蒸发式冷凝器选型方法优化

大部分蒸发式冷凝器的选型是通过选型目录进行选择。

一台高效的蒸发式冷凝器的设计，需要优化许多的因素，包括管尺寸、管长度、管间距、制冷剂循环、空气流量、冷凝器的箱体尺寸、喷淋水流量。制冷剂的传热知识，湿表面传热是蒸发式冷凝器的设计需要掌握的基本知识，理解影响蒸发式冷凝器排热能力的三个变量——湿球温度、空气流量、喷淋水的流量如何变化。

一些蒸发式冷凝器的早期设计数据如下（供参考）^[1]：

1m²蒸发式冷凝器的传热面积排热量：4kW。

1kW排热量需要的喷雾水循环流量：0.018L/s。

1kW排热量需要的循环风量：0.03m³/s。

通过冷凝器的风压降：250～375Pa。

1kW排热量需要的蒸发水量：1.5L/h。

以上的数据只是蒸发式冷凝器在20世纪80年代设计的数据。随着研究产品开发的速度和技术的进步，生产厂家利用产品的测试平台，制定出更加合理的换热管的布置，以及喷雾水循环流量和循环风量。

一般情况下，制造厂家根据自己的产品特点，每个产品系列对应不同的制冷剂、不同的冷凝温度以及不同的湿球温度，制定出不同的标准排热能力。用户或设计人员可以根据制造厂家提供的产品选型目录，选择出系统合适型号的蒸发式冷凝器和数量。通常的选型程序：

1）确定设计条件、冷凝温度和湿球温度。

2）确定系统所需的总排热量，总排热量=压缩机制冷量+电动机耗功。

3）根据排热系数图表（由冷凝温度和湿球温度确定）查出负荷修正系数。

4）系统的总排热量乘以排热系数，确定修正后的排热负荷，选择合适的型号。

如何确定压缩机的制冷量？这似乎不是一个问题，问题是压缩机的制冷量由哪一个蒸发温度确定。因为对于压缩机的每一个蒸发温度，对应的制冷量是不同的，对于肉类的速冻加工确实是一个不容易回答的问题。对于普通的冻结物冷藏间或者冷藏物冷藏间，一般把压缩机设置的最低蒸发温度对应的制冷量作为压缩机的制冷量，这是因为在这些冷藏间中设定的温度波动范围不大，通常也就是±（2～3）℃，要知道压缩机的这个制冷量是指平均制冷量，因此在温度波动范围不大的情况下，这种选择是可以的。(www.xing528.com)

例如以一台螺杆压缩机OSNA8591-K为例^[8]，使用的是氨制冷剂。在冷凝温度35℃，蒸发温度-28℃±2℃时，直接从这台压缩机的选型软件（采用中间补气方式）可以知道，它的冷凝负荷在蒸发温度-28℃时是182.5kW，最大和最小的冷凝负荷在165.7～200kW之间。以182.5kW为基础，它的变化范围也就是±9.5%左右。根据笔者的了解，这种工业产品的实际测定数据与产品额定数据一般有5%～10%的余量，以压缩机的蒸发温度-28℃选取的冷凝负荷是可以接受的范围。

如果压缩机用于冻结食品，需要冻结的猪肉从26℃开始降温。假定降温的蒸发温度是从-10℃开始计算，采用冷风机吹风冻结，当猪肉完成冻结时的中心温度达到-18℃，这台压缩机运行对应的蒸发温度可能是-38℃，从这台压缩机的选型软件（采用中间补气方式）可以知道，它的冷凝负荷在蒸发温度-10℃时是444kW，-38℃时是127.5kW，最大和最小的冷凝负荷在127.5～444kW之间，耗能量变化曲线^[9]大致如图5-9所示。

图5-9 冻结过程中的耗能量变化

从压缩机的数据^[8]可以知道，最大和最小的冷凝负荷区间变化很大。而猪肉的冰冻点在-2.2～-1.7℃之间，从参考文献[1]中可以查出，100kg猪肉从+26℃冷却到0℃时，所需要冷却的焓值是Q₁=100×（290.8-212）kJ=7880kJ。而从-5℃冻结到-18℃所需要冷却的焓值是Q₃=100×（54.5-4.6）kJ=4990kJ。通过冰冻点从0℃下降到-5℃，温差只是5℃所需要冷却的焓值是Q₂=100×（212-54.5）kJ=15750kJ。比较Q₁、Q₂和Q₃，无疑Q₂是最大的。在工程选型上，通常把冻结食品通过冰冻点的蒸发温度范围，定义为压缩机冷凝负荷的选择范围。不同的冻结方法有不同的蒸发温度，例如采用螺旋速冻机和采用平板冻结比较，这个过冰冻点的蒸发温度会相差20～25℃。应该说，食品冻结初期的冷凝负荷是最大的。但是，这段时间不长。如果这种负荷实在太大而影响压缩机的运行（冷凝压力太高），可以控制压缩机上载百分比；如果是采用直接膨胀供液，可以采用限制蒸发器的最大工作压力的（Maximum Operating Pressure）MOP膨胀阀。这些都是解决速冻冷凝负荷初期过大的办法。

在工程实际过程中，如何确定压缩机的这个过冰冻点的蒸发温度？一般有两种方法：

1）蒸发温度倒推法。这里以速冻饺子为例，采用螺旋速冻机进行冻结。饺子的主要成分是猪肉，在完成冻结的时候，压缩机的蒸发温度为-42℃，而饺子的中心温度是-15℃，两者相差27℃。假如饺子经过冰晶点的温度是-3℃（因为饺子除了猪肉以外，还有面粉和水及调味料等），那么压缩机选取的经过冰晶点的蒸发温度是-（27+3）℃=-30℃。如果采用螺杆压缩机OSNA8591-K进行冻结，压缩机（带经济器）在冷凝温度35℃、蒸发温度-30℃的冷凝负荷是192.8kW。

2）冻结温度曲线推算法（图5-10）。这里如果采用立式平板速冻机冻结分割猪肉（这种冻结方法在欧美国家非常流行，见图5-11），在被冻结的猪肉中放进测量温度的探头。在冻结阶段的初期，温度下降很快，但到达某个温度范围内，这条曲线几乎是一条直线。这条直线的时间段几乎占了整个冻结时间的1/3以上。那么在这段时间压缩机运行的蒸发温度要找到对应的冷凝负荷，比如这个运行的蒸发温度是-10℃，如果采用上述压缩机（带经济器）在冷凝温度35℃下对应的冷凝负荷是444kW。

以上的两种计算法其实代表了现有的一些冻结模式，前一种方法是使用螺旋速冻机、速冻隧道等速冻温度比较稳定的速冻工况。笔者按冻结的最终蒸发温度（比如说按-42～-40℃），选择对应的压缩机型号能满足的情况下，一般采用的蒸发温度计算是-33～-30℃。即按已经选择的压缩机在-33～-30℃的工况下对应的负荷，来确定低压循环桶的负荷以及冷凝负荷。而后一种冻结模式代表采用直接接触速冻工具，如平板速冻机、浸泡冻结等方法。压缩机的选择是按前面一种方法，但是蒸发温度和冷凝负荷计算，是按冻结产品过冰晶点的温度进行的。而传统的速冻间冻结，所选择的冷凝负荷是在前面提到的这两者之间，这是笔者在实践中采用的方法。

图5-10 在冻结过程中产品的表面温度与中心温度[1]

对于压缩机冷凝负荷的选择，还与对制冷系统的压缩机选择数量有关，系统越大，选取压缩机的数量越多。在统计了系统的总冷凝负荷后，还要乘以系统同时使用系数。因为在系统设计时，一般是根据系统的最大使用负荷进行设计，而系统的实际运行大部分时间都不是处于最大使用负荷下运行。系统同时使用系数根据不同的条件一般在0.8～0.98之间，这个参数的确定需要设计人员与用户充分沟通，才能取得合理的结果。

图5-11 用于速冻分割猪肉的立式平板速冻机