蒸发式冷凝器经济技术分析

　　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1引言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,优化资源配置提依据。

　　2冷凝器的种类、传热原理和特点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。

　　收稿日期: 2003- 03- 24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冷凝温度与空气干球温度差冷凝温度与冷却水温度差冷凝温度与空气湿球温度差换热系数小较大大冷凝温度高较低低用水量无循环水流量大流量小辅助功率消耗大 (风机 )大 (水泵、风机 )小 (水泵、风机 )

　　结构使用特点翅管式 ,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壳 包括冷却水系统 ,结构复杂 ,庞大 ,管 适用于大、中、小型制冷装置式套 结构紧凑 , 安装使用方便 , 金属耗管 量大 ,适用于中、小型制冷装置结构较紧凑 , 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式3分析模型建立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Mt   =  ∑ mti   =   mt 1 +   mt 2 + mt 3( 1)

　　其中 Mt 为制冷机组初投资, mt 1 、 mt2 和 mt3 分别为制冷机组(不包括冷凝器及水系统 )、冷凝器、冷却水系统和风机水泵投资费用,占地费和安装费在分析时忽略。

　　3. 2运行费用Mr   = ∑ mri( 2)

　　运行费用 Mr 是冷水机组正常运行年支出费用,其中包括人员工资 mr 1 、设备维护费 mr 2 、折旧费 mr 3 和水电费 mr 4 等。 对于本文讨论对象,前两项相差不大,因不考虑运行利润,在现金流中不计折旧费,为方便计算不计水耗费用,分析时只考虑运行电费。

　　年运行费用为:Mr   =  365× k × k( 3)

　　其中 k 为当量年负荷率, k为单位工作日电费。

　　3. 3总投资总投资 M 是指机组运行 n 年,考虑货币的时间性、运行和投资费用的总和,用净现值表示。

　　n总投资:M = Mt +i= 1Mri × ( 1+    ke )- i( 4)

　　其中 ke 为贴现率, i 为投资方案的计算年, i = 1, 2… … n 。

　　3.4目标函数在方案决策中,以投资效率的净现值为评价指标,分析不同方案在 n 年的投资效益的净现值 M 和 M′及其差额ΔM 。

　　投资效益为:ΔM =   M - M′( 5)

　　目标函数: 投资效益ΔM 的最大化或总投资 M 的最小化。

　　4冷凝器选型的经济技术分析和计算举例4.1不同选型方案的制冷机的主要工作性能参数及其计算根据制冷机的用途、各类冷凝器的特点和气象条件确定制冷机的工况参数,计算中参考了大连冰山、烟  台冰轮、一冷开利和日立等产品的技术参数,计算结果见表 2。

　　表 2 单位制冷量冷水机组主要工作性能参数参数蒸发式水冷式蒸发式水冷式风冷式附注传热介质空气注: 低温冷水机组的压缩机计算样本型号为 2K F16C, 空调冷水机组的压缩机计算样本型号为 BL G11C30; 水冷式包括卧式壳管式冷凝器和冷却水系统。

　　计算表明: 蒸发式冷凝器制冷机的辅助功是水冷式和风冷式的 2 / 3左右,循环水量是水冷式的 60% ,压缩机的功耗相对于水冷和风冷机组有 5% 到 30% 的减少。

　　4.2经济分析应用举例现以蒸发温度- 15℃、冷负荷 160kW 的冷库和冷负荷 280kW 的空调冷水机组为例,选择蒸发式冷凝器、水冷冷凝器系统和风冷冷水机组如表 3、表 4和表 5,机组参考价和总功率如表 6。

　　空调机组水冷式LSBGL 11C2B163790438002350023109078. 1蒸发式LSBGL 11C2B1637908300024679072. 0* 主机价格中不含冷凝器及水系统 ,功率以表 2的计算值为依据。

　　设年贴现率 i = 5% ,冷库运行年负荷率 50% ,空调运行年负荷率 25% ,电费 0. 6元 /kWh,则年金现值系数 [A → P ] 5% = 4. 329、 [A → P ] 5% = 7. 721,终值系数 [ P → F ] 5% = 1. 628。 分别计算 5年、 10年净现51010值和 10年折合现金如表 7所示。 计算表明,采用蒸发式冷凝器的冷库机组运行 10年的总费用以初投资计算,比水冷式节省资金 106067元,以 10年现金计算减少费用 172677元; 而空调机组采用蒸发式比水冷式和空冷式 10年可节省费用以现金计算,分别为 75187元和 405376元,空冷式运营费用最大,蒸发式运营费用最小。 如果取更大的年负荷率,蒸发式冷凝器的经济优势更为显著。

　　 7 5年、 10年净现值和 10年折合现金 (元 )

　　5结论5.1蒸发式冷凝器的辅助功耗比水冷式和风冷式节约 1 /3; 循环水流量比水冷式减少约一半; 传热效率高,冷凝温度低,可减少压缩机功耗 5% ～ 30% ;蒸发式冷凝器是一种节能高效、使用经济的换热设备,有广泛的应用前景 ,应大力度推广使用。

　　5. 2本文建立的经济分析模型对选型设计和投资决策有广泛的参考价值,是分析比较不同备选方案,预测经济性,择优投资的辅助工具。