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冷凝器的分類及相關知識

發布者:admin  發布時間:2021-11-04  點擊:196
冷凝器的種類隨著工業發展而增加,早期的冷凝設備由于制造工藝和科學水平的限 制,其結構簡單,冷凝面積小,體積較大,因此冷凝效率比較低,如夾套式和蛇管式等。 隨著制造工藝的發展,在工業生產中出現了一種單位體積設備所能提供的冷凝面積大、傳 熱效果好的冷凝器,稱為管殼式或列管式冷凝器。由于它具有突出的優勢,長期以來在化 工生產中占據了主體地位。20世紀20年代,出現了板式冷凝器,開始在食品工業中應 用于30年代末,瑞典制造出第一臺板殼式冷凝器,應用于紙漿廠; 60年代初,由于制造工藝進步,這些類型的冷凝器得到了完善與發展,在化工生產中的應用也愈加廣泛。在這 個時期中,又相繼出現了一些其他新型冷凝器,使冷凝器的種類更加多樣化。由于各種換熱器的作用、工作原理、結構,以及其中工作的流體種類、數量等差別很大,為了研究和使用的方便,通常根據其某個特征進行分類。

(1)按作用原理分類
按作用原理,也即依據傳熱方式分類,可以分成混合式冷凝器、蓄熱式冷凝器和間壁 式冷凝器。

①混合式冷凝器.又稱直接接觸式。它是通過兩種冷凝流體的直接接觸與混合的作用來進行熱 量交換的,必須使兩種流體的接觸面積盡可能大,以促進 它們之問的熱量交換。在實際操作中,為了獲得大的接觸 面積,可在設備中放置格柵或填料,有時也將液體噴成細 滴。此種冷凝器效率較高,冷水塔、冷卻塔、洗滌塔、電廠的除氧器、混合式減溫器等都屬于此類。這里以工業上常用的冷水塔和混合式冷卻器為例,說明其結構和原理。

冷水塔 冷水塔有很多種類,根據循環水在塔內是 否與空氣直接接觸,可分成千式、濕式。干式冷水塔是把 循環水送到安裝于冷卻塔中的散熱器內被空氣冷卻,這種 塔多用于水源奇缺而不允許水分散失或循環水有特殊污染的情況。濕式冷水塔則讓水與空 氣直接接觸,把水中的熱傳給空氣,在這種塔中,水因蒸發而造成損耗,蒸發又使循環的 冷卻水含鹽度增加,為了穩定水質,必須排放掉一部分含鹽度較高的水,補充一定的新 水,因此濕式冷水塔要有補給水源。

在開放式冷水塔中,利用風力和空氣的自然對 流作用使空氣進入冷水塔,其冷卻效果要受到風力及風向的影響,水的散失比其他型式的 冷水塔大。在風筒式自然通風冷水塔中,利用較大高度的風筒,空氣形成的自然對流使空 氣流過塔內與水接觸進行傳熱,其特點是冷卻效果比較穩定。在機械通風冷水塔中,空氣 以鼓風機送入,如圖1-2 (c)所示;或以抽風機吸人,如圖1-2(d)所示,所以它具有冷卻 效果好和穩定可靠的特點,它的淋水密度(指單位時間內通過冷水塔的單位截面積的水 量)可遠高于自然通風冷水塔。按照熱質交換區段水和空氣兩者流動方向的不同,方向相 反的為逆流塔,方向垂直交叉的為橫流塔,如圖1-2 (e)所示。

各種形式的冷水塔結構有所差異,但一般包括淋水裝置、配水系統、通風筒三個主要 部件。淋水裝置也成為填料,作用是將進冷水塔的熱水盡可能形成細小的水滴或水流膜, 以增加水和空氣的接觸面積,延長接觸時間,促進熱交換。其形式一般有點滴式、薄膜式 和點滴薄膜式三種;配水系統的作用是將熱水均勻地分配到整個淋水面積上,從而使淋水 裝置發揮最大的冷卻能力。常用的配水系統有槽式、管式和池式三種;通風筒是冷水塔的 釙殼,氣流的通道,其作用是創造良好的空氣動力條件,并將排出冷卻塔的濕熱空氣送往 高空,減少或避免濕熱空氣回流。自然通風的通風筒通常很高(可達150m以上),機械 通風則較低(10m左右)。

混合式不銹鋼冷凝器
工業上常用的混合式冷凝器,其作用是使蒸汽與冷卻水直接接觸 過程中放出潛熱而被冷凝,這種冷凝方式只適用于冷凝液沒有回收價值或者對冷凝液純凈 度要求不高的場合,例如單效或多效蒸發裝置二次蒸汽的冷凝。

混合式冷凝器的類型較多,現在廣泛使用的類型有如以下的幾種。液柱式冷凝器,在其內部安裝多塊圓缺形多孔淋水板,水從板的小孔以柱狀淋灑而下,以增大冷卻水和蒸汽的接觸面積。液膜式冷凝器,在其內部有盤環間隔排列的淋水板,冷卻水從板上流下時形成液膜,蒸汽與液膜接觸時產生冷凝。填充式冷凝器,采用拉西環等作為填料,填充于塔體之內,冷卻水沿填料表面下流,故填料表面即為 水和蒸汽的接觸場所,使蒸汽冷凝。共同特點是汽水為逆流方向,蒸汽都是由下而上流動,兩相接觸時間長,熱的交換充分,水的出口溫度高,可節約用水,且不凝氣溫度低,體積小,可節省抽汽設備動力。噴射式冷凝器,其工作原理基于文丘里管,故冷卻水在人口必須具備一定壓力,以使噴管噴出 之水呈霧狀,并將蒸汽吸人器內進行混合冷凝,同時夾帶不凝性氣體從下部流出。所以它具 有不需抽出不凝性氣體的優點,但單位蒸汽冷凝量所用的冷卻水量較大。

蓄熱式冷凝器

又稱再生式冷凝器,它借助固體構件(填充物)組成的蓄熱體傳遞能量。在這類冷凝器中,熱、冷流體依時間先后交替流過蓄熱體組成的流道,熱流體先 對蓄熱體加熱,把熱能儲存在蓄熱體中,隨即讓冷流體流過,從蓄熱體中帶走熱量,使蓄 熱體溫度降低。即蓄熱式冷凝器里所進行的熱傳遞過程不是穩態過程,而是被周而復始地 加熱和冷卻的過程,在此過程中溫度每時每刻都在變化。此類冷凝器主要運用于存在高溫 廢氣而又需獲得高溫預熱空氣的場合,例如高爐的熱風爐及備式加熱爐,各類空氣預熱器 等。

間壁式冷凝器

工業上應用得最廣泛的就是間壁式冷凝器。。此類冷凝器的主要特征是:冷、熱流體在各自流道中流 動,被一固體壁面隔開,彼此不相互接觸,熱量通過固體壁面傳 遞,因此特別適用于生產中介質不容摻混的場合。間壁式冷凝器的 結構型式非常多,常用的有管殼式冷凝器、套管式冷凝器、管式換熱器、板式冷凝器、板翅式冷凝器等。此類冷凝器在“常用典型換 熱器的原理、結構型式與應用”一節中有詳細介紹,茲不贅述。

(2)按用途分類
按用途可以把冷凝器分為:加熱器、預熱器、過熱器、蒸發 器、再沸器、冷卻器、深冷器等。

加熱器:用于把流體加熱到所需溫度,被加熱流體在此過程中 不發生相變。

預熱器:用于把流體預先加熱,為后面的工藝流程做準備。

過熱器:用于把飽和蒸汽加熱至過熱狀態。

蒸發器:用于加熱液體使之蒸發汽化。

再沸器:用于把冷卻了的液體再度加熱沸騰。

冷凝器:用于把熱氣體冷卻使之相變成為液體。

冷卻器:用于把熱流體冷卻至需要的溫度。

深冷器:用于把熱流體冷卻至O℃以下的深低溫。

(3)按冷凝器傳熱面的形狀和結構分類
這種分類用于區分各種型式、不同特征的間壁式冷凝器。其分類有:

①通過管壁傳熱的冷凝囂即“管式”冷凝器,如蛇管式冷凝器、套管式冷凝器、 管殼式冷凝器等;

②通過板面傳熱的冷凝器即“板面式”冷凝器,如螺旋板式冷凝器、板式冷凝器、傘板式冷凝器、板翅式冷凝器、板殼式冷凝器等;

③其他形式的冷凝器這些冷凝器都是為了滿足特殊要求而出現的,型式往往比較特殊,如回轉式冷凝器和熱管等。

(4)按材料分類
按制造材料的不同可以把冷凝器分為金屬材料冷凝器、非金屬材料冷凝器和稀有金屬材料冷凝器。

金屬材料冷凝器在生產中的使用最為廣泛,大多數冷凝器材料是碳鋼冷凝器、不銹鋼冷凝器、鋁、 銅、鎳及其合金。但是在石油、化學、核動力等工業中許多工藝要在高溫高壓、劇毒或深冷等條件下進行,這時金屬材料冷凝器已經不能滿足需要,而應采用特殊材料的冷凝器。 使用得較多的材料是:石墨、工程塑料、玻璃、陶瓷和稀有金屬。

(5)按流體的相態分類
按冷凝器中流體的相態分類,可將冷凝器分為氣一液冷凝器、液一液冷凝器、氣一氣冷凝器三類。

①氣一液冷凝器大部分的氣一液冷凝器大多都是管翅式緊湊冷凝器,液體走管內。 散熱器是目前氣液冷凝器的主要形式,用空氣冷卻發動機夾套內的水。類似的單元設備在其 他例如汽車的水冷式發動機、火車機車、柴油機動力設備和柴油機發電廠也會用到。其他的例子如飛行器的空氣冷卻器、空調壓縮機、冷凝器和蒸發器的中間冷卻器和后冷卻器。 通常,液體泵出后在管內流動,管子有很高的對流傳熱膜系數,空氣以錯流的方式流過管 子,空氣側的傳熱膜系數比液體側的要低。一般在管外增加翅片來強化傳熱。

②液一液冷凝器 大部分的液一液冷凝器都是管殼式的,板式的相對較少。兩種液體都 被泵送流經冷凝器,所以冷凝的基本模式是強制對流。液體的密度相對較高,因此有很高的傳熱率,一般不用翅片或其他裝置來強化傳熱。在某些應用中,也會用低翅片管、微翅 片管或其他傳熱強化措施來強化傳熱。

③氣一氣冷凝器 這種冷凝器用在尾氣一空氣預熱同流冷凝器、旋轉式再生器、中間冷卻器和或后冷卻器中,冷卻一些落地式的柴油動力裝置、柴油機火車機車以及低溫氣體液化系統中的高負荷發動機入口的空氣。很多情況下,一種氣體被壓縮,密度增大,而另一 種氣體則是低壓低密度狀態。相比液一液冷凝器,這種冷凝器的尺寸大很多,因為氣側的對流冷凝系數比液側的低。所以,多數采用二次傳熱畫來強化冷凝。
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