蒸发式冷凝器的发展及应用

毕业设计（论文）中文摘要蒸发式冷凝器的发展及应用摘要随着工业的发展，人们也越来越注重节约能源、保护环境。本文将几种冷凝器进行了比较，得出了蒸发式冷凝器因节能、节水、冷凝效果好、占地面积小等优势而更加值得推广普及。随后具体的阐述了蒸发式冷凝器的结构原理及其优缺点。介绍了国内外对于蒸发式冷凝器的发展以及这种冷凝器应用所发现的不足之处。分析了蒸发式冷凝器出现结垢问题、腐蚀问题、水量分布问题、风机问题以及噪音问题的原因，也重点阐述了针对不同问题的解决方法。对蒸发式冷凝器广阔的发展前景进行了展望。关键词蒸发式冷凝器优势应用现状防垢防腐第1页共1页 目录TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 页共10页1引言随着工业的迅速发展，冷却设备在各个领域有了广泛的应用。但是耗水量与污染也十分严重。所以发展和推广可以节约水资源、以及能源的设备就显得尤其重要。而冷凝器是制冷系统主要的热交换设备之一,因此冷凝器随着人们需求的变化而不断发展。在人们对蒸发式冷凝器技术研究的同时，发现蒸发式冷凝器在节约水与节约能源上的效果都是显著的。因此蒸发式冷凝器不仅在食品、制药、饮品、化工等行业开始普遍，民用空调方向也发展迅速。本文将通过对蒸发式冷凝器的研究来阐述其优缺点，并总结出不足之处及解决方法。说明蒸发式冷凝器值得我们去深入研究并积极推广普及。2冷凝器的型式及比较可按照冷却方式将冷凝器分为三大类：空气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器、空气与水联合冷却式冷凝器。2．1空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器简称风冷式冷凝器。制冷剂放出的热量会被空气带走，从而使制冷剂在管内冷凝。因空气的对流传热系数低，所以一般采用翅片管式换热器。这种冷凝器体积大、质量大、冷凝温度高、冷凝压力高，所以制冷机效率低、压缩机使用寿命减少、维护费用高。维护简单、可冷热两用且不需要冷却水是其主要优势。因此特别适合缺水地区使用。目前空气冷却式冷凝器主要在中小型空调系统中使用。图1空气冷却式冷凝器2．2水冷式冷凝器高温高压的气态制冷剂所放出的热量被水带走，从而使制冷剂冷凝。结构紧凑、传热系数高是其主要优势，因而在工业制冷系统和大中型空调制冷系统中得到广泛应用。水冷式冷凝器采用水作为冷却介质，为了减少水资源浪费，所以吸收热量的冷却介质会通过冷却水塔等装置来实现冷却降温，以达到循环利用的目的。这也就造成了这种冷凝器投入的资金较大。现在已知的水冷式冷凝器主要有以下几种:卧式壳管式冷凝器、立式壳管式冷凝器和套管式冷凝器。图2水冷式冷凝器2.3空气与水联合冷却式冷凝器2.3.1淋水式冷凝器水通过配水槽流到换热管上形成水膜，水膜的水蒸发带走制冷剂的热量。但由于淋水式冷凝器中并没有风机，所以空气流通较慢。这种冷凝器不仅占地面积大，传热效果也较差，所以生产和使用淋水式冷凝器的很少。2.3.2蒸发式冷凝器制冷剂所放出的热量被换热管上形成的水膜蒸发所吸收，而蒸发时产生的水蒸气被空气所带走，从而使制冷剂冷凝。蒸发式冷凝器没有水冷式冷凝器专门的冷却塔，所以耗水量小、结构紧凑、占地面积也小，比较适用于缺水地区。这种冷凝器主要靠潜热散热，因此能耗低且效率高，被广泛运用于各个工业制冷系统中。现在蒸发式冷凝器正在逐步代替水冷式冷凝器。图3蒸发式冷凝器3蒸发式冷凝器3.1工作原理蒸发式冷凝器主要由以下几个部分组成：换热器、水循环系统以及鼓风机。结构原理图如图1所示。箱体底部的循环水由水泵压送至蛇形换热盘管上方的喷淋管，再由喷嘴均匀的撒在蛇形管上并在蛇形管上形成水膜。当压缩机排出的蒸汽进入换热盘管内，水膜从管壁吸收制冷剂的热量后，一部分水蒸发为水蒸气被流动的空气带走，余下的水则沿蛇形管壁流入箱体底部的水盘里。这部分水在下降过程中会与由下至上强制流动的空气进行充分的接触，达到更好的冷却效果。在空气被鼓风机强制从下至上流动时，除了带走水蒸气以外还会带走一部分水滴，所以在风机下安装一块挡水板可减少循环水的损失。图4蒸发式冷凝器原理图3.2蒸发式冷凝器的优势蒸发式冷凝器具有以下几点优势：节水蒸发式冷凝器是利用水的蒸发潜热来达到更少量的水带走更多的热量，从而达到节水的效果。一般的水冷式冷凝器1kg冷却水只能带走16.75～25.12kJ的热量，而蒸发式冷凝器中1kg的水在常压的情况下可以带走2428kJ的热量。所以蒸发式冷凝器理论耗水量很少，是一般水冷式冷凝器的1％。既是加上排污换水、空气吹散损失的水，其耗水量也远远低于一般水冷式冷凝器，大约为5％～10％。所以蒸发式冷凝器很适合用于缺水地区。节能在蒸发式冷凝器中没有冷却塔，水只在冷凝器设备内循环，因此水泵的功率远远低于水冷式冷凝器水泵的功率。蒸发式冷凝器采用的散热方式与风冷式和水冷式都不同，蒸发式冷凝器主要依靠潜热散热，因此冷凝温度也低。蒸发式冷凝器的冷凝温度比风冷式冷凝器低8～14℃，比水冷式要低3～6℃。所以蒸发式冷凝器总功耗相比另外两种冷凝器要少很多，节能效果更好。冷凝效果好蒸发式冷凝器很好的利用了水的汽化潜热来使单位水的吸热量更大，中1kg的水在常压的情况下可以带走2428kJ的热量。而被风机强制由下至上流通的空气与制冷剂逆流向流动，以达到更好的冷凝效果。占地面积小蒸发式冷凝器把水冷式冷凝器中的冷却塔、冷凝器、循环水泵、循环水池等都合为一体，大大节约了设备的占地面积。投资低因蒸发式冷凝器不需要冷却塔，本身就可以作为冷却塔使用，所以结构紧凑、占地面积小。这样即方便了安装，又节省了运行以及维护费用。4研究进展当前热污染、能源危机和节约用水都引起了各国的广泛关注，这促进了各国对蒸发式冷凝器的研究和发展。发达国家普及应用蒸发式冷凝器，而我国蒸发式冷凝器也在逐步替代水冷式冷凝器的使用。4.1国外研究状况各国在蒸发式冷凝器这个领域一直十分活跃，对于它的研究也是十分多。在20世纪五六十年代，一些国家就对蒸发式冷凝技术有了一定的研究。在1952年的时候，Chuklin就在道尔顿定律和降膜蒸发理论的基础上提出了一个关于蒸发式冷凝器设计普遍化的方法。这种设计方法是利用管壁蒸发散热技术来使得管内蒸汽冷凝。这使得蒸发式冷凝器开始应用于工业化。1962年，Parker和Treyball通过对蒸发式冷凝器传热、传质的研究，得出了传热膜系数的关联式。Mizushina对蒸发式冷凝器提出了两种方法，一种是数学模型，另一种是分析模型。并通过对它的研究得出了一些传热膜系数的公式。1938年成立的巴尔的摩公司在1968年推出了V-Line系列的蒸发式冷凝器。该系列冷凝器使得传热效率得到了提高。然而五六十年代对蒸发式冷凝器的研究并不细致，直到七十年代的能源危机使得这项研究得到了重视，并得到了进一步的发展。但使蒸发式冷凝器技术发展迅速的还是八十年代以后。八十年代以来，因为计算机技术的飞速发展，蒸发式冷凝器的模拟研究得到了进一步的发展。Webb推出了统一的冷却塔、蒸发式冷凝器和蒸发式冷却器的理论模型，并运用三个计算法则和计算模型描述和分析了它。Peterson通过研究发现模型与数据有一定差异。随着越来越多研究成果出现，研究深度和细致程度都有了提升，并逐渐形成研究体系，应用在工业上的技术也逐渐完善。4.2国内研究状况我国对于蒸发式冷凝器的发展比国外要晚上不少，我国最早开始研究始于20世纪80年代，由同济大学陈沛霖教授引进这种技术。当时国内颁布了第一个蒸发式冷凝器的相关技术标准《蒸发式冷凝器的型式和基本参数》。但因为我国当时的制造水平与节水意识都不强，所以这种技术在被引进之后并没有多少研究成果。随着我国工业技术的不断发展和对能源危机的进一步认识，对蒸发式冷凝器的研究也逐渐增多。在理论研究方面，蒋常建等以管内走工艺水的横流式蒸发冷却塔为研究对象，借鉴王铁军的逆流式冷却塔热力计算的数学模型，提出了一种准三维的计算方法。王屏东对用喷淋蒸发翅管式冷凝器的传热传质过程进行了分析，建立了传热传质数学模型。唐伟杰在稳态产热仿真的基础上，设计了全年运行的蒸发式冷凝器的配风量方案。朱冬生等从实验和理论两方面对蒸发式冷凝器的传热传质过程进行了分析，还对下送风方式进风来流角度对换热效果的影响进行了模拟实验分析，得出最佳进风来流角在-15°～20°。此外还有很多学者对蒸发式冷凝器进行了不同方向的深入研究，得出了很多重要的研究结果，这使得我国的这种技术逐渐完善、优化。在节约能源、保护环境上做出了进一步的贡献。5应用现状以及不足之处5.1应用现状国外发达国家普遍采用蒸发式冷凝器，但我国由于研究发展都比国外发达国家开始的晚，所以不如国外普及程度高。基于蒸发式冷凝器的优势，近年来一些水冷式冷凝器的使用都在逐渐被蒸取代。不仅在食品、制药、饮品、化工等行业都普遍采用了蒸发式冷凝器，它也往民用空调方向发展迅速。由于其节水、节能效果明显，冷凝效率高，蒸发式冷凝器现今在国内的市场规模越来越大。在潮湿的地区由于腐蚀问题导致的产品寿命短使得蒸发式冷凝器在西北地区的使用率比中南地区要多。以下几个案例也说明了蒸发式冷凝器的应用越来越广泛。在人防工程中的应用在银川市南门广场人防地下商场，采用冷却塔来冷却的话，需要在地面放置冷却塔。但是人防地下商场的上面是一个休闲广场，冷却塔会产生噪音与水雾。因此采用蒸发式冷凝器。在氮肥行业的应用福建三钢(集团)三明化工有限公司的合成氨厂冰机水冷器改为蒸发式冷凝器，公司氨制冷系统对冰机水冷装置改造中出现了以下问题；需要考虑气候温度的影响，要注意循环水对机器的影响，配管管路的设计。+在啤酒生产中的应用珠江啤酒有限公司原来使用卧式冷凝器，后因环境污染、冷凝效果差等原因换成了蒸发式冷凝器。通过使用效果来看，蒸发式冷凝器不仅能耗低、占地面积小，同时也使公司的经济效益得到提高。5.2不足之处以及解决方法随着蒸发式冷凝器使用率和时间的不断提高，运行带来的问题也随之而来。蒸发式冷凝器的不足之处主要为结垢问题、腐蚀问题、水量分布问题、风机问题以及噪音问题这五种。5.2.1结垢问题及解决方法结垢对于蒸发式冷凝器来说影响很大，这些杂质和污垢堆积在换热盘管或者喷嘴处都会使得蒸发式冷凝器的换热效率降低，造成经济损失。这些结垢问题主要由以下几种原因造成：微生物繁殖在蒸发式冷凝器这个特殊的环境里，循环的冷却水给微生物的大量繁殖提供了有利条件。而微生物的大量繁殖造成了生物软泥堆积在蒸发式冷凝器形成结垢问题。水中介质的沉积在空气至下而上流通时会带走一部分水蒸气，冷却水减少，但水中所溶解的其他物质不会蒸发掉。这些介质在冷却水中的浓度越来越高，当其在冷却水中无法溶解就会沉积下来形成结垢，推挤在换热管壁上。这些结垢物质主要是CaCO3、MgCO3、CaSO4、CaSiO金属的腐蚀产物在蒸发式冷凝器中的金属在潮湿空气的作用下被腐蚀，形成结垢附在金属表面。这些腐蚀产物主要是FeO、Fe2O3空气中的尘埃因为蒸发式冷凝器需要空气来带走水蒸气，所以会有大量的空气进入设备里。这也导致了灰尘进入冷却水中，随着冷却水的不断循环而形成结垢。针对以上四种结垢原因主要有以下几种解决方法：微生物的繁殖和盐类物质的堆积都是循环水水质的问题。通过对循环水水质的定期处理，根据实际情况控制循环水的使用周期来预防和减少结垢和生物粘泥的危害情况。对于除垢也可使用物理方法清洗，利用高压水枪对结垢的地方进行冲洗。虽然这种办法较为简单而且对设备损害较低，但是蒸发式冷凝器结构紧凑，会有很多冲洗不到的死角。不能够有效的清理所有的结垢，所以这种方法用的很少。利用一些电磁装置来除垢，能够高效的达到除垢防垢的效果。这种方法能有效的提高设备传热效果也能延长设备的使用寿命，但是会造成设备投资成本增高。使用氨基磺酸（NH2可在蒸发式冷凝器的循环水里添加植物萃取剂来处理结垢。这种植物萃取剂利用它的高渗透性使得水垢变软，同时阻止新水垢的产生，也不会对设备的金属造成损害。因为植物萃取剂是从植物里提取出来的，所以无毒安全且可以自然分解不会对环境造成污染。因此国外研发的这种方法操作方便、安全无毒、成本低、效率高。5.2.2腐蚀问题及解决方法蒸发式冷凝器的金属长期处于潮湿环境下更容易被腐蚀，因此防腐措施一定要做好。现有以下几种解决方法：在金的属的表面进行浸锌来减少腐蚀问题。但是要注意镀锌层一定要均匀且有一定厚度。这就要求热浸锌质量一定要过关，每平方米镀锌550g以上且镀层均匀。可直接改变金属材质，利用不锈钢做成盘管来减少腐蚀问题。也可利用牺牲阳极阴极保护法来减少腐蚀问题。将需要保护的设备金属作为阴极，再找一块比设备金属还原性强的金属作为阳极，两者相连构成原电池。这种方法非常简便易安装，但阳极所需金属较为昂贵。5.2.3水量分布问题及解决方法在蒸发式冷凝器中合适的配水量与分布均匀的水膜对于提高冷凝效率很重要。配水量是指喷淋水量和制冷量之比。过多的喷淋水只会增加水泵的功率和循环水的损失量。所以合适的喷淋水量与合适的制冷剂流量才能使冷凝效果最大化。国内的喷嘴都较小，喷水量较小且喷洒不均匀。可以改用喷水孔也较大的喷嘴，不仅提高效率，也可减少喷水孔被水垢堵塞的情况，降低维护费用。5.2.4风机问题及解决方法为了节约能源，国内的蒸发式冷凝器配风量都较。一般的风机都是装在下面，采用吹式结构。风机就会因为挡水板设置不当或者先开水泵而进水短路，造成电机被烧毁。所以现在换了吸风式风机来解决这个问题。吸风式风机虽然可以避免了与水接触但是却对风机的叶片要求高。5.2.5噪音问题及解决方法在蒸发式冷凝器运行的时候总会产生一些噪音，这些噪音来源于风机、水泵、水滴下落、以及箱体综合噪声。尤其是风机在工作时噪音最大，所以对风机叶片的处理以及风机的选择上很重要。使用宽叶片设计的低噪声轴流风机以及增加排风消音器可以减少噪音的问题。对于噪声要求较高的场合可增加消声毯和吸声材料来解决。6未来发展前景若要提高蒸发式冷凝器的冷凝效率的话，高效的传热盘管、更好的处理结垢与腐蚀、合理的配水量都是需要发展的重要方面。传热盘管的管型以及管的表面性质都是提高效率的一个重要方面。美国益美高公司获得专利的椭圆形盘管就提高了传热性能。华南理工大学设计的交曲面波纹盘管同样提高了传热性能。在蒸发式冷凝器的循环水里添加植物萃取剂处理结垢可以有效地提高冷凝效率。在发展蒸发式冷凝器理论的同时也要兼顾实际生产，根据我国不同的气候环境改进设备。所以结合我国国情来发展蒸发式冷凝器的设计以及技术尤为重要。结论蒸发式冷凝器主要靠潜热散热，用水量是水冷式冷凝器的5％～10％，而散热量是它的很多倍。它的冷凝效果温度也比风冷式和水冷式要低。在当下需要节约能源、保护环境的情况下，这种冷凝器作为耗能低但冷凝效率高的一种设备，在未来有着很好的发展前景。未来要根据不同地区的情况去研究发展，也要不断提高对设备防垢防腐的技术，提高经济效益。所以蒸发式冷凝器值得我们去深入研究并积极推广普及。致谢天下没有