设计和使用蒸发式冷凝器时要注意的事项.doc
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1、156设计和使用蒸发式冷凝器时要注意的事项 设计和使用蒸发式冷凝器时要注意的事项 郑州轻工业学院 马群超 张文慧 龚毅 摘要: 本文概述了蒸发式冷凝器的结构和工作原理,并与其他冷凝器作了比较,提出了蒸发式冷凝器配管容量设计时应注意的事项,分析了喷淋密度和迎面风速对管外水膜传热性能的影响以及为了防止结垢需要注意的一些关键问题。 关键词:蒸发式冷凝器 传热传质 设计 使用 防垢措施 1.引言 冷凝器是制冷系统中的关键设备之一,其主要作用是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽迅速凝结成液体,并对外界放热。常用的冷凝器按其冷却介质和冷却方式一般可分为三种类型:水冷式(又分为壳管式,套管式,沉浸式等)、空气
2、冷却式(或称风冷式)、蒸发式。蒸发式冷凝器是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的设备,它利用空气强制流动和水分蒸发将制冷剂冷凝时的热量带走。由于蒸发式冷凝器传热效率高、节能、节水、结构紧凑和安装方便等优点,目前它已在石油、化工、啤酒、乳品、食品、医药等行业的制冷、低温加工、冷藏、速冻以及建筑的空气调节等领域得到广泛的推广应用。 2.蒸发式冷凝器的工作原理及性能 蒸发式冷凝器是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的设备,其主要作用是把压缩机排出的热制冷剂气体冷凝成饱和液体。蒸发式冷凝器管内流动着制冷剂,管表面为薄层水膜覆盖,管外层流动着冷却空气,它包括了传质换热和对流换热两部分,是个兼有热质交换的复杂过程
3、。冷却水由循环水泵送至冷凝盘管的上部,经喷嘴喷淋到冷凝管组外表面形成水膜往下流动,由于水膜中部分水蒸发时,吸收热量而使管内高温、高压的制冷剂蒸汽冷凝成液体。空气则由箱体下方进入,沿冷凝管组的下部向上流动,并将冷凝器管外的水蒸汽带走。当空气的温度低于水温时,它还可起一定的冷却作用。未蒸发的水仍回到箱底水池中,用浮球阀保持一定的水位,依此循环工作。由此可见在蒸发式冷凝器中,制冷剂蒸汽的热量通过换热盘管管壁经水膜传到空气。蒸发式冷凝器的传热、传质过程由两部分组成,即:一是制冷剂和水膜的温差,二是水膜和空气间的温差和质量浓度差。这里水膜(形成、冲刷、厚度和分布)是蒸发式冷凝器性能的关键。 蒸发式冷凝器
4、的传热效果同风冷式冷凝器相比,冷凝温度比较低,这是因为风冷式冷凝器的冷凝能力受限于环境的干球温度,而蒸发式冷凝器的冷凝温度可接近于环境的湿球温度,通常湿球温度比干球温度低8,因此其冷凝温度较低,换热效果大大优于风冷式冷凝器。同带冷却水塔的水冷式冷凝器相比,蒸发式冷凝器由于制冷剂与冷却水进行的传热、传质交换一次完成,主要依靠水的蒸发潜热带走冷凝热负荷,尤其是夏天的冷凝温度较低,水的消耗量大为减少,理论上耗水量仅为水冷式的5-10%,实际上也仅仅在15%左右,故整个装置结构紧凑、体积小,占地面积少。采用蒸发式冷凝器,降低了制冷系统的冷凝温度,故压缩机的输人功率减少,冷凝器的总耗功率也显著降低,因而
5、能够实现明显的节能。因为冷凝温度每升高1,单位制冷量的耗电量将增加3-3.5%。不少测试报告显示,同等条件下,如采用蒸发式冷凝器后,能降低制冷装置能耗10%左右。 3. 迎面风速和湿球温度 1802年道尔顿蒸发定律的提出,为蒸发理论的创立奠定了坚实的理论基础,2001年Manske 总结了蒸发冷凝技术在工业中的应用,指出湿球温度、冷凝温度、风机及水泵动力控制是影响蒸发冷凝效果最为关键的因素。 总体来说,先进合理的蒸发式冷凝器的风量、水量配置原则为:适当的水量,较小的风量。根据前人研究结果及实践总结的经验,蒸发式冷凝器的喷淋密度有一个最佳值,可以使 其达到较好传热传质效果,这个喷淋密度就是通常所
6、说的最优喷淋密度,能够保证实现盘管上水膜的最佳厚度。空气在蒸发式冷凝器中是一个加湿过程,空气的湿球温度反映了空气被加湿的能力,表明蒸发式冷凝器更适用于气候干燥地区。空气湿球温度对蒸发式冷凝器的性能影响实验表明,湿球温度的增大使性能恶化。蒸发式冷凝器在某研究条件下,当湿球温度从147增大到257,制冷量和能效比分别减少了48和15。迎面风速对蒸发式冷凝器的性能影响实验表明,迎面风速也有一个最佳范围,据有关研究条件下的分析,蒸发式冷凝器最佳迎面风速范围为29-31ms。其原因主要是受空气在热湿交换面上的传热传质剧烈程度和交换时间的共同影响因素决定的。迎面风速越大,使得空气与管外表面水膜蒸发水蒸气的
7、接触时间越短,则空气与水膜的热湿交换越不充分;但另外一方面,由于迎面风速的增大,增大了热湿交换面上热质传递的剧烈程度,这又促使热湿交换更加充分。正是由于迎面风速与热湿交换这两者之间的相互作用和影响,存在着最佳迎面风速,使得蒸发式冷凝器的性能最佳,制冷量和能效比达到最大。 冷凝盘管一般采用圆形传热管,为了强化传热,优化为椭圆形、波形钢管,可增加管表面面积,缩小管间距;且内部流动阻力小,外部能容纳较大水量,提高了传热效率。单列盘管沿液体流动方向有一定的斜度.便于液体依靠自身重力,自行流动排出。整套传热管以框架支撑,防腐工艺为整体热浸镀锌处理,镀锌层均匀光滑,厚度在0.05-0.1mm之间。 4.
8、结垢问题及其解决方案 蒸发式冷凝器的工作环境在室外,且高温潮湿,易于腐蚀,因此其上箱体和下箱应保证足够的镀锌厚度。蒸发式冷凝器在运行过程中由于管子表面上的水不断蒸发,其蒸发汽化的工作机理使得与其他类别的冷凝器相比,存在的最大问题就是容易形成水垢和污垢,将大大降低蒸发式冷凝器的换热性能,在设计过程中应采取相应措施防止和控制结垢。 (1) 采用悬臂型蒸发式冷凝器:主机在起停的过程中,由于冷凝器蛇形管存在着压力差和温度差,导致铜管产生伸缩效应,由于铜材、垢质膨胀系数差别很大,因而悬臂型蒸发式冷凝器有自动脱垢的功能。在运行过程中由于制冷剂在冷凝器中发生两相转换产生高频震动,因此很难形成结垢核心,导致水
9、垢无法附着管壁。 (2)冷凝器制作时进行预附膜防垢处理,可有效的阻止污垢晶体在铜管表面上附着。 (3)采用少量连续排水装置,将冷却循环水的钙离子的浓缩倍数控制在一定范围内,有效的防止垢质析出。 (4)设置预冷器,使冷凝器管的表面蒸发温度在50以下,采用大水量、密集型布水器,确保冷凝器管表面时刻被水膜包覆,无干涸点。当换热盘管的表面温度低于50时,产生的垢质疏松,易于冲洗,而当其表面温度高于50时,产生的垢质坚硬,难以清除。 (5)设置挡水板,使得较高温度的冷凝管上无水依附,可有效地预防冷凝器结垢。 (6)管束的几何布置方式及布置尺寸会影响空气和水的流动分布,对逆流布置方式而言,相邻换热管的间距
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