400KW蒸發(fā)式冷凝器設計【含CAD圖紙+文檔】

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畢業(yè)設計（論文）學生自查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 專業(yè) 熱能與動力工程 班級 指導教師姓 名 課題名稱 400kW蒸發(fā)式冷凝冷水機組設計 個人作息時 間 上午 自 9 時 至 12 時 下午 自 15 時 至 18 時 晚上 自 20 時 至 22 時 工作地點 上午 圖書館 下午 圖書館 晚上 圖書館 個人精力實際投入 日平均工作時數 8 周平均工作時數 50 迄今缺席天數 0 出勤 率% 100 指導教師每周指導次數 2 每周指導 時間（小時） 8 備注 無 畢業(yè)設計（論文）工作進度 已完成的主要內容 50% 待完成的主要內容 50% 1.文獻翻譯 2.文獻綜述 3.開題報告 4.設計計算 1.設計畫圖 2.論文撰寫 存在問題 1.部分計算存在誤差 2.畫圖軟件操作生疏 3.論文撰寫缺乏思路 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 400KW 蒸發(fā)式冷凝器設計 專業(yè) 學號 姓名 一、原始資料及技術條件 1. 制冷量： 200kw 2. 冷凝溫度 36℃ 3. 空氣濕球溫度 28℃ 4. 電源： 220 V 50Hz 5. 工質： R22 6. 水箱溫度: 31-33℃ 二、主要內容 1. 設計計算：蒸發(fā)式冷凝器幾何參數計算、負荷計算、循環(huán)熱力計算、盤管的設計、水系統(tǒng)的設計、風系統(tǒng)的設計、輔助設備選擇計算及說明。 2. 零部件選擇：溫度控制儀選擇、浮球閥、其他零部件選擇。 3. 設計圖樣：總裝圖、主要零部件圖、系統(tǒng)流程圖、電控原理圖。 三、基本要求 1. 認真進行實習(調研)、完成實習(調研)報告。 2. 閱讀文獻寫出文獻綜述。 3. 按統(tǒng)一格式完成開題報告。 4. 閱讀英文文獻，并譯成中文(不少于5000漢字)。 5. 規(guī)范繪制圖樣，上機繪圖不少于二張裝配圖、一張零件圖。 6. 英中文對照摘要，中文不少于400 字。 7. 按統(tǒng)一格式編制設計說明書，不少于 30000字。 8. 有全部設計的紙介質文檔和電子文檔。 四、主要參考資料 [1] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.9，117~162. 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[15] 約翰·瓦特,威爾·布朗，蒸發(fā)冷卻空調技術手冊(原書第3版)（黃翔,武俊梅譯），機械工業(yè)出版社，2012 完 成 期 限： 指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 開題報告表 課題名稱 400kw蒸發(fā)式冷凝冷水機組設計 課題來源 自 選 課題類型 AX 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 熱能與動力工程 開題報告內容：（調研資料的準備，設計的目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段內容及時間安排；完成設計（論文）所具備的條件因素等） 一、調研資料的準備 課程設計任務書中建議的參考書目已從校圖書館電子資源庫下載得到，此外從各種期刊數據庫供下載相關中文文獻五十四篇，外文文獻八篇。 二、設計目的 1）加深對本專業(yè)專業(yè)基礎知識的認識，對專業(yè)知識的認識，對熱能與動力工程專業(yè)的整體認識。 2）鍛煉自己查閱資料，分析問題，解決問題，以及對綜合知識的運用能力，同時增加自己對知識的系統(tǒng)的整合能力。 3）鍛煉自己協(xié)調關系的能力，以及對計算機軟件的使用能力。 三、設計內容及思路 1）設計計算：完成載冷劑系統(tǒng)計算、循環(huán)熱力計算、壓縮機選擇計算、蒸發(fā)器及冷凝器選擇計算、節(jié)流機構及其它輔助設備選擇計算以及說明。 2）零部件選擇：壓縮機選擇、蒸發(fā)器選擇、輔助設備選擇、溫度控制儀選擇、壓力控制儀選擇、其它零部件選擇。 3）設計圖樣：系統(tǒng)流程圖、電控原理圖、總裝圖、冷凝器部裝圖、蒸發(fā)器部裝圖、其它零部件圖。 4）設計思路：查詢閱讀文獻資料→查找以往類似設計，了解大體模式→設計計算→繪圖→說明書。 四、畢業(yè)設計任務進程 第一周 收集查閱國內外文獻資料，為開題報告及文獻綜述做準備 第二周 完成開題報告，選外文文獻，完成開題報告 第三周 翻譯外文文獻，開始文獻綜述 第四周 完成文獻綜述 第五周 設計計算（循環(huán)熱力計算，載冷劑系統(tǒng)計算） 第六周 設計計算（蒸發(fā)器及冷凝器設計計算） 第七周 設計計算（壓縮機選擇計算） 第八周 設計計算（節(jié)流機構及其他輔助設備選擇計算） 第九周 設計計算（電控系統(tǒng)設計計算） 第十周 手工繪圖 第十一周 上機繪圖 第十二周 上機繪圖 第十三周 上機繪圖 第十四周 修改整理設計 五、預期成果 1）計算機繪圖能力有較大提升 2）對大學所學專業(yè)課有更系統(tǒng)的認識 3）文檔編輯能力有較大提升 六、參考文獻 [1] 吳業(yè)正主編. 小型制冷裝置設計指導[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [2] 鄭賢德主編. 制冷原理與裝置[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001 指導教師簽名： 日期： 課題類型：（1）A—工程設計；B—技術開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究； （2）X——真實課題；Y——模擬課題；Z—虛擬課題 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 蒸發(fā)式冷凝器冷水機組設計文獻綜述 【摘要】本文介紹了蒸發(fā)式冷凝器的應用現狀以及國內外的研究進展，并簡單蒸發(fā)式冷凝器工作原理介紹了三種不同的蒸發(fā)式冷凝器，最后綜述了一些蒸發(fā)式冷凝冷水機組性能研究。 一 前言 熱污染當前正引起嚴重關注，用水冷卻化工設備、發(fā)電透平機或冷凍和空調設備,隨后再把熱水直接排放掉是不能容許的,熱工藝用水應該冷卻后再排放，或者冷卻后再循環(huán)[1]。冷卻用水占工業(yè)用水70 %以上，冷卻用水直接排放不僅造成熱污染,還會造成較大的經濟和資源浪費， 需要將這些冷卻用水循環(huán)重復利用,緩解當前水資源短缺的狀況。另外，在工業(yè)生產過程中，我國的耗能現象十分嚴重，生產同樣的產品，往往得比國外多消耗幾倍的能量，這樣就使我們的產品和國外同類產品相比缺少競爭力。冷卻塔、噴淋塔、蒸發(fā)式冷卻(凝)器等就是冷卻水重復利用的關鍵設備，蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上是明顯的， 在實際應用中也得到很好的證明。我國水資源非常緊張，能源危機和節(jié)水環(huán)保促進了有關蒸發(fā)式冷凝器的研究和應用[2]。 蒸發(fā)冷卻技術可追溯到古代，那時河流、海洋、湖泊和池塘等都是作為供水水源被利用。隨著對水冷卻方面機械力學及流體動力學的更深入研究，在設計中采取一定方法以減慢水滴重力沉降速度，并提供空氣—水兩相更大的接觸界面面積，可解決較難的冷卻問題， 為此產生的涼水塔技術曾經極為普遍的應用。蒸發(fā)式冷凝器就是對涼水塔的一種改進設備，它在國外的研究是一個熱門課題，美國和澳大利亞在此領域的研究非?；钴S，發(fā)達國家對蒸發(fā)式冷凝器的應用正日益普及。20 世紀 80 年代中期，我國開始從國外引進蒸發(fā)冷凝器技術，本文通過介紹冷凝器的形式和特點，著重闡述蒸發(fā)式冷凝器的應用優(yōu)勢及發(fā)展趨勢。 二 研究進展及設計制造 （一）研究進展 從國外蒸發(fā)冷卻技術發(fā)展情況來看，他們起步較早，所取得的理論和研究成果水平也較高，美國多年來對蒸發(fā)冷卻技術進行了深入的研究，許多制冷學術會議上對蒸發(fā)冷卻技術的研究非常深入細致。美國供熱制冷空調工程師協(xié)會ASHRAETRANSACTIONS發(fā)表了大量有關蒸發(fā)冷卻技術的研究論文，關于蒸發(fā)式冷凝器的研究體系已逐步建立，蒸發(fā)式冷凝器制造技術也日趨成熟。早在20世紀80年代中期，同濟大學陳沛霖教授在美國加州勞倫斯伯克利研究所從事蒸發(fā)冷卻技術的國際合作研究，并將這一技術引入我國。近年來，一些科研單位和企業(yè)對蒸發(fā)冷卻技術進行了理論和實驗研究，取得了一定進展。 （二）設計制造 目前蒸發(fā)式冷凝器的設計還沒有統(tǒng)一的標準，主要采用的是經驗參數和一些廠家的設計標準，國家也推薦使用了一些標準 , 具體設計時，可參照國家設計標準，參考各類計算手冊、現有廠家設計參數，并結合制造技術水平和氣候條件采用合適的標準。國內有一些廠家自行設計制造蒸發(fā)式冷凝器 時，多采用吸風式的蒸發(fā)式冷凝器。這些廠家的設計和制造，體現了蒸發(fā)式冷凝器的一些優(yōu)點，較傳統(tǒng)風冷式冷凝器和水冷式冷凝器的傳熱效果有較大的改善，但其總體水平還比較低，除了有價格優(yōu)勢外，在質量和性能上還較難和國外產品競爭。目前我國較新型的蒸發(fā)式冷凝器主要有中美合資的大連冰山 —巴爾的摩 CXV型和VC1型以及中 美合資的上海合眾—益美高 ATC型和LRC型等。 它們的技術數據主要是采用美國的標準，設計和制造技術也主要從美國引進 , 并結合了國內生產和需求的特點。美國巴爾的摩公司成立于 1938 年，它專門從事設計、制造蒸發(fā)式冷凝器設備，在世界上屬領先 地位 , 該公司1968所推出的V— Line 系列蒸發(fā)式冷凝器，已成為美國制冷工業(yè)的標準。巴爾的摩公司設計生產的蒸發(fā)式冷凝器，結構上大多采用鋼板制造的分上、下兩個箱體的組合，整體布局較為合理，有效的利用了二次蒸發(fā)技術，使冷凝器傳熱效率及熱容量大大提高。益美高公司成立于 1976 年，目前該公司在中國市場推出的都是采用益美高在世界上具有領先地位的專利技術制造的系列產品，其 ATC/ LRC型蒸發(fā)式冷凝器頗受歡迎。相對于其它冷凝器，其最大優(yōu)勢在于其獲得專利的橢圓形盤管。這種盤管結合了密封式盤管組管子表面積大和間隔管式盤管組外空氣、水流動特性增強的兩者優(yōu)點，由于采用特殊盤管設計，減小通過機組的空氣壓降，同時最大限度地利用了盤管的表面積，大大地增強了盤管的傳熱能力，用該盤管組的蒸發(fā)式冷凝器的傳熱容量有了顯著的提高。特殊形狀的管子在空氣流動方向進行錯排，以獲得較高的膜冷凝系數； 所有管子朝著制冷劑流動方向傾斜，, 以利于冷凝后的液體排出。 三 應用現狀及存在問題 目前西方發(fā)達國家普遍采用蒸發(fā)式冷凝器，在國內的應用中，由于西北地區(qū)缺水的實際情況，蒸發(fā)式冷凝器在西北地區(qū)推廣和應用較多，賓館、辦公樓、商場等民用建筑和廠房車間及冷庫、溫室等的冷卻空調設備基本都采用了蒸發(fā)式冷凝器，啤酒、食品、飲料、制藥、石油、化工等行業(yè)也越來越多的采用蒸發(fā)式冷凝器，據一些公司的應用數據顯示，其冷凝效果好、節(jié)能節(jié)水的特點是顯而易見的[3]。其它地區(qū)也在陸續(xù)推廣應用，特別是一些新組建的公司或新建的工程采用蒸發(fā)式冷凝器較多，當傳統(tǒng)冷凝器工作不正?；蛐枰膿Q時， 采用蒸發(fā)式冷凝器也較多，這些改變取得較好的社會和經濟效益，基本都達到預期目標。但在較為濕熱的中南地區(qū)則顯得不足，經一些專家和研究開發(fā)人員的理論研究和實際改進，證明蒸發(fā)式冷凝器在中南地區(qū)一樣也能取得較好的使用效果。 在實際應用過程中也產生了一些問題， 首先也是最主要的是蒸發(fā)式冷凝器結垢問題。由于蒸發(fā)式冷凝器結構緊湊，換熱效率高，結垢對其傳熱性能影響相當大。在蒸發(fā)式冷凝器中，當水蒸發(fā)時，原來存在的雜質還在水中，水中溶解的固體的濃度也會不斷提高，如果這些雜質和污物不能有效控制， 會引起結垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。為了達到蒸發(fā)式冷凝器應用的水質要求，使用單位必須根據當地的實際情況采取相應的水處理措施。為了最佳的傳熱效率和最長的使用壽命，應該控制循環(huán)水使用周期，通過排污來控制雜質的積聚。較先進的冷凝器都采用了防結垢技術，如電子防垢除垢裝置，這些除垢裝置基本能控制水垢的生成。但即使采用了防結垢技術，也必須時刻注意結垢情況，隨時采取除垢措施，這樣不僅可以提高冷凝器的傳熱效率，還可以延長蒸發(fā)式冷凝器的使用壽命。 其次是腐蝕問題，蒸發(fā)式冷凝器外殼由于常年處于水與空氣的潮濕環(huán)境下，易于腐蝕，需要熱浸鋅處理，用鍍鋅鋼的周期性鈍化來防止“白銹”，白銹就是積聚在鍍鋅鋼表面上的白色、蠟狀和破壞鋅層的腐蝕物。由于浸鋅不均勻或厚度不夠，部分地方腐蝕嚴重影響產品壽命。蒸發(fā)式冷凝器的換熱 管也存在同樣問題。因此熱浸鋅質量要把好關，保證鍍鋅厚度，同時注意鍍層均勻。 第三是風機問題。以往國產蒸發(fā)式冷凝器一般為吹風式結構，風機裝在下面，由于擋水板設置不當，或用戶操作不當，先開水泵后開風機，造成風機接線盒進水短路，使電機燒毀。現在采用吸風式較多，接線盒放在箱體外，避免與水接觸，一般不存在上述問題，但對風機葉片要求較高，要能耐腐蝕。 四 蒸發(fā)式冷凝器的原理 （一）蒸發(fā)式冷凝器的原理 蒸發(fā)式冷凝器將水冷式冷凝器和冷卻塔中分開的冷凝過程與水冷卻過程合二為一，它是利用冷卻水在換熱器表面分布成薄膜，水膜與強制流動的空氣直接接觸，被冷卻物料將熱量傳給水膜，水膜發(fā)生非飽和蒸發(fā)并與空氣進行熱質交換與傳遞，最后由空氣帶走熱量的過程。它對傳統(tǒng)冷卻方式進行了兩方面改進：一是減去冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞過程，直接實現水的重復利用，節(jié)省水泵功耗；二是改變單相冷卻流體用顯熱溫升來冷卻物料的方式，主要用水的潛熱帶走熱量。其節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上是明顯的，而且在實際應用中得到很好的證明[4-7]。 （二）幾種不同的蒸發(fā)式冷凝器 1、盤管式蒸發(fā)式冷凝器 盤管式蒸發(fā)式冷凝器是將冷卻水噴淋于管子表面形成水膜，水膜與管內介質完成換熱后，水直接與管外快速流動的空氣接觸并發(fā)生熱質交換，完成換熱過程，并由空氣將熱量及水蒸氣帶走，空氣的流動不僅使換熱過程變得更快，而且由于空氣的快速流動，空氣在速個過程都能保持非飽和狀態(tài)，其傳熱傳質推動力也更大。盤管式蒸發(fā)式冷凝器是目前被廣泛應用最廣、最多的一種蒸發(fā)式冷凝器。 2、板式蒸發(fā)式冷凝器 板式蒸發(fā)式冷凝器的結構，板外為水與空氣的逆流、順流或錯流，板間為冷凝排液區(qū)。其特點有：在板間可強化表面的凝結換熱，加速液膜的排泄；同時由于板面的強化傳熱結構可改善流體流動狀況，強化水與空氣之間的傳熱傳質過程，大大增強了熱容量及傳熱性能，而且其強化傳熱依靠本身的特殊結構來完成，不需要任何額外的維護。 3、立式蒸發(fā)式冷凝器 立式蒸發(fā)式冷凝器的結構管內為水與空氣的逆流或順流，管外大空間為冷凝排液區(qū)。該冷凝器的特點有：管子采用不銹鋼強化傳熱管，不但抗腐蝕性能強，而且換熱性能好、能加速冷凝液膜的排泄，尤其適用于水蒸汽的冷凝。在電力行業(yè)中，凝汽器是汽輪發(fā)電機組的重要輔機之一, 它的性能好壞直接影響機組的運行。而它的主要傳熱組件——冷卻管是凝汽器的最重要部分, 因此, 冷卻管的選材和選型是凝汽器設計的關鍵[8]。 在高耗能行業(yè)中如電力、鋼鐵、化工等行業(yè)，大部分由于工藝的要求產生大量的低參數飽和蒸汽，利用這些低參數飽和蒸汽進行余熱利用的項目需求是非常巨大的，采用立式蒸發(fā)式冷凝器代替余熱發(fā)電機組中的耗電耗水設備——凝汽器與冷卻塔，不但可以達到節(jié)能節(jié)水的目標，而且對于電廠安全經濟運行以及實現可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，還可以促進有關蒸發(fā)式冷凝器的研究和進一步的推廣應用，對我國經濟和社會的發(fā)展也將起到重要的推動作用，因而該技術具有良好的推廣前景。 五 蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組的性能研究 蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)水、節(jié)能、結構緊湊等優(yōu)點，而在制冷領域得到廣泛的應用。下面以一套完整的空調蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組參數為依據，以熱力學第一定律為基礎，分析了冷凝水出水溫度和冷凝迸風濕球溫度對機組性能影響。結果表明在機組額定制冷工況下的性能參數即濕球溫度為26℃時的參數，出水溫度每增加1℃制冷量增長率為3．42％，在濕球溫度較低和出水溫度較高時機組的性能比較好。制冷量和能效比在不同出水溫度下隨著濕球溫度的升高而降低，但濕球溫度從28℃升高到30℃時其下降突然增大，占到總下降的50％和47％左右。 在“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”社會的建設巾，節(jié)能節(jié)水已成為各行各業(yè)各個部門面臨的一個亟待解決的問題?！吨袊?jié)水技術政策大綱》指出：目前我國萬元GDP用水量是世界發(fā)達國家的5～10倍，冷卻水用量占工業(yè)用水總量的80％左右。由此可見，節(jié)水潛力較大。而工業(yè)節(jié)水的首要途徑是提高水的重復利用率，因此應大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復利用技術，尤其體現在高效換熱技術和節(jié)能節(jié)水冷卻設備的應用上[9-10]。 目前在工業(yè)中主要應用的冷凝器包括空冷式、水冷式和蒸發(fā)式3種?？绽涫嚼淠麟m然維護管理簡單，初期投資成本低，且可冷熱兩用，但體積和質量都比較大，傳熱系數較低，冷凝溫度比環(huán)境溫度高12～20℃，系統(tǒng)運行費用相對較高，主要應用于中小型空調系統(tǒng)，在熱泵機組巾也常采用。水冷式在大中型空調制冷機組和工業(yè)制冷中普遍使用，具有結構緊湊、傳熱系數高、系統(tǒng)性能好的優(yōu)點，但考慮水資源的短缺，冷卻水一般循環(huán)使用，須配備冷卻塔，因此初期投資大，大量的冷卻水使水泵功耗增大，增加了水處理費用。而蒸發(fā)式冷凝器主要靠水分的蒸發(fā)散熱，理論上，散發(fā)同樣的熱量所需蒸發(fā)水量僅為水冷式冷凝器冷卻水量的1％左右。當考慮吹散損失并保證布水效果時，所需循環(huán)水量一般為水冷式的10%-30%，此時水泵功率只有水冷式系統(tǒng)的1／8～1／4。另外，蒸發(fā)式冷凝器由于占地面積小，冷凝溫度比空冷式低8～14℃，比水冷式低3---6℃，成為近年發(fā)展最快的冷凝冷卻設備，在石油、化工、化肥、純堿、啤酒、飲料、冷藏等行業(yè)得到廣泛的應用[11-14]。 國內外許多學者對蒸發(fā)式冷凝器的性能做了一定的研究。Parker與Fisenko等人分別從熱力學、節(jié)能和節(jié)水角度論證了蒸發(fā)式冷卻設備相對于其他冷卻設備的優(yōu)勢[15-16]。Peterson等人通過對蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能的測試研究，改進了傳熱計算公式[17]。王少為等人實驗研究表明，用蒸發(fā)式冷凝器的空調機能效比至少在3以上[18]。李志明等人在實驗和實踐的基礎上論證蒸發(fā)式冷凝應用于制冷工藝帶來的經濟價值[19]。 此后又有研究表明： （1）蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組的制冷量和能效比都隨著出水溫度的升高而增大，在機組額定制冷工況下，出水溫度每增加1℃制冷量增長率為3.42％。制冷量和能效比都隨著濕球溫度的增加而降低，機組性能最佳值出現在出水溫度最高點和濕球溫度最低點，為機組應用場合有一定指導作用。 (2)濕球溫度在28℃以上時，對機組的制冷量和能效比影響突然變大，制冷量和能效比下降率分別占總下降率的50％和47％左右，使機組性能嚴重惡化，說明蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組在濕球溫度低的地方即較干燥的地區(qū)使用效果更好[20]。 參考文獻： [1] [美]N.P徹雷密西諾夫，P.N 徹雷密西諾夫著，黃定生譯 涼水塔[M].石油工業(yè)出版社，1984 [2] Jin - Kuk Kim，Luciana Savulescu，Robin Smith .Design of cooling systems for effluent temperature reduction [ C ].Chemical Engineering Science 56(2001) :1811～1830 [3] 黃翔，劉鳴. 我國地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術應用現狀分析[J] . 制冷與空調，2001，6 (1) : 33～38 [4] 吳治將，朱冬生，蔣翔等.蒸發(fā)式冷凝器的應用與研究[J].曖通空調， 2007，8(37):98～102 [5] 莊友明.蒸發(fā)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，2001，1(20):48～51 [6] 王鐵軍，吳吳，劉向農.蒸發(fā)式冷凝器經濟技術分析.低溫與超導. 2003，31(2)：65-69 [7] 王會串.談蒸發(fā)式冷凝器的使用.山西華工.2003，23(1)：24-26 [8] 齊復東，賈樹本，馬義偉.電站凝汽設備和冷卻系統(tǒng)，北京：水利電力出版社，1990 [9]劉濤．我國水資源面臨的形勢與可持續(xù)利用對策研究[J]．生態(tài)經濟，2004($1)：49—51． [10] 手浩，汪黨獻，倪紅珍，等．中國工業(yè)發(fā)展對水資源的需求[J].水力學報.2004(4):109-113 [11]朱冬生，涂愛民，蔣翔，等．蒸發(fā)式冷凝冷卻沒備的研究狀況及其虛朋前景分析[J]．化丁進展．2007，26(10)：1404—1406． [12]朱冬生，沈家龍．蔣翔，等．蒸發(fā)式冷凝器性能研究及強化[J]．科技報道．2006(6)：45—49． 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Predicting the Performance of an Evaporative Condenser.。Transactions of the ASME．1988.110：748—753． [20] 袁俊朋，朱冬生，譚祥輝，周幗彥，涂善東 蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組的性能研究 2003. 蒸發(fā)式冷凝器的性能 【Keyword】Experimental investigation is conducted to study the performance of evaporative condensers/coolers. The analysis includes development of correlations for the external heat transfer coefficient and the system efficiency. The evaporative condenser includes two fined tube heat exchangers. The system is designed to allow for operation of a single condenser , two condensers in parallel, and two condensers in series.The analysis is performed as a function of the water-to-air mass flow rate ratio (L/G) and the steam temperature. Also, comparison is made between the performance of the evaporative condenser and same device as an air-cooled condensers . Analysis of the collected data shows that the system efficiency increases at lower L/G ratios and higher steam temperatures. The system efficiency for various configurations for the evaporative condenser varies between 97% and 99%. Lower efficiency are obtained for the air-cooled condenser , with values between 88% and 92%. The highest efficiency is found for the two condensers in series, followed by two condensers in parallel and then the single condensers . The parallel condenser configuration can handle a larger amount of inlet steam and can provide the required system efficiency and degree of subcoolings. The correlation for the system efficiency gives a simple tool for preliminary system design. The correlation developed for the external heat transfer coefficient is found to be consistent with the available literature data. 【摘要】為了研究蒸發(fā)式冷凝器/冷卻器的性能，進行了實驗調查。分析包括外部傳熱系數和系統(tǒng)效率的相關性的發(fā)展。蒸發(fā)式冷凝器包括兩個翅片管換熱器。該系統(tǒng)分為單個冷凝器，平行的兩個冷凝器，和兩個冷凝器系列機型。這是一個功能的水--空氣質量流量率比率和蒸汽溫度執(zhí)行分析。此外，蒸發(fā)式冷凝器和作為風冷冷凝器同一設備的性能作比較。根據所收集的數據分析發(fā)現系統(tǒng)效率在低比率和高溫時會提高。不同結構的冷凝器系統(tǒng)效率在97%~99%之間。風冷冷水器的效率比較低，只有88%~92%。最高的效率的是兩個系列冷凝器，然后是兩個平行冷凝器，最后是單個冷凝器。平行結構的冷凝器可以處理較大的進氣蒸汽量并且能提供所需的系統(tǒng)效率和一定的過冷度。系統(tǒng)效率的相關性給初步的系統(tǒng)設計提供一個簡單工具。發(fā)現的外部傳熱系數為開發(fā)的相關性必須符合現有的文獻數據。 冷凝器應用廣泛，石油煉油廠，石化廠，電力站，化工行業(yè)和空調裝置等。在常規(guī)冷凝器冷卻液是常用淡水，成本高昂或不容易獲得。然而，在全球規(guī)模上有限的淡水資源養(yǎng)護的要求必須使用的豐富的冷卻介質，包括海水或周圍的空氣。利用海水作為冷卻介質僅限于低冷凝溫度以避免規(guī)模被60攝氏度以上的海水污染。并且，飼料的海水必須去除顆粒物和化學處理，控制規(guī)模變型揚天、 除垢和腐蝕。被排出的海水有的環(huán)境，在一個地方的放電區(qū)造成熱污染造成不利的影響。在常規(guī)空調機組，哪里作為散熱器使用環(huán)境空氣凝結的制冷劑蒸氣中找到的氣冷式冷凝器的應用程序。工業(yè)規(guī)模中，空氣冷凝器也用于電廠發(fā)電，那里新鮮的水可能無法訪問和昂貴。蒸發(fā)式冷卻的使用提高了冷凝器的性能。蒸發(fā)效果冷卻到溫度比空氣溫度低凝析油。這會增加空氣流的熱容量從而讓使用低質流率低風扇降低能量消耗成為可能。此外，蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱功率比風冷冷凝器高，這增強了熱傳輸速率，增加的總傳熱系數的值。其結果是，規(guī)模較小的換熱面積用于在冷凝器中刪除相同的熱負荷。蒸發(fā)式冷凝器的使用消除了換熱管的殼蓋，這是一個貴在常規(guī)冷凝器單位要素，結合一個冷卻塔和外部換熱器。蒸發(fā)式冷卻塔內單位的安置，減少了管路連接和常規(guī)單位使用的閥門的空間要求。 文獻論述 建模和分析蒸發(fā)式冷凝器的文學研究的數量受到限制。一方面，水氣蒸發(fā)系統(tǒng)文學研究主要關注冷卻塔和間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的性能與分析.。后者與蒸發(fā)式冷凝器有許多相似之處，尤其是考慮換熱器管外的空氣水系統(tǒng)的熱質量轉移。因此，間接蒸發(fā)冷卻器，以及蒸發(fā)式冷凝器的文學研究的分析在以下的討論中。 間接蒸發(fā)冷卻器科學研究主要關注是發(fā)展能源節(jié)約型空調系統(tǒng)。這由各種組合的冷卻塔、 間接和直接蒸發(fā)式冷卻器和常規(guī)機械蒸汽壓縮單位組成。韋伯提出一個統(tǒng)一的理論建模的冷卻塔、 蒸發(fā)式冷凝器和蒸發(fā)式冷卻器。各項的相關性被用來確定從水流到空氣流的水流熱傳遞系數和質量傳遞系數。在建模的凝汽器及冷卻器單位，其他相關性用來確定換熱器管內的導熱系數。隨后，為了分析冷卻塔，流體冷卻器和蒸發(fā)冷凝器韋伯和比克雷斯建立了三種算法和計算機模型。該算法被發(fā)現可以準確預測的三個系統(tǒng)，誤差在3%之內。間接冷卻塔模型由Maclaine-Cros，Banks，Kettleborough 和 Hsieh，Chen等建立。這些模型被發(fā)現給室外空氣應用合理的協(xié)議。然而，模型過冷卻的效果預測系統(tǒng)在某些操作期間，包括混合或排氣應用程序。這動機彼得森發(fā)展分析的間接蒸發(fā)冷卻器數學模型。 根據實驗數據，預測的數學模型進行驗證。這個對比發(fā)現模型在精確預測一些運行操作上的節(jié)能性能的限制。這種情況下，彼得森提出從實驗數據，以獲取必要的設計或性能數據生成的相關性的使用。Kettleborough 提交的間接蒸發(fā)冷卻器的有效性評價數值模型。數值模型計算板、 二次空氣和初級空氣的溫度。此外，模型計算電源插座二次空氣流的濕度。由于模型方程耦合和非線性，迭代和數值的解決辦法是找到必要確定系統(tǒng)效能。間接蒸發(fā)冷卻器，當與常規(guī)空調系統(tǒng)，結合的實驗評價在彼得森和hunn的一個小的辦公大樓在達拉斯，得克薩斯州得出。數據分析表明，他的系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)空調單位高70%。這允許相同性能的空氣調節(jié)系統(tǒng)減少了12%消耗。蒸發(fā)式空氣預冷系統(tǒng)的進一步評價表明水泵的最大的能源使用組件，而不是空氣風扇。Erens和Dreyer測試了三個數學模型模擬的蒸發(fā)式冷卻器的性能。數學發(fā)展的模式基于任一除以冷卻器成微分元素或通過考慮冷卻器作為一個元素。第一和第二個模型是微分，第三個模型假定單位劉易斯數目、 水溫恒定和可以忽略不計的水膜熱阻。結果顯示簡化的模型評價的小單位，提供準確的結果，并且獲取初步設計和評級數據很有用。另一方面，詳細的模型，適合更準確的業(yè)績預測。Eren分析了在間接蒸發(fā)冷卻管安排的影響。結果表明光管的性能通過使用可以與管集成或放置管子下面的塑料填充增強。改進的性能造成的填充材料，在水中停留時間的增加，這將生成較高的傳熱與傳質之間的空氣和水的流率。增強性能的冷卻水塔類似影響由 El Dessouky 報告關于包裝材料的表面粗糙的使用。Goswami等研究了增強性能的小型到中型空調機組由空氣用來凝聚的制冷劑液體的蒸發(fā)冷卻。研究遵循類似的辦法，通過在空調的大型設施和建筑物的單位。蒸發(fā)冷卻空氣的發(fā)現是增加驅動力為冷凝過程的溫度。反過來，起到節(jié)約能源 20%為蒸發(fā)式冷卻空氣對系統(tǒng)沒有蒸發(fā)式冷卻器的操作報告。冷卻水塔的模擬包括分析模型，也就是，默克爾數值模型模型，即Nahavandi 和Sutherland的模型。這兩個模型的比較研究顯示 5%到12%的小差異在他們的預測。El-Dessouky等開發(fā)了一個修改的模型分析和評級的冷卻水塔。該模型提出了轉讓單位數目和冷卻塔的有效性的新定義。轉讓單位數目以空氣和水的熱容量，表示和效力表示為塔冷卻范圍和平衡的方法的函數。該模型還認為對溫度的空氣/水蒸氣焓非線性依賴性。蒸發(fā)式冷凝器被Goodman Earlymodels 和湯姆森假定為水的流溫度恒定。這種假設發(fā)現生成的系統(tǒng)差預測結果和被淘汰了在研究由帕克和特賴巴爾。在他們的模型，他們假定團結、 空氣焓對溫度、 及水流速可忽略不計變化的線性相關性的劉易斯數目。由帕克和特賴巴爾模型不需要數值解決方案，可以使用一個簡單的分析性程序解決。然而，后來由彼得森等人引在模型中不一致的問題，他修改了帕克和特賴巴爾模型并驗證他們對實驗數據的結果。他們的分析表明，由Parker和 Treybal提出的水管接口的水側傳熱系數的值很低，因為模型預料的冷凝器負荷的 30%。 從上述調查可以結束數目有限的研究，發(fā)現對蒸發(fā)式冷凝器的性能。調查表明，需要執(zhí)行以下。 實驗測量的蒸發(fā)式冷凝器中的溫度配置文件是必要的系統(tǒng)性能和精確的模型，為系統(tǒng)開發(fā)中更好地理解。不同的操作條件的蒸發(fā)式冷凝器效率的評價?？諝?水側的傳熱系數關聯式的發(fā)展。蒸發(fā)式冷凝器和針對原煤數據驗證的精確數學模型的發(fā)展。這將執(zhí)行在后來的研究中。 因此，這個研究的主要目標是通過實驗確定水和氣體一定流量比的蒸發(fā)冷凝器的運行性能和熱負荷。這涉及到測量軸向溫度分布和系統(tǒng)效率和傳熱系數計算。研究還將與空氣冷凝器蒸發(fā)式冷凝器的性能進行比較。結果和分析讓我們更了解在性能的燃油-化建模冷凝器，這是必要和開發(fā)和設計更多的效率系統(tǒng)的。 實驗儀器和程序 圖 1 顯示了一個蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)的示意圖。如所示，系統(tǒng)由一個金屬框架，包括水盆、 水循環(huán)泵、 風機、 包裝材料、 兩個蒸發(fā)式冷凝器單位，水噴嘴，站在一邊的有機玻璃、 連接管和閥門。測量設備包括水流量計和溫度熱電偶。該器具的兩側密封與有機玻璃板料，其中有必要防止空氣泄漏到系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸分別為0.83x0.6x2米的寬度、 長度和高度。水盆地有0.83x0.6x 0.32米的寬度、 長度和高度尺寸。此卷是需要在系統(tǒng)中維護幾乎恒定的水的溫度。水循環(huán)從水盆到噴嘴通過水循環(huán)泵和流量儀表，循環(huán)泵已最大功率0.278kw，并提供了2kg/s的最大流量噴霧噴嘴系統(tǒng)將水流分成細霧，平均下降直徑為0.0005 米，均勻分布在包裝材料。因此，水從流向的朝著逆流方向的盆地列頂部的空氣流，風機吸了440/350 W額定輸入/輸出功率，風扇將空氣流從附近的水流域的側開口移至列的頂部，吸風機有恒定速度和移動空氣2.767m3或平均流動率在2.68kg/s。如圖 1 所示，結構化的包裝材料用的分為三層，據El Dessouky等報道這種類型的包裝給更高的系統(tǒng)效率比極套狀葉或天然纖維。每個層都有相同的截面積為金屬框架，這可以防止空氣或水流，這將導致兩個流之間的接觸面積減少，從而減少裝置的冷卻效率，每層都有 0.1 m，給足夠的內部表面面積為空氣和水接觸的厚度，三個包裝層數的使用維護適當水分布及足夠的接觸面積之間的空氣和水流，他兩個冷凝器單位有適當管道，允許單個的凝汽器或在串聯或并聯的兩個冷凝器的操作。兩個冷凝器相同，并且每個分別有一條路徑和0.83x0.6x0.02 米的長度、 寬度和厚度、 尺寸，每個凝汽器包含單個行的 18 管與0.011 m 外徑和內徑的 0.008 m，扁薄翅控制管束并且每個翅0.02x0.6x0.0015 m 在高度、 長度和厚度的尺寸，1m范圍內有394個翅片，這項安排使總換熱面積3.672平方米其中包括換熱面積0.312 m2 管和翅片3.36 m2。測量設備用來確定計算水和冷凝蒸汽的流率以及大氣干濕球溫度。圖1所示的熱電偶測量位置，精確的溫度測量儀器溫差正負0.1,水流誤差只有1%。 實驗步驟 蒸發(fā)冷凝器的操作先在水池注滿水再打開水泵和蒸汽閥。通過改變水流率，蒸汽壓力和冷凝器結構來改變系統(tǒng)工況。在開始操作時，開始收集數據之前系統(tǒng)進行為期1h的監(jiān)測，所有的溫度測量都存儲在一個數據記錄器在 5 分鐘的時間間隔，其他數據，包括冷凝蒸汽和循環(huán)水的流率，每12h重復測一次。在所有試驗中，流速保持在9660m3/h,或2.68kg/s，而且水流率穩(wěn)定在0.44,0.63,0.82和0.95kg/s。在試驗發(fā)言中使用的蒸汽入口溫度是111.9 和120.8攝氏度，對應壓力為1.5和2bar。在所有實驗中，其中包括蒸發(fā)和空氣冷凝器，取得完整的入口蒸汽冷凝，冷凝器流率在0.014~0.012kg/s變化。 作為空氣冷凝器系統(tǒng)的運作的完成只需保持包裝和水盆干和轉彎關閉水泵。其他操作過程和條件空氣流率，蒸汽壓力和冷凝器結構與其類似。 實驗結果與討論 所收集的數據用來分析性能-曼斯蒸發(fā)式冷凝器、 空氣冷凝器，這包括為水的流的軸向溫度分布的分析和計算，這被定義為實際能達到的最大金額的熱量，可以從緊縮中刪除可能到的比率，從冷凝器移出的最高熱量表現為蒸汽溫度冷卻到進入容器氣流的濕球溫度。 即： (1) 應該強調的是蒸汽冷凝蒸發(fā)器中是處于飽和狀態(tài)。 水流中蒸發(fā)式冷凝器的軸向溫度配置文件在圖 2 中所示為系列中的兩個冷凝器。從111.9 和 120.8攝氏度蒸汽溫度和L/G獲得結論。如所示，在水流域，發(fā)現了水的最低溫度，其值為高于空氣的濕球溫度，水溫隨水從噴嘴流入塔升高，最高水溫出現下面第二次換熱器。水溫度和冷凝溫度增加了在較高的蒸汽溫度及 L/G 增加，應指出的是濕球溫度的影響是與被測量的結果相一致。在這方面，濕球溫度增加結果的凝析油和水的溫度增加在系統(tǒng)中，這是差異所造成的小的干、 濕空氣濕度，因此，在高濕球溫度的水每股流率水流的蒸發(fā)量被減少。 水在蒸發(fā)式冷凝器塔流的溫度分布的測量的數據是在建模系統(tǒng)特性非常重要?？梢允褂么伺渲梦募矶x傳熱，熱轉移計算為是必要的驅動力。在學術研究中假設整個列，其值等于濕球溫度恒定的水溫度是很普遍的，這種假設并不符合上述的測量，并通過可能會導致在模型的預測不準確之處。中單凝汽器，兩個平行冷凝器和兩個系列冷凝器中蒸發(fā)式冷凝器、 空氣冷凝器的效率每小時變化顯示在圖3 蒸發(fā)作用提高系統(tǒng)效率，從低于 92%為到99%。以上檢查的效率變化顯示白天在所有系統(tǒng)的效率下降在中午的時候，發(fā)現了最低效率和最高的效率測量在清晨和傍晚時間期間，這種增加是關聯到列流動空氣的濕球溫度下降。 圖4-6所示蒸汽溫度和 L/G 對蒸發(fā)式冷凝器的效率的影響。如所示，效率平均是 97.7%、 98.1%和 98.9%為單一的凝汽器、 并行，兩個冷凝器和系列中的兩個冷凝器。系列中的兩個冷凝器的高效率被造成更大的熱轉移的區(qū)域，允許附加膨凝析油，在 L/G 的結果減少所有系統(tǒng)效率的提高。因此，在較高的 L/G 比增加發(fā)生在冷卻水溫度和凝析油溫度因此增加和系統(tǒng)效率降低，蒸汽溫度的影響并不明顯 ；然而，在更高的蒸汽溫度，更高的效率預期由于傳熱的驅動力會增加。 蒸發(fā)式冷凝器和空氣冷凝器的冷凝溫度的比較圖 7 中所示為單一的凝汽器、 并行，兩個冷凝器和系列中的兩個冷凝器。如所示，兩個系列中冷凝器、 兩個并行冷凝器和單一冷凝器為空氣系統(tǒng)的冷凝水溫度平均值分別是 76.9、 86.5 ， 97.2攝氏度。這些結果的 比較表明蒸發(fā)系統(tǒng)是能夠消除熱比空氣系統(tǒng)，這將導致更高程度的過冷度的較大數額。上述結果顯示的冷凝水過冷程度較大，是73.3和90攝氏度之間的值，如所示，最大的過冷度獲得系列中的兩個冷凝器，伴隨的均質過程和為相同數量的冷凝潛熱的釋放能量的比較顯示的過冷度的能量是不少于 15%的冷凝能源。然而，過冷度的換熱面積是相當于所需的冷凝傳熱面積，這是因為低熱能的過冷度也是低整體傳熱系數與關聯。冷凝過程，在整體熱系數高，以及為冷凝熱能正好相反。 傳熱系數的計算 提出下面的假設，以計算傳熱系數： 1、穩(wěn)定狀態(tài)的操作 2、表面是清潔或污垢抗為零 3、凝汽器表面是清潔或污垢阻力為零 4、在列中并在凝汽器的外表面上的水和空氣流的均勻分布 5、在列中的水損失是可以忽略不計 6、進入冷凝器單位的蒸汽流處于飽和狀態(tài) 7凝結水過冷度跟隨蒸汽冷凝度變化 熱物性的空氣和水中的傳熱系數，其中包括恒定的壓力、密度、粘度、和熱導率比熱，獲得的平均氣溫為流 盤管殼式換熱器系列中的運作允許簡單的凝結與兩相流和膨與單階段的兩個病例的傳熱系數的計算。第一次換熱器在這種情況下執(zhí)行的冷凝步，它包括蒸汽和其凝析油；第二次換熱器只有凝析油。下面的兩個部分給分析的每個換熱器。圖 8 顯示了一個示意圖的溫度配置文件在兩個換熱器和換熱器管外的空氣/水系統(tǒng)。 傳熱系數與分兩個階段 如圖 8 所示，換熱器管內的蒸汽凝結在飽和溫度，Tc，較低的過冷溫度，Tn。換熱管外，水溫度增加從T1到T2期間蒸汽冷凝然后從T2到T3期間膨脹，然后定義為冷凝熱負荷 （2） 當 （3） 并且 （4） Tc，Tn兩個熱負荷用于定義具有相應的總傳熱系數： （5） (6) 這兩個地區(qū)的總和等于總傳熱面積： (7) 得 (8) (9) ； 得 (10) (11) 以上兩個式子是由管內表面積決定 管外表面面積 翅片表面面積 翅片和管外表面面積 由上可得 (12) 定義參數 (13) 當地的表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎闶褂萌缦玛P系 (14) 假設所有質流量都是液態(tài)并由著名的迪圖斯伯爾方程計算得出 (15) 通過考慮 0.5 為完成冷凝蒸汽的平均價值獲得平均傳熱系數。 傳熱系數與單階段 第二次換熱器的熱負荷為 (16) (17) 其中 ； (18) 這里（T3-T4）是水膜溫差，過熱系數的方程（16）有方程（11）所得，方程（11）（16）（17）用來確定外部傳熱系數h0。 冷凝和冷卻得換熱面積 換熱面積為冷凝和過冷度的變化中圖 10 所示作為函數的水--空氣流動比率，數據顯示的進口蒸汽溫度為120.8攝氏度。更高的冷凝面積是比膨冷凝熱負荷較高的結果，此外，減少冷凝面積在較高的值為 L/G 是增加而造成的中的傳熱系數如圖 9 所示。另一方面，L/G 比例的增幅時過冷度地區(qū)增加被造成的總傳熱面積強加的約束，因為冷凝器的總面積是一個常數，它等于冷凝和過冷度傳熱面積的總和。 實驗結果的相關性 蒸發(fā)式冷凝器和空氣冷凝器的效率數據是作為函數的蒸汽溫度（Ts），濕球溫度（Tn），傳熱面積（A），水空氣流量配比（L/G）相關。在平行的兩個冷凝器的傳熱面積是設置為等于單個冷凝器的地區(qū)。由給出對蒸發(fā)式冷凝器的生成效率相關 (19) 同樣，空氣冷凝器的效率關系 (20) 得到 (21) 相關結果顯示在圖12中 差錯處理,誤差分析 在本文中介紹的無量綱組計算誤差分析是由 Kline-麥克林托克程序執(zhí)行。測量不確定度定義已修復誤差的儀器儀表和在不同的度量標準期間觀察到的隨機誤差根總和廣場。錯誤分析包括測量的溫度和流量，分別可能是3.1%和2.45%。因此，在計算的熱傳導系數和系統(tǒng)效率的真實偏差分別是 5.3%和 6.59%。 結論 進行實驗的調查，以研究蒸發(fā)式冷凝器的性能。根據結果和分析，是作出以下結論。蒸發(fā)式冷凝器效率增加，較低的L/G 比率和較高的進口蒸汽溫度時，系統(tǒng)性能顯示平行冷凝器安排允許處理最大的入口蒸汽量。另一方面系列配置提供了最大程度的過冷度。單凝汽器的性能類似于兩個平行冷凝器。然而，對于相同的蒸汽負載量，單凝汽器在里面列和較低程度的過冷度較高的水溫度產生。對于相同數量的入口蒸汽，較高的蒸發(fā)式冷凝器的散熱能力允許使用動力較小的熱轉移表面面積和風扇比空氣冷凝器。效率相關性由蒸汽溫度，換熱面積，L/G, 和周圍的空氣濕球溫度表示。簡單與可以提供初步設計數據的相關性，相關性的水或空氣傳熱系數表示為蒸汽溫度和L/G的函數。文學研究符合相關預測。 術語表 A 傳熱面積 m2 B 高度 m C 定壓比熱 J/Kg d 厚度 m D 管徑 m G 空氣流率 kg/s G 蒸汽質量通量 kg/m2 s h 導熱系數 W/m2 H 液體焓 J/kg H00 蒸汽焓 J/kg k 熱導W/m ±C L 液體流率 kg/s m 翅片數 M 冷凝蒸汽質流率 kg/s n 管數 P 壓力 kPa P 比壓，流體壓力臨界壓力，無量綱 Pr 普朗特數r (D Cp =k ) q 熱負荷 W q 熱通量 W/m2 Re 雷諾數 (D VD= ) T 溫度,±C U 過熱導熱系數, W/m2 ±C V 速率 m/s W 寬度 m Z 長度 m δ 管厚 系統(tǒng)效率 潛熱 動態(tài)粘滯度 ∮ 翅片效率 密度 蒸氣質量分數 下標 a空氣流或空氣冷凝器 c冷凝面積 d 干球活干導熱系數 e 蒸發(fā)冷凝器 F 翅片 i 內管 液水 lo 液水導熱系數 m平均值 o 外管 p 管 s 熱蒸汽 t 總傳熱面積 u第一次離開換熱器的過冷的凝結水 v第二次離開換熱器的過冷的凝結水 w 濕球或濕導熱系數