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虹吸式蒸发技术介绍

浏览次数: 日期:2014-08-28

当今社会,制冷技术与人们日常生活的关系越来越密切,其在各个领域中都得到了广泛的应用,它直接关系到很多部门的工业生产和人们生活的需要。尤其是近年来,随着国民经济和人民生活水平的不断提高,制冷和空调行业得到迅速的发展,与此同时也造成能耗的大幅度增加,缺电、缺油、缺煤,此类信息诸见报端的频率不断升级,资料表明暖通空调能耗约占我国总能耗的22.75%,并有逐渐上升的趋势,在我国经济保持快速增长的同时,重要能源的紧缺正逐步成为制约我国经济发展的瓶颈。因此,开发和研制高性能、低能耗的制冷系统是制冷和空调技术领域的重要课题,也是“可持续发展”国策的迫切要求。

制冷装置的节能研究主要集中于系统中的4个主要设备,压缩机、两器(冷凝器、蒸发器)和节流机构,在两器中蒸发器的性能提高尤为重要,本文经全新的视角强化蒸发器换热,利用热虹吸原理实现制冷剂的再循环,形成蒸发器的超倍供液,增加了液体制冷剂和蒸发管内表面的接触,从而改善换热,增大传热系数,提高蒸发器的效率。 

一、技术来源

1、热虹吸原理

虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的,即利用水柱压力差,使水上升后再流到低处.由于管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动,.利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出. 

虹吸管是人类的一种古老发明,早在公元前1世纪,就有人造出了一种奇特的虹吸管。 

事实上,虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的,在真空里也能产生虹吸现象。使液体向上升的力是液体间的分子内聚力.在发生虹吸现象时,由于管内向外流的液体比流入管子内的液体多,两边的重力不平衡,所以液体就会继续沿一个方向流动.在液体流入管子里,越往上压力就越低.如果液体上升的管子很高,压力会降低到使管内产生气泡(由空气或其他成分的气体构成),虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的.因为气泡会使液体断开,气泡两端的气体分子之间的作用力减至0,从而破坏了虹吸作用,因此管子一定要装满水.在正常的大气压下,虹吸管的作用比在真空时好,因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力。

设想一下,我们公司的冷水机组,蒸发器进口为液体,出口为过热气体,整个蒸发过程是否也产生了位能差,是否可以应用虹吸原理完成整个蒸发过程,答案是可以的。

2、虹吸式蒸发器结构及工作原理

虹吸蒸发器由两部分组成,上部为气液分离器,下部为虹吸式蒸发器(如图1所示),属于重力型再循环蒸发器。节流后的制冷剂液体进入气液分离器,其中保持一定的静液压力,凭借重力向蒸发器供液,液态制冷剂在蒸发器中吸热,部分气化使进出口液体产生密度差(位能差),此压差产生动力,使制冷剂在管程的质量流率和循环倍率提高。这种由于相变引起密度改变的自循环现象叫热虹吸。

二、虹吸式蒸发器的优势:

1、干式蒸发器

  干式蒸发器对介质的粘度要求不高,动力粘度在0.5~50mPa.s范围内都可以取得较好的效果,例如:二氯甲烷液体(-5℃,5bar时的粘度只有0.56mPa.s)50%(v/v)的丙二醇溶液(-15℃时的粘度达到50 mPa.s)。在高粘度流体的设计中,必须考虑折流板泄漏引起的换热系数的下降。高粘度流体(粘度大于20 mPa.s)的流速一般低于0. 5 m/ s, 即便是按 GB 151 - 1999 设计折流板与圆筒之间的间隙和换热管与折流板之间的间隙,其泄漏率一般也会超过20%。

2、满液式蒸发器
   满液式蒸发器具有高效、 稳定的特点,常用的温度范围为+ 40~ - 60 e 。中大型离心式冷水机组、 螺杆式冷水机组一般选用满液式蒸发器, 在中大型工业冷冻领域, 低黏度流体(动力黏度低于6 mPa . s) 的换热也选择满液式蒸发器, 即便是分批次的反应釜冷却, 满液式蒸发器也可以达到令人满意的效果。对于高黏度流体( 动力黏度高于6 mPa . s) ,由于满液式蒸发器管内流体的雷诺数较低,往往低于2 000,管内处于层流,传热可想而知非常低,这样引起了热阻分配的不平衡, 比如管内的热阻占90%以上。满液式蒸发器一般采用液位控制的方式,在实际应用中, 控制冷凝器液位或直接控制蒸发器的液位都是不错的选择。满液式蒸发器由于是大空间沸腾,自然回油比较困难, 所以满液式蒸发器必须考虑回油问题, 否则长时间运行以后,过多的润滑油会累积到低温侧, 导致换热效果逐渐下降。

3、虹吸式蒸发器
对于中大型的高黏度流体的换热, 虹吸式蒸发器是非常好的选择。虹吸式蒸发器的结构与干式蒸发器的结构比较相近, 不同之处是虹吸式蒸发器进口为过冷液体, 出口为气液混合物; 干式蒸发器进口为气液混合物, 出口为过热气体。从计算机模拟情况来看, 同一工况下,虹吸式蒸发器的蒸发侧的换热系数远高于干式蒸发器(高效换热管除外) ,但是虹吸式蒸发器的驱动力主要是液柱产生的压力。液柱高度的存在会影响压缩机的吸气压力, 尤其大,非常小的压差就有可能引起饱和温度大的变化,进而急剧降低系统的能效。比如对于 R22 来说,在- 40 ℃的蒸发温度下, 相当于每 0. 36 m 的液柱高度,吸气压力会降低5 kPa, 相应蒸发温度降低 1 ℃ 以上。因此, 在低温情况下一定要注意压缩机吸气压降。润滑油对虹吸式蒸发器的运行影响比较小,因为富油层一般位于气液分离器上部,对换热管几乎没有多大影响。
在动力黏度> 6 mPa. s 的介质、分批次冷却的冷冻水或其他流体,这两条件中虹吸式蒸发器是最佳选择。冷冻水0℃以下常用的载冷剂有40%乙二醇溶液、盐水。

三、系统原理图

1、制冷剂主要流向:制冷剂从压缩机排气口出来后进入油分离器,再从油分离器出来后进入冷凝器,从冷凝器出后依次经过角阀、干燥过滤器、角阀、视液镜到达节流装置。从节流装置出来后分成二路,一路直接进入气液分离器;另一路进入浮球阀。节流后的液态制冷剂从气液分离器进入虹吸式蒸发器,再从虹吸式蒸发器回到气液分离器,最后从气液分离器回到压缩机吸气口。

2、油分离器回油:润滑油从油分离器出来后依次经过角阀、油过滤器、角阀、机械油位调节器、视液镜,回到压缩机吸气口。

3、油冷却器制冷剂流向:制冷剂从气液分离器出来后进入油冷却器,再回到气液分离器。

4、气液分离器回油:采用引射回油的方法,从冷凝器引出一路高压气体通过引射泵将气液分离器内部的润滑油引回压缩机吸气口。

本系统有两处进行技术引进:
1、油冷却器采用虹吸式结构
原油冷却器冷媒控制元气件:电磁阀、角阀、热力膨胀阀;
采用虹吸式结构后只用电磁阀,节省角阀、热力膨胀阀。
2、节流、液面控制采用一体式。
 

四、市场前景

在世界各国的市场上,在工业领域,比如化工、橡胶、冷冻站、医药等,在商业领域,比如低温冷库等。

虹吸式蒸发技术应用的生产型企业主要有:大冷、武新制冷、上海宝丰机械、台佳机电等。

目前虹吸式低温冷水机组市场还属于蓝海市场,虹吸式低温冷水机组具有显著优点,不仅得到国家政策的支持,还渐渐深入各行各业,其未来的发展趋势明显,应用市场广阔。

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