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文獻綜述
題 目 蒸發(fā)式冷凝器研究現狀
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蒸發(fā)式冷凝器研究現狀
摘要：本文主要介紹了蒸發(fā)式冷凝器的分類\特點及研究進展。具體闡述三種蒸發(fā)式冷凝器工作原理和結構的特點，以及冷凝盤管的種類、傳熱傳質方面的研究等。最后對蒸發(fā)式冷凝器目前遇到的困難及有可能的解決辦法進行了探討。
關鍵詞：蒸發(fā)式冷凝器、結構、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
由于人口膨脹和經濟快速發(fā)展，人類用水量越來越大，缺水現象也越來越加劇，水資源短缺的狀況已經成為制約部分地區(qū)經濟發(fā)展、衛(wèi)生保障等方面的一個重要因素。我國的水力資源可開發(fā)量雖達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)水技術政策大綱》中指出: “ 大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復利用技術，提高水的重復利用率是工業(yè)節(jié)水的首要途徑，發(fā)展高效冷卻節(jié)水技術是工業(yè)節(jié)約用水的重點。” 冷凝冷卻設備是工業(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)式冷凝技術應運而生，成為水循環(huán)重復利用的重要技術之一。特別是在在航空、電力、機械、紡織等工業(yè)領域中蒸發(fā)式冷凝技術起著重要作用。蒸發(fā)式冷凝器的最大特點高效、節(jié)能、節(jié)水，其效果不僅在理論上是明顯的，而且在實際應用中也得到很好的證明[2] 。所以，研究和發(fā)展蒸發(fā)式冷凝冷卻設備極具現實意義。
1.蒸發(fā)式冷凝器簡述
冷凝器是制冷系統(tǒng)的主要換熱設備之一，高溫、高壓的制冷劑氣體經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、傳熱與傳質過程融為一體且兼有二者之長的新型換熱設備，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]，相對于顯熱交換，潛熱交換的換熱效率更高。結構上蒸發(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備一體化，具有結構緊湊、傳熱效率高、操作費用低、安裝維護方便等優(yōu)點，在化工、煉油、電力、冶金、制冷等行業(yè)中有著廣泛應用，同時使得水耗和電耗較大幅度降低，在空冷與水冷的基礎上實現了冷凝技術的新發(fā)展。
1.1 蒸發(fā)式冷凝器的研究現狀
國外蒸發(fā)式冷凝器技術目前已經比較成熟，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,產品型式各有特點。國內生產蒸發(fā)式冷凝器的廠家不少，但同國外產品比較。除了有價格優(yōu)勢外，在產品質量上有競爭力的并不多。產生差距的原因很多，一是國內關于蒸發(fā)式冷凝器理論研究沒有完全成熟,，在設計上不盡合理。二是配套材料的質量有待提高，許多質量問題不在于設計原因，而是材料質量不過關[7]。由于看到蒸發(fā)式冷凝器未來的廣闊應用前景。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大量的研究，取得了一定進展，但較國外還有大的差距。
1 .2蒸發(fā)式冷凝器的基本結構型式
蒸發(fā)式冷凝器的總體結構包括：由薄鋼板制成的四方形箱體，箱體內上部設有風機、電機、擋水板、噴淋裝置，中部安裝有冷卻盤管、PVC熱交換層，下部設有循環(huán)水泵、補水裝置、集水槽等零部件。為防止水腐蝕鋼材，箱體和冷卻盤管須進行鍍鋅處理。根據風機安裝位置不同，蒸發(fā)式冷凝器有以下3種基本結構型式[8]。
（1）吸風式（如圖1）
吸風式是將風機安裝在箱體頂部，當風機運轉時，籍體內的熱空氣從頂部排出，新鮮空氣從箱體下惻的吸風口吸入。它的優(yōu)點是箱體內能保持一定的負壓，可降低水的蒸發(fā)溫度，更有利于換熱。缺點是潮濕或帶有水滴 空宅氣流經過風機時，會腐蝕電機及其它零部什．所以．要選用密封防潮舊全封閉式電機和耐潮、耐腐蝕的風機驅動設備。
圖1.吸風式 圖2.鼓風式
(2)鼓風式（如圖2）
鼓風式是將風機安裝在箱體下部的側面部位，新鮮空氣在脫機的作用下進人箱體，經過冷卻盤管后，成為熱空氣．從頂部排口。它的優(yōu)缺點與吸風式的相反，優(yōu)點是外界較為干燥的空氣直接進入風機，使其風機和電機的零部件得以保護；缺點是箱內保持正壓，因而水的蒸發(fā)溫度較高，設備效率降低。根據經驗，吸風式的冷卻效果要比鼓風式的好一些，因此，在實際工程中，使用吸風式的蒸發(fā)式冷凝器更多一些。
（3）上吸風橫流—順流式[如圖3]
上吸風橫流—順流式，空氣從機組頂部和側面進入，再從另一側頂部排出，故填料冷卻噴淋水為橫流式，而與盤管內制冷劑的換熱為順流式?？諝鈴捻敳亢蛡缺谙虏康倪M風格柵被吸入，流經盤管或填充料，飽和熱空氣則精通風機排到周圍大氣中。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（水位調節(jié)器）控制補充。上吸風橫流順--流式蒸發(fā)式冷凝器相當于吧殼管式冷凝器、橫流式冷卻塔、循環(huán)水泵、水池、管道組合為一體，具有結構緊湊、節(jié)水、節(jié)電、高效率的特點。
圖3. 上吸風橫流—順流式
根據蒸發(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)式冷凝器從結構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。雖分類依據不同會有不同種類，但其基本工作原理不會變化，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展
2.1 采用新型強化傳熱元件
新型強化傳熱元件是提高傳熱效率的有效途徑。可通過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。可通過改變換熱盤管管型結構實現此目的，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]。結合了盤管表面積增大和間隔管式盤管外空氣、水流動特性增強的優(yōu)點，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，流體在內外表面流動時湍流程度高，污垢難以形成堆積，同時波紋管具有較強的軸向伸縮能力，當溫度發(fā)生變化時，波紋管與垢層之間的伸縮能力不同，二者之間產生較大拉脫力，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遠小于R，該異滴形管易加工、具有很強的承壓能力，管束排列緊湊性好、管外換熱流體流動阻力小。
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方式應用于不連續(xù)交變曲面波紋管以傳質強化傳熱。采用強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構，探索非飽和蒸發(fā)界面與傳熱表面協(xié)同強化機理。
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）。這種橢圓盤管結合了盤管表面積增大和間隔管式盤管外空氣、水流動特性增強的優(yōu)點。由于采用橢圓盤管設計，減小了通過機組的空氣壓降，在使用小功率的風機情況下，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，因此提供盤管體積一定時最大的傳熱表面積。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方向錯排，可獲得較高的膜冷凝系數，提高了傳熱容量。另外，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。這種蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)點是安裝維護容易、傳熱效果好、布風均勻、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，現在一般對盤管進行了處理，如熱浸鋅技術，也有對盤管材料的不斷改進及使用新材料。
2.2 采用合理的冷凝盤管結構與尺寸
蒸發(fā)式冷凝器只有在正確的設計安裝條件下，才能獲得最佳的換熱效果。合理的管路系統(tǒng)是蒸發(fā)式冷凝器運行正常及提高效率的重要保證。實踐證明，采用φ25×2.0 的管子比φ25×2.5 的管子能達到更好的換熱效果，并能顯著降低設備的總重量。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入集液管[13]。
3.蒸發(fā)式冷凝器的特點
3.1蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)點
（1）冷凝效果好。由于水的蒸發(fā)潛熱大，單位水的吸熱量大，在判官內外，空氣與制冷劑逆流向流動，提高了傳熱效率，從而達到更好的冷凝效果。
( 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，實際耗水量也約為水冷式的5% ~10%。風冷式冷凝器雖然不用水源，但需要消耗更多的壓縮機和冷凝功耗。
（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、風機)也顯著降低, 因而能明顯節(jié)能。據眾多測試報告顯示，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、維護方便，占地面積小，運行費低。
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，實際上高于蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器結構緊湊，占地面積小，而且制造時更容易形成整體，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，但在實際應用過程中也產生了一些問題，如果不想辦法加以解決，蒸發(fā)式冷凝器的應用必然受到限制。
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。據實驗數據，當結垢厚度為0.5 mm 時，冷凝壓力會增加0.15 MPa，增加耗電19%，結垢厚度為1 mm，冷凝壓力上升0.22 MPa，增加耗電39%[15]。因此，蒸發(fā)式冷凝器的用水應軟化處理并控制循環(huán)水使用周期，通過排污來控制雜質的積聚。運轉一定時間后，還應進行除垢，除垢的方式大多數采用酸洗，洗滌時要格外小心，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。
第三是水量的合理分布問題。噴淋水的水量選擇和均勻分布對蒸發(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，使維護容易，且維護費用降低。
第四是風機問題。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?，F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。
上述四條是主要問題，當然還有冷凝器的震動與噪聲問題，維修問題等，這些問題中最終還是結垢和防腐蝕問題。隨著計算機技術的發(fā)展，研究更加復雜精確的數學計算模型成為可能，比如人工神經網絡技術和自適應神經模糊推理系統(tǒng)等新的研究方法，使水量的合理分布問題取得了改善。風機也通過制造技術的改進、放置位置的變化等方式得到了有效解決。若能很好的解決結垢和腐蝕問題，蒸發(fā)式冷凝器必將有更好的發(fā)展和應用。
4.結語
總體來說，我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應用相對滯后，與國外相比還有一定差距，應用過程中也存在一些問題。首先是地區(qū)的不平衡性，當然這和我們地理環(huán)境差異大和經濟發(fā)展不平衡有很大關系。其次是蒸發(fā)式冷凝器使用過程中的一些問題，主要是防結垢、防腐蝕問題，另外還有水量的合理分布和風機的合理布置和使用。蒸發(fā)式冷凝器的理論和應用研究仍有很大的發(fā)展余地，新技術的出現，新產品的開發(fā)和應用方式的改進，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有關蒸發(fā)式冷凝器的研究和應用，蒸發(fā)式冷凝器產品技術的成熟和進一步應用，對我國經濟和社會的發(fā)展也將起到重要的推動作用。
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