,劉彥軍對浸沒管束蒸發冷卻過程的換熱和阻力特性進行了實驗研究,主要考 察了不同空塔速度、熱流密度和管束排布方式對換熱系數和空氣阻力的影響。
2006年,沙特Bilal A.Qureshi等人綜合并研究了蒸發式冷凝器數學模型,并將污垢模 型綜合在內進行性能評估。結果表明,污垢水平p=0. Ol時,設備換熱性能下降66.7%。 之后還對蒸發式冷凝器進行了敏感性分析,表明冷凝溫度是較敏感的因素。
2006年,華南理工大學對蒸發式冷凝器管外流體流動與傳熱傳質性能和機理進行了研 究,豐富了蒸發式冷凝器研究的理論體系。
2006年,華南理工大學朱冬生教授等人對蒸發式冷凝器強化性能進行了研究,建立了 試驗平臺,測試了風速和噴淋密度的影響。此外,還進行了利用填料強化傳熱傳質性能的 試驗。 2006年,王鐵軍對噴淋蒸發翅管式冷凝器進行了傳熱傳質分析,建立了傳熱傳質數學 模型和設計計算方法,簡要分析了環境溫濕度、管翅結構、風速及淋水量等一些主要因素對 傳熱傳質性能的影響。 2007年,沙特Bilal A.Qureshi等人研究了蒸發換熱設備的蒸發損失,依據生產商BAC 推薦的經驗公式,得出預測值與模擬結果比較一致,較大誤差在4%,大部分情況下低于 2%。同時,基于熱力學第二定律,分析了蒸發換熱設備的熱動力特性。