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文獻(xiàn)綜述
題 目 蒸發(fā)式冷凝器研究現(xiàn)狀
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
蒸發(fā)式冷凝器研究現(xiàn)狀
摘要：本文主要介紹了蒸發(fā)式冷凝器的分類\特點(diǎn)及研究進(jìn)展。具體闡述三種蒸發(fā)式冷凝器工作原理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及冷凝盤管的種類、傳熱傳質(zhì)方面的研究等。最后對(duì)蒸發(fā)式冷凝器目前遇到的困難及有可能的解決辦法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：蒸發(fā)式冷凝器、結(jié)構(gòu)、傳熱、盤管、除垢
The evaporative condensers research progress
ABSTRACT
This 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； Descaling
0.引言
由于人口膨脹和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類用水量越來越大，缺水現(xiàn)象也越來越加劇，水資源短缺的狀況已經(jīng)成為制約部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、衛(wèi)生保障等方面的一個(gè)重要因素。我國的水力資源可開發(fā)量雖達(dá)3.79 億千瓦, 但人均不到0.3 千瓦，且分布極其不均。《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》中指出: “ 大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)，提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的首要途徑，發(fā)展高效冷卻節(jié)水技術(shù)是工業(yè)節(jié)約用水的重點(diǎn)?！?冷凝冷卻設(shè)備是工業(yè)耗能耗水大戶，制冷冷卻耗能量占工業(yè)用能的13%~15% ，耗水占工業(yè)用水的70%~ 80% ，而間接冷卻用水又占冷卻用水的70%~ 80%[1]。也正是在這樣的情況下，蒸發(fā)式冷凝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為水循環(huán)重復(fù)利用的重要技術(shù)之一。特別是在在航空、電力、機(jī)械、紡織等工業(yè)領(lǐng)域中蒸發(fā)式冷凝技術(shù)起著重要作用。蒸發(fā)式冷凝器的最大特點(diǎn)高效、節(jié)能、節(jié)水，其效果不僅在理論上是明顯的，而且在實(shí)際應(yīng)用中也得到很好的證明[2] 。所以，研究和發(fā)展蒸發(fā)式冷凝冷卻設(shè)備極具現(xiàn)實(shí)意義。
1.蒸發(fā)式冷凝器簡述
冷凝器是制冷系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備之一，高溫、高壓的制冷劑氣體經(jīng)過冷凝器被冷卻為液態(tài)。冷凝器一般可分為3種類型：空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器及空氣與水聯(lián)合冷卻式冷凝器[3-4]。蒸發(fā)式冷凝器是一種將空冷與水冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體且兼有二者之長的新型換熱設(shè)備，蒸發(fā)式冷凝器的換熱不僅存在顯熱交換，而且存在潛熱交換，并且以潛熱交換為主[5-6]，相對(duì)于顯熱交換，潛熱交換的換熱效率更高。結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)式冷凝器將傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)中水冷器、涼水塔、涼水池及管道等附屬設(shè)備一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、操作費(fèi)用低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在化工、煉油、電力、冶金、制冷等行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，同時(shí)使得水耗和電耗較大幅度降低，在空冷與水冷的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了冷凝技術(shù)的新發(fā)展。
1.1 蒸發(fā)式冷凝器的研究現(xiàn)狀
國外蒸發(fā)式冷凝器技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，主要是歐洲和美國的一些公司,如丹麥的GRAM公司,荷蘭GEA公司,美國的BAC公司和EVAPCO等公司,產(chǎn)品型式各有特點(diǎn)。國內(nèi)生產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器的廠家不少，但同國外產(chǎn)品比較。除了有價(jià)格優(yōu)勢外，在產(chǎn)品質(zhì)量上有競爭力的并不多。產(chǎn)生差距的原因很多，一是國內(nèi)關(guān)于蒸發(fā)式冷凝器理論研究沒有完全成熟,，在設(shè)計(jì)上不盡合理。二是配套材料的質(zhì)量有待提高，許多質(zhì)量問題不在于設(shè)計(jì)原因，而是材料質(zhì)量不過關(guān)[7]。由于看到蒸發(fā)式冷凝器未來的廣闊應(yīng)用前景。近年來，一些科研單位和企業(yè)對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)大量的研究，取得了一定進(jìn)展，但較國外還有大的差距。
1 .2蒸發(fā)式冷凝器的基本結(jié)構(gòu)型式
蒸發(fā)式冷凝器的總體結(jié)構(gòu)包括：由薄鋼板制成的四方形箱體，箱體內(nèi)上部設(shè)有風(fēng)機(jī)、電機(jī)、擋水板、噴淋裝置，中部安裝有冷卻盤管、PVC熱交換層，下部設(shè)有循環(huán)水泵、補(bǔ)水裝置、集水槽等零部件。為防止水腐蝕鋼材，箱體和冷卻盤管須進(jìn)行鍍鋅處理。根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置不同，蒸發(fā)式冷凝器有以下3種基本結(jié)構(gòu)型式[8]。
（1）吸風(fēng)式（如圖1）
吸風(fēng)式是將風(fēng)機(jī)安裝在箱體頂部，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，籍體內(nèi)的熱空氣從頂部排出，新鮮空氣從箱體下惻的吸風(fēng)口吸入。它的優(yōu)點(diǎn)是箱體內(nèi)能保持一定的負(fù)壓，可降低水的蒸發(fā)溫度，更有利于換熱。缺點(diǎn)是潮濕或帶有水滴 空宅氣流經(jīng)過風(fēng)機(jī)時(shí)，會(huì)腐蝕電機(jī)及其它零部什．所以．要選用密封防潮舊全封閉式電機(jī)和耐潮、耐腐蝕的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
圖1.吸風(fēng)式 圖2.鼓風(fēng)式
(2)鼓風(fēng)式（如圖2）
鼓風(fēng)式是將風(fēng)機(jī)安裝在箱體下部的側(cè)面部位，新鮮空氣在脫機(jī)的作用下進(jìn)人箱體，經(jīng)過冷卻盤管后，成為熱空氣．從頂部排口。它的優(yōu)缺點(diǎn)與吸風(fēng)式的相反，優(yōu)點(diǎn)是外界較為干燥的空氣直接進(jìn)入風(fēng)機(jī)，使其風(fēng)機(jī)和電機(jī)的零部件得以保護(hù)；缺點(diǎn)是箱內(nèi)保持正壓，因而水的蒸發(fā)溫度較高，設(shè)備效率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，吸風(fēng)式的冷卻效果要比鼓風(fēng)式的好一些，因此，在實(shí)際工程中，使用吸風(fēng)式的蒸發(fā)式冷凝器更多一些。
（3）上吸風(fēng)橫流—順流式[如圖3]
上吸風(fēng)橫流—順流式，空氣從機(jī)組頂部和側(cè)面進(jìn)入，再從另一側(cè)頂部排出，故填料冷卻噴淋水為橫流式，而與盤管內(nèi)制冷劑的換熱為順流式?？諝鈴捻敳亢蛡?cè)壁下部的進(jìn)風(fēng)格柵被吸入，流經(jīng)盤管或填充料，飽和熱空氣則精通風(fēng)機(jī)排到周圍大氣中。在熱空氣中夾帶的部分水滴通過收水器截住，能有效地減少水滴飄散損失。散失到大氣中的水蒸氣在系統(tǒng)中可有浮球閥（水位調(diào)節(jié)器）控制補(bǔ)充。上吸風(fēng)橫流順--流式蒸發(fā)式冷凝器相當(dāng)于吧殼管式冷凝器、橫流式冷卻塔、循環(huán)水泵、水池、管道組合為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)水、節(jié)電、高效率的特點(diǎn)。
圖3. 上吸風(fēng)橫流—順流式
根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的管型又可分為管式蒸發(fā)式冷凝器和板式蒸發(fā)式冷凝器兩類，其中管式蒸發(fā)式冷凝器從結(jié)構(gòu)上又可分為填料蒸發(fā)式冷凝器、鼓泡燕發(fā)式冷凝器、異型管蒸發(fā)式冷凝器。雖分類依據(jù)不同會(huì)有不同種類，但其基本工作原理不會(huì)變化，因此就不在具體闡述原理。
2.蒸發(fā)式冷凝器傳熱研究方面的進(jìn)展
2.1 采用新型強(qiáng)化傳熱元件
新型強(qiáng)化傳熱元件是提高傳熱效率的有效途徑?？赏ㄟ^增大冷凝器換熱面積和單位面積的換熱量來極高換熱效率?？赏ㄟ^改變換熱盤管管型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此目的，異型管式蒸發(fā)式冷凝器就是在不增加體積和功耗的情況下來通過增大換熱面積的，因此發(fā)展出了各種管型。目前主要有橢圓管、波紋管、異滴形管、交變曲面波紋管等，下面具體介紹各種管型。
1） 橢圓形盤管[9]。結(jié)合了盤管表面積增大和間隔管式盤管外空氣、水流動(dòng)特性增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，極大地改善了盤管的傳熱性能。
2)波紋形盤管[10](見圖4a)。波紋管表面曲率大，流體在內(nèi)外表面流動(dòng)時(shí)湍流程度高，污垢難以形成堆積，同時(shí)波紋管具有較強(qiáng)的軸向伸縮能力，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，波紋管與垢層之間的伸縮能力不同，二者之間產(chǎn)生較大拉脫力，使垢層破裂、脫落。
圖4.幾種常見異型管
3)異滴形管[11](見圖4b)。其特點(diǎn)是半徑為R的左右管壁1與半徑為r的上下管壁2連接為一體，r遠(yuǎn)小于R，該異滴形管易加工、具有很強(qiáng)的承壓能力，管束排列緊湊性好、管外換熱流體流動(dòng)阻力小。
4)交變曲面波紋管(見圖4c)[12]。它將高效填料混合波紋板的原理和薄層流動(dòng)方式應(yīng)用于不連續(xù)交變曲面波紋管以傳質(zhì)強(qiáng)化傳熱。采用強(qiáng)化傳熱特有的變曲面的波紋管型，組成管間距較小的盤管管束結(jié)構(gòu)，探索非飽和蒸發(fā)界面與傳熱表面協(xié)同強(qiáng)化機(jī)理。
雖然各種異型管都很大程度增大了單位體積換熱面積，提高了冷凝器性能。但這些異型管大都存在制造上的困難以及成本高等問題，不適合大規(guī)模使用，而就目前來看，只有橢圓形盤管的在各種異型管中還是獲得了較好的發(fā)展。橢圓形盤管的制造工藝也較其他成熟，成本也較低，單元體積的換熱效果也比光管有很大提高，因此其發(fā)展趨勢越來越好，下面具體介紹下橢圓形盤管的異型管式蒸發(fā)式冷凝器的工作過程。
橢圓管分布為三角形排列（如圖5）。這種橢圓盤管結(jié)合了盤管表面積增大和間隔管式盤管外空氣、水流動(dòng)特性增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于采用橢圓盤管設(shè)計(jì)，減小了通過機(jī)組的空氣壓降，在使用小功率的風(fēng)機(jī)情況下，通過盤管組外部的空氣流為自由氣流。在不影響空氣流的情況下，使通過盤管組外部的噴射水流的流速提高，這就意味著有更大的熱容量，同時(shí)最大限度地利用了盤管的表面積，大大地增強(qiáng)了盤管的傳熱能力，因此提供盤管體積一定時(shí)最大的傳熱表面積。使該橢圓管蒸發(fā)式冷凝器的傳熱容量有了顯著的提高。由于橢圓形的盤管在空氣流動(dòng)方向錯(cuò)排，可獲得較高的膜冷凝系數(shù)，提高了傳熱容量。另外，所有管子朝著制冷劑流動(dòng)方向傾斜，以利于冷凝后的液體排出。這種蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是安裝維護(hù)容易、傳熱效果好、布風(fēng)均勻、耗電耗水少和使用壽命長等。
圖5.橢圓形盤管的排列
另一方面為了防止盤管腐蝕，增加使用壽命，現(xiàn)在一般對(duì)盤管進(jìn)行了處理，如熱浸鋅技術(shù)，也有對(duì)盤管材料的不斷改進(jìn)及使用新材料。
2.2 采用合理的冷凝盤管結(jié)構(gòu)與尺寸
蒸發(fā)式冷凝器只有在正確的設(shè)計(jì)安裝條件下，才能獲得最佳的換熱效果。合理的管路系統(tǒng)是蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行正常及提高效率的重要保證。實(shí)踐證明，采用φ25×2.0 的管子比φ25×2.5 的管子能達(dá)到更好的換熱效果，并能顯著降低設(shè)備的總重量。管子確定后，要合理布置，保證管子沿液流方向有3°左右的坡度，以利液體在自重作用下順利進(jìn)入集液管[13]。
3.蒸發(fā)式冷凝器的特點(diǎn)
3.1蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)
（1）冷凝效果好。由于水的蒸發(fā)潛熱大，單位水的吸熱量大，在判官內(nèi)外，空氣與制冷劑逆流向流動(dòng)，提高了傳熱效率，從而達(dá)到更好的冷凝效果。
( 2)節(jié)水。蒸發(fā)式冷凝器充分利用水的汽化潛熱，這與風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器利用顯熱來吸收制冷劑的熱量完全不同，比淋水式冷凝器更能充分利用水的蒸發(fā)潛熱。且蒸發(fā)式冷凝器理論耗水量僅為一般水冷式冷凝器的1% 。考慮飛濺損失、排污換水等因素，實(shí)際耗水量也約為水冷式的5% ~10%。風(fēng)冷式冷凝器雖然不用水源，但需要消耗更多的壓縮機(jī)和冷凝功耗。
（3）節(jié)電。采用蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)，其冷凝溫度要比用風(fēng)冷式或水冷式冷凝器低，因而采用蒸發(fā)式冷凝器將使壓縮機(jī)的輸入功率減少(冷凝溫度每升高1℃ 單位制冷量的耗電量將增加3. 0% ~ 3. 5%)[14]。此外，冷凝器的總功耗(水泵、風(fēng)機(jī))也顯著降低, 因而能明顯節(jié)能。據(jù)眾多測試報(bào)告顯示，與殼管式冷凝器和水冷卻塔組合的系統(tǒng)相比，采用蒸發(fā)式冷凝器可降低制冷裝置電耗10%左右， 而與空冷式冷凝器相比，可節(jié)電30%以上。
(4)安裝、維護(hù)方便，占地面積小，運(yùn)行費(fèi)低。
蒸發(fā)式冷凝器本身起了冷卻塔的作用，因此不像一般水冷式冷凝器還需配備冷卻塔，水冷式冷凝器和冷卻塔的綜合初投資，實(shí)際上高于蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，而且制造時(shí)更容易形成整體，這樣給安裝帶來了極大的方便，日常維修工作量小。
3．2存在問題及可能的解決方法
蒸發(fā)式冷凝器雖然有諸多有點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中也產(chǎn)生了一些問題，如果不想辦法加以解決，蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用必然受到限制。
首先也是最主要的是蒸發(fā)式冷凝器結(jié)垢問題。由于蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，結(jié)垢對(duì)其傳熱性能影響相當(dāng)大。在蒸發(fā)式冷凝器中，當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，原來存在的雜質(zhì)還在水中，水中溶解的固體的濃度也會(huì)不斷提高，如果這些雜質(zhì)和污物不能有效控制，會(huì)引起結(jié)垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)垢厚度為0.5 mm 時(shí)，冷凝壓力會(huì)增加0.15 MPa，增加耗電19%，結(jié)垢厚度為1 mm，冷凝壓力上升0.22 MPa，增加耗電39%[15]。因此，蒸發(fā)式冷凝器的用水應(yīng)軟化處理并控制循環(huán)水使用周期，通過排污來控制雜質(zhì)的積聚。運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，還應(yīng)進(jìn)行除垢，除垢的方式大多數(shù)采用酸洗，洗滌時(shí)要格外小心，避免破壞盤管的鍍層，影響使用壽命。目前較先進(jìn)的冷凝器都采用了防結(jié)垢技術(shù)，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(jié)垢技術(shù)，也必須時(shí)刻注意結(jié)垢情況，隨時(shí)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(yán)重影響產(chǎn)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(zhì)量要把好關(guān)，保證鍍鋅厚度，同時(shí)注意鍍層均勻。
第三是水量的合理分布問題。噴淋水的水量選擇和均勻分布對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱效果有很大的影響，在水分配系統(tǒng)中，采用特大型防堵式噴淋嘴，取代數(shù)量眾多的噴水孔，可大大簡化水的分配系統(tǒng)，提高了效率，并且使用可靠，使維護(hù)容易，且維護(hù)費(fèi)用降低。
第四是風(fēng)機(jī)問題。以往國產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器一般為吹風(fēng)式結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)裝在下面，由于擋水板設(shè)置不當(dāng)，或用戶操作不當(dāng)，先開水泵后開風(fēng)機(jī)，造成風(fēng)機(jī)接線盒進(jìn)水短路，使電機(jī)燒毀。現(xiàn)在采用吸風(fēng)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(duì)風(fēng)機(jī)葉片要求較高，要能耐腐蝕。
上述四條是主要問題，當(dāng)然還有冷凝器的震動(dòng)與噪聲問題，維修問題等，這些問題中最終還是結(jié)垢和防腐蝕問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究更加復(fù)雜精確的數(shù)學(xué)計(jì)算模型成為可能，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)等新的研究方法，使水量的合理分布問題取得了改善。風(fēng)機(jī)也通過制造技術(shù)的改進(jìn)、放置位置的變化等方式得到了有效解決。若能很好的解決結(jié)垢和腐蝕問題，蒸發(fā)式冷凝器必將有更好的發(fā)展和應(yīng)用。
4.結(jié)語
總體來說，我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)滯后，與國外相比還有一定差距，應(yīng)用過程中也存在一些問題。首先是地區(qū)的不平衡性，當(dāng)然這和我們地理環(huán)境差異大和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡有很大關(guān)系。其次是蒸發(fā)式冷凝器使用過程中的一些問題，主要是防結(jié)垢、防腐蝕問題，另外還有水量的合理分布和風(fēng)機(jī)的合理布置和使用。蒸發(fā)式冷凝器的理論和應(yīng)用研究仍有很大的發(fā)展余地，新技術(shù)的出現(xiàn)，新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用方式的改進(jìn)，都為蒸發(fā)式冷凝器的發(fā)展提出新課題。特別是近幾年來電力資源緊張和水資源匱乏將促進(jìn)有關(guān)蒸發(fā)式冷凝器的研究和應(yīng)用，蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品技術(shù)的成熟和進(jìn)一步應(yīng)用，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展也將起到重要的推動(dòng)作用。
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