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蒸發(fā)式冷凝器冷水機組設(shè)計文獻綜述
【摘要】本文介紹了蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用現(xiàn)狀以及國內(nèi)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(dāng)前正引起嚴(yán)重關(guān)注，用水冷卻化工設(shè)備、發(fā)電透平機或冷凍和空調(diào)設(shè)備,隨后再把熱水直接排放掉是不能容許的,熱工藝用水應(yīng)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(jīng)濟和資源浪費， 需要將這些冷卻用水循環(huán)重復(fù)利用,緩解當(dāng)前水資源短缺的狀況。另外，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，我國的耗能現(xiàn)象十分嚴(yán)重，生產(chǎn)同樣的產(chǎn)品，往往得比國外多消耗幾倍的能量，這樣就使我們的產(chǎn)品和國外同類產(chǎn)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(fù)利用的關(guān)鍵設(shè)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(yīng)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(guān)蒸發(fā)式冷凝器的研究和應(yīng)用[2]。
蒸發(fā)冷卻技術(shù)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(xué)及流體動力學(xué)的更深入研究，在設(shè)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(chǎn)生的涼水塔技術(shù)曾經(jīng)極為普遍的應(yīng)用。蒸發(fā)式冷凝器就是對涼水塔的一種改進設(shè)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(lǐng)域的研究非常活躍，發(fā)達(dá)國家對蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用正日益普及。20 世紀(jì) 80 年代中期，我國開始從國外引進蒸發(fā)冷凝器技術(shù)，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(yīng)用優(yōu)勢及發(fā)展趨勢。
二 研究進展及設(shè)計制造
（一）研究進展
從國外蒸發(fā)冷卻技術(shù)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(shù)進行了深入的研究，許多制冷學(xué)術(shù)會議上對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究非常深入細(xì)致。美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會ASHRAETRANSACTIONS發(fā)表了大量有關(guān)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究論文，關(guān)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(shù)也日趨成熟。早在20世紀(jì)80年代中期，同濟大學(xué)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(shù)的國際合作研究，并將這一技術(shù)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(shù)進行了理論和實驗研究，取得了一定進展。
（二）設(shè)計制造
目前蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要采用的是經(jīng)驗參數(shù)和一些廠家的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國家也推薦使用了一些標(biāo)準(zhǔn) , 具體設(shè)計時，可參照國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，參考各類計算手冊、現(xiàn)有廠家設(shè)計參數(shù)，并結(jié)合制造技術(shù)水平和氣候條件采用合適的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)有一些廠家自行設(shè)計制造蒸發(fā)式冷凝器
時，多采用吸風(fēng)式的蒸發(fā)式冷凝器。這些廠家的設(shè)計和制造，體現(xiàn)了蒸發(fā)式冷凝器的一些優(yōu)點，較傳統(tǒng)風(fēng)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(zhì)量和性能上還較難和國外產(chǎn)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(shù)數(shù)據(jù)主要是采用美國的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計和制造技術(shù)也主要從美國引進 , 并結(jié)合了國內(nèi)生產(chǎn)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(shè)計、制造蒸發(fā)式冷凝器設(shè)備，在世界上屬領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)。巴爾的摩公司設(shè)計生產(chǎn)的蒸發(fā)式冷凝器，結(jié)構(gòu)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(shù)，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(lǐng)先地位的專利技術(shù)制造的系列產(chǎn)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(jié)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(shè)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(shù)； 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(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題
目前西方發(fā)達(dá)國家普遍采用蒸發(fā)式冷凝器，在國內(nèi)的應(yīng)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(yīng)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(diào)設(shè)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(jù)一些公司的應(yīng)用數(shù)據(jù)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(yīng)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(dāng)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?nèi)〉幂^好的社會和經(jīng)濟效益，基本都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但在較為濕熱的中南地區(qū)則顯得不足，經(jīng)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(yīng)用過程中也產(chǎn)生了一些問題， 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，原來存在的雜質(zhì)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(zhì)和污物不能有效控制，
會引起結(jié)垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。為了達(dá)到蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用的水質(zhì)要求，使用單位必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況采取相應(yīng)的水處理措施。為了最佳的傳熱效率和最長的使用壽命，應(yīng)該控制循環(huán)水使用周期，通過排污來控制雜質(zhì)的積聚。較先進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)，也必須時刻注意結(jié)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(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，同時注意鍍層均勻。
第三是風(fēng)機問題。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，造成風(fēng)機接線盒進水短路，使電機燒毀?，F(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，但對風(fēng)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(zhì)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(xiàn)水的重復(fù)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(yīng)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(nèi)介質(zhì)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(zhì)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(zhì)推動力也更大。盤管式蒸發(fā)式冷凝器是目前被廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jié)換熱，加速液膜的排泄；同時由于板面的強化傳熱結(jié)構(gòu)可改善流體流動狀況，強化水與空氣之間的傳熱傳質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)管內(nèi)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(shè)計的關(guān)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(chǎn)生大量的低參數(shù)飽和蒸汽，利用這些低參數(shù)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(shè)備——凝汽器與冷卻塔，不但可以達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目標(biāo)，而且對于電廠安全經(jīng)濟運行以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，還可以促進有關(guān)蒸發(fā)式冷凝器的研究和進一步的推廣應(yīng)用，對我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展也將起到重要的推動作用，因而該技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，而在制冷領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。下面以一套完整的空調(diào)蒸發(fā)式冷凝模塊冷水機組參數(shù)為依據(jù)，以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，分析了冷凝水出水溫度和冷凝迸風(fēng)濕球溫度對機組性能影響。結(jié)果表明在機組額定制冷工況下的性能參數(shù)即濕球溫度為26℃時的參數(shù)，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(shè)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(shù)政策大綱》指出：目前我國萬元GDP用水量是世界發(fā)達(dá)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(fù)利用率，因此應(yīng)大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)，尤其體現(xiàn)在高效換熱技術(shù)和節(jié)能節(jié)水冷卻設(shè)備的應(yīng)用上[9-10]。
目前在工業(yè)中主要應(yīng)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(zhì)量都比較大，傳熱系數(shù)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(yīng)用于中小型空調(diào)系統(tǒng)，在熱泵機組巾也常采用。水冷式在大中型空調(diào)制冷機組和工業(yè)制冷中普遍使用，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)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(dāng)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(shè)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(yīng)用[11-14]。
國內(nèi)外許多學(xué)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(xué)、節(jié)能和節(jié)水角度論證了蒸發(fā)式冷卻設(shè)備相對于其他冷卻設(shè)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(diào)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(chǔ)上論證蒸發(fā)式冷凝應(yīng)用于制冷工藝帶來的經(jīng)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(xiàn)在出水溫度最高點和濕球溫度最低點，為機組應(yīng)用場合有一定指導(dǎo)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(yán)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]。
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