文献综述-150KW蒸发式冷凝冷水机组设计.docx

蒸发式冷凝器研究现状 专业班级：热能10-02 姓名： 学号：文献综述 题 目 蒸发式冷凝器研究现状 学生姓名 专业班级 热能与动力工程10-2班学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称)完成时间 2014 年 2 月 25 日 蒸发式冷凝器研究现状摘要：本文主要介绍了蒸发式冷凝器的分类特点及研究进展。具体阐述三种蒸发式冷凝器工作原理和结构的特点，以及冷凝盘管的种类、传热传质方面的研究等。最后对蒸发式冷凝器目前遇到的困难及有可能的解决办法进行了探讨。关键词：蒸发式冷凝器、结构、传热、盘管、除垢The evaporative condensers research progress Feng binABSTRACTThis article describes the evaporative condenser classification, working principles, characteristics and research progress. Specifically addressed the three types evaporative condenser structure characteristics, as well as the types of condensing coil, heat and mass transfer research. Finally, investigation the evaporative condenser difficulties encountered and possible solutions .Key words： Evaporative condenser； Structure；Heat transfer；Coil； Descaling0.引言 由于人口膨胀和经济快速发展，人类用水量越来越大，缺水现象也越来越加剧，水资源短缺的状况已经成为制约部分地区经济发展、卫生保障等方面的一个重要因素。我国的水力资源可开发量虽达3.79 亿千瓦, 但人均不到0.3 千瓦，且分布极其不均。中国节水技术政策大纲中指出: “ 大力发展和推广工业用水重复利用技术，提高水的重复利用率是工业节水的首要途径，发展高效冷却节水技术是工业节约用水的重点。” 冷凝冷却设备是工业耗能耗水大户，制冷冷却耗能量占工业用能的13%15% ，耗水占工业用水的70% 80% ，而间接冷却用水又占冷却用水的70% 80%1。也正是在这样的情况下，蒸发式冷凝技术应运而生，成为水循环重复利用的重要技术之一。特别是在在航空、电力、机械、纺织等工业领域中蒸发式冷凝技术起着重要作用。蒸发式冷凝器的最大特点高效、节能、节水，其效果不仅在理论上是明显的，而且在实际应用中也得到很好的证明2 。所以，研究和发展蒸发式冷凝冷却设备极具现实意义。1.蒸发式冷凝器简述冷凝器是制冷系统的主要换热设备之一，高温、高压的制冷剂气体经过冷凝器被冷却为液态。冷凝器一般可分为3种类型：空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器及空气与水联合冷却式冷凝器3-4。蒸发式冷凝器是一种将空冷与水冷、传热与传质过程融为一体且兼有二者之长的新型换热设备，蒸发式冷凝器的换热不仅存在显热交换，而且存在潜热交换，并且以潜热交换为主5-6，相对于显热交换，潜热交换的换热效率更高。结构上蒸发式冷凝器将传统水冷系统中水冷器、凉水塔、凉水池及管道等附属设备一体化，具有结构紧凑、传热效率高、操作费用低、安装维护方便等优点，在化工、炼油、电力、冶金、制冷等行业中有着广泛应用，同时使得水耗和电耗较大幅度降低，在空冷与水冷的基础上实现了冷凝技术的新发展。1.1 蒸发式冷凝器的研究现状国外蒸发式冷凝器技术目前已经比较成熟，主要是欧洲和美国的一些公司,如丹麦的GRAM公司,荷兰GEA公司,美国的BAC公司和EVAPCO等公司,产品型式各有特点。国内生产蒸发式冷凝器的厂家不少，但同国外产品比较。除了有价格优势外，在产品质量上有竞争力的并不多。产生差距的原因很多，一是国内关于蒸发式冷凝器理论研究没有完全成熟,，在设计上不尽合理。二是配套材料的质量有待提高，许多质量问题不在于设计原因，而是材料质量不过关7。由于看到蒸发式冷凝器未来的广阔应用前景。近年来，一些科研单位和企业对蒸发冷却技术进行了理论和实验大量的研究，取得了一定进展，但较国外还有大的差距。1 .2蒸发式冷凝器的基本结构型式蒸发式冷凝器的总体结构包括：由薄钢板制成的四方形箱体，箱体内上部设有风机、电机、挡水板、喷淋装置，中部安装有冷却盘管、PVC热交换层，下部设有循环水泵、补水装置、集水槽等零部件。为防止水腐蚀钢材，箱体和冷却盘管须进行镀锌处理。根据风机安装位置不同，蒸发式冷凝器有以下3种基本结构型式8。（1）吸风式（如图1）吸风式是将风机安装在箱体顶部，当风机运转时，籍体内的热空气从顶部排出，新鲜空气从箱体下恻的吸风口吸入。它的优点是箱体内能保持一定的负压，可降低水的蒸发温度，更有利于换热。缺点是潮湿或带有水滴 空宅气流经过风机时，会腐蚀电机及其它零部什所以要选用密封防潮旧全封闭式电机和耐潮、耐腐蚀的风机驱动设备。图1.吸风式 图2.鼓风式(2)鼓风式（如图2）鼓风式是将风机安装在箱体下部的侧面部位，新鲜空气在脱机的作用下进人箱体，经过冷却盘管后，成为热空气从顶部排口。它的优缺点与吸风式的相反，优点是外界较为干燥的空气直接进入风机，使其风机和电机的零部件得以保护；缺点是箱内保持正压，因而水的蒸发温度较高，设备效率降低。根据经验，吸风式的冷却效果要比鼓风式的好一些，因此，在实际工程中，使用吸风式的蒸发式冷凝器更多一些。（3）上吸风横流顺流式如图3 上吸风横流顺流式，空气从机组顶部和侧面进入，再从另一侧顶部排出，故填料冷却喷淋水为横流式，而与盘管内制冷剂的换热为顺流式。空气从顶部和侧壁下部的进风格栅被吸入，流经盘管或填充料，饱和热空气则精通风机排到周围大气中。在热空气中夹带的部分水滴通过收水器截住，能有效地减少水滴飘散损失。散失到大气中的水蒸气在系统中可有浮球阀（水位调节器）控制补充。上吸风横流顺-流式蒸发式冷凝器相当于吧壳管式冷凝器、横流式冷却塔、循环水泵、水池、管道组合为一体，具有结构紧凑、节水、节电、高效率的特点。图3. 上吸风横流顺流式根据蒸发式冷凝器的管型又可分为管式蒸发式冷凝器和板式蒸发式冷凝器两类，其中管式蒸发式冷凝器从结构上又可分为填料蒸发式冷凝器、鼓泡燕发式冷凝器、异型管蒸发式冷凝器。虽分类依据不同会有不同种类，但其基本工作原理不会变化，因此就不在具体阐述原理。2.蒸发式冷凝器传热研究方面的进展2.1 采用新型强化传热元件新型强化传热元件是提高传热效率的有效途径。可通过增大冷凝器换热面积和单位面积的换热量来极高换热效率。可通过改变换热盘管管型结构实现此目的，异型管式蒸发式冷凝器就是在不增加体积和功耗的情况下来通过增大换热面积的，因此发展出了各种管型。目前主要有椭圆管、波纹管、异滴形管、交变曲面波纹管等，下面具体介绍各种管型。1） 椭圆形盘管9。结合了盘管表面积增大和间隔管式盘管外空气、水流动特性增强的优点，极大地改善了盘管的传热性能。2)波纹形盘管10(见图4a)。波纹管表面曲率大，流体在内外表面流动时湍流程度高，污垢难以形成堆积，同时波纹管具有较强的轴向伸缩能力，当温度发生变化时，波纹管与垢层之间的伸缩能力不同，二者之间产生较大拉脱力，使垢层破裂、脱落。图4.几种常见异型管3)异滴形管11(见图4b)。其特点是半径为R的左右管壁1与半径为r的上下管壁2连接为一体，r远小于R，该异滴形管易加工、具有很强的承压能力，管束排列紧凑性好、管外换热流体流动阻力小。4)交变曲面波纹管(见图4c)12。它将高效填料混合波纹板的原理和薄层流动方式应用于不连续交变曲面波纹管以传质强化传热。采用强化传热特有的变曲面的波纹管型，组成管间距较小的盘管管束结构，探索非饱和蒸发界面与传热表面协同强化机理。虽然各种异型管都很大程度增大了单位体积换热面积，提高了冷凝器性能。但这些异型管大都存在制造上的困难以及成本高等问题，不适合大规模使用，而就目前来看，只有椭圆形盘管的在各种异型管中还是获得了较好的发展。椭圆形盘管的制造工艺也较其他成熟，成本也较低，单元体积的换热效果也比光管有很大提高，因此其发展趋势越来越好，下面具体介绍下椭圆形盘管的异型管式蒸发式冷凝器的工作过程。椭圆管分布为三角形排列（如图5）。这种椭圆盘管结合了盘管表面积增大和间隔管式盘管外空气、水流动特性增强的优点。由于采用椭圆盘管设计，减小了通过机组的空气压降，在使用小功率的风机情况下，通过盘管组外部的空气流为自由气流。在不影响空气流的情况下，使通过盘管组外部的喷射水流的流速提高，这就意味着有更大的热容量，同时最大限度地利用了盘管的表面积，大大地增强了盘管的传热能力，因此提供盘管体积一定时最大的传热表面积。使该椭圆管蒸发式冷凝器的传热容量有了显著的提高。由于椭圆形的盘管在空气流动方向错排，可获得较高的膜冷凝系数，提高了传热容量。另外，所有管子朝着制冷剂流动方向倾斜，以利于冷凝后的液体排出。这种蒸发式冷凝器的优点是安装维护容易、传热效果好、布风均匀、耗电耗水少和使用寿命长等。 图5.椭圆形盘管的排列另一方面为了防止盘管腐蚀，增加使用寿命，现在一般对盘管进行了处理，如热浸锌技术，也有对盘管材料的不断改进及使用新材料。2.2 采用合理的冷凝盘管结构与尺寸蒸发式冷凝器只有在正确的设计安装条件下，才能获得最佳的换热效果。合理的管路系统是蒸发式冷凝器运行正常及提高效率的重要保证。实践证明，采用252.0 的管子比252.5 的管子能达到更好的换热效果，并能显著降低设备的总重量。管子确定后，要合理布置，保证管子沿液流方向有3左右的坡度，以利液体在自重作用下顺利进入集液管13。3.蒸发式冷凝器的特点3.1蒸发式冷凝器的优点（1）冷凝效果好。由于水的蒸发潜热大，单位水的吸热量大，在判官内外，空气与制冷剂逆流向流动，提高了传热效率，从而达到更好的冷凝效果。( 2)节水。蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热，这与风冷式冷凝器和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂的热量完全不同，比淋水式冷凝器更能充分利用水的蒸发潜热。且蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一般水冷式冷凝器的1% 。考虑飞溅损失、排污换水等因素，实际耗水量也约为水冷式的5% 10%。风冷式冷凝器虽然不用水源，但需要消耗更多的压缩机和冷凝功耗。（3）节电。采用蒸发式冷凝器的制冷系统，其冷凝温度要比用风冷式或水冷式冷凝器低，因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少(冷凝温度每升高1 单位制冷量的耗电量将增加3. 0% 3. 5%)14。此外，冷凝器的总功耗(水泵、风机)也显著降低, 因而能明显节能。据众多测试报告显示，与壳管式冷凝器和水冷却塔组合的系统相比，采用蒸发式冷凝器可降低制冷装置电耗10%左右， 而与空冷式冷凝器相比，可节电30%以上。(4)安装、维护方便，占地面积小，运行费低。蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用，因此不像一般水冷式冷凝器还需配备冷却塔，水冷式冷凝器和冷却塔的综合初投资，实际上高于蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器结构紧凑，占地面积小，而且制造时更容易形成整体，这样给安装带来了极大的方便，日常维修工作量小。32存在问题及可能的解决方法蒸发式冷凝器虽然有诸多有点，但在实际应用过程中也产生了一些问题，如果不想办法加以解决，蒸发式冷凝器的应用必然受到限制。首先也是最主要的是蒸发式冷凝器结垢问题。由于蒸发式冷凝器结构紧凑，换热效率高，结垢对其传热性能影响相当大。在蒸发式冷凝器中，当水蒸发时，原来存在的杂质还在水中，水中溶解的固体的浓度也会不断提高，如果这些杂质和污物不能有效控制，会引起结垢、腐蚀和泥浆积聚，从而降低传热效率。据实验数据，当结垢厚度为0.5 mm 时，冷凝压力会增加0.15 MPa，增加耗电19%，结垢厚度为1 mm，冷凝压力上升0.22 MPa，增加耗电39%15。因此，蒸发式冷凝器的用水应软化处理并控制循环水使用周期，通过排污来控制杂质的积聚。运转一定时间后，还应进行除垢，除垢的方式大多数采用酸洗，洗涤时要格外小心，避免破坏盘管的镀层，影响使用寿命。目前较先进的冷凝器都采用了防结垢技术，如电子防垢除垢装置，这些除垢装置基本能控制水垢的生成。但即使采用了防结垢技术，也必须时刻注意结垢情况，随时采取除垢措施，这样不仅可以提高冷凝器的传热效率，还可以延长蒸发式冷凝器的使用寿命。其次是腐蚀问题，蒸发式冷凝器外壳由于常年处于水与空气的潮湿环境下，易于腐蚀，需要热浸锌处理，用镀锌钢的周期性钝化来防止“白锈”，白锈就是积聚在镀锌钢表面上的白色、蜡状和破坏锌层的腐蚀物。由于浸锌不均匀或厚度不够，部分地方腐蚀严重影响产品寿命。蒸发式冷凝器的换热管也存在同样问题。因此热浸锌质量要把好关，保证镀锌厚度，同时注意镀层均匀。第三是水量的合理分布问题。喷淋水的水量选择和均匀分布对蒸发式冷凝器换热效果有很大的影响，在水分配系统中，采用特大型防堵式喷淋嘴，取代数量众多的喷水孔，可大大简化水的分配系统，提高了效率，并且使用可靠，使维护容易，且维护费用降低。第四是风机问题。以往国产蒸发式冷凝器一般为吹风式结构，风机装在下面，由于挡水板设置不当，或用户操作不当，先开水泵后开风机，造成风机接线盒进水短路，使电机烧毁。现在采用吸风式较多，接线盒放在箱体外，避免与水接触，一般不存在上述问题，但对风机叶片要求较高，要能耐腐蚀。上述四条是主要问题，当然还有冷凝器的震动与噪声问题，维修问题等，这些问题中最终还是结垢和防腐蚀问题。随着计算机技术的发展，研究更加复杂精确的数学计算模型成为可能，比如人工神经网络技术和自适应神经模糊推理系统等新的研究方法，使水量的合理分布问题取得了改善。风机也通过制造技术的改进、放置位置的变化等方式得到了有效解决。若能很好的解决结垢和腐蚀问题，蒸发式冷凝器必将有更好的发展和应用。4.结语总体来说，我国蒸发式冷凝器的开发和应用相对滞后，与国外相比还有一定差距，应用过程中也存在一些问题。首先是地区的不平衡性，当然这和我们地理环境差异大和经济发展不平衡有很大关系。其次是蒸发式冷凝器使用过程中的一些问题，主要是防结垢、防腐蚀问题，另外还有水量的合理分布和风机的合理布置和使用。蒸发式冷凝器的理论和应用研究仍有很大的发展余地，新技术的出现，新产品的开发和应用方式的改进，都为蒸发式冷凝器的发展提出新课题。特别是近几年来电力资源紧张和水资源匮乏将促进有关蒸发式冷凝器的研究和应用，蒸发式冷凝器产品技术的成熟和进一步应用，对我国经济和社会的发展也将起到重要的推动作用。参考文献1 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