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1、 1 温岭市科技计划项目可行性报告项目名称：热虹吸式蒸发装置申请单位：温岭市钱江化工机械有限公司申请日期：2013 年 9 月 20 日 2 目 录一、立项的背景和意义二、相关研究现状和发展趋势三、研究开发内容和技术关键四、预期目标五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解六、计划进度安排七、现有工作基础和条件八、经费预算 3 一、 立项的背景与意义热交换器是制冷系统中的重要设备，也是关键设备，热交换器的性能对制冷系统的影响重大，蒸发器更是其中之一。蒸发器是吸收经节流的低温制冷剂的冷量，并通过换热管管壁传递给载冷剂并使载冷剂的温度降低的装置。制冷剂在蒸发器内吸收载冷剂的热量而汽化。为了使蒸
2、发器具有较高的换热效率、较小的设备体积，蒸发器应具有较高的传热系数。制冷剂离开蒸发器时不允许夹带液滴，否则会影响压缩机的安全运行，为保证压缩机的正常运行，在蒸发器的出口设置汽液分离器是使压缩机进一步得到保护的积极措施。蒸发器的类型很多，按制冷剂在蒸发器内的充满程度及蒸发情况，一般可分为三种：干式蒸发器、满液式蒸发器和再循环式蒸发器。干式蒸发器：制冷剂在管内一次完全汽化，来自膨胀阀或节流阀出口的制冷剂从一端管箱的下部进入蒸发器，吸收载冷剂的热量而汽化，并在管束内经过一次或多次往返后全部汽化，产生的制冷剂蒸汽在管箱顶部导出。由于制冷剂汽化过程中蒸汽逐渐增加，比容不断增大，在多流程的蒸发器中每流程的
3、管子数应逐程增多，以适应制冷剂蒸汽比容的变化。为提高管外载冷剂的流速，使载冷剂更好的与换热管外壁接触，在蒸发器壳体内设置有折流板，折流板的数量取决于载冷剂流速的大小。在正常的运行条件下，干式蒸发器中的制冷剂液体的容积约为换热管内容积的 15%20%。假定制冷剂液体沿管子均匀分布，且润湿周边为管子圆周的 30%，则管子的有效传热面积为换热管内表面积的 30%，增加制 4 冷剂的质量流量，可增加管子的润湿周边，但蒸发器制冷剂进出口压差会因流动阻力增大而增加，阻力增大，制冷机的制冷系数降低。满液式蒸发器：制冷剂在管外汽化，载冷剂在管内流动。管箱内增设有分程隔板，将换热管按一定的数量和流向分隔成多个流
4、程，使载冷剂按规定的流速和流向在换热管内往返流动。制冷剂按一定的充装高度充灌在壳体内，在管间吸收载冷剂的热量而汽化，使载冷剂降温。为防止制冷剂蒸汽从蒸发器引出时夹带液体，应控制液面计高度，所以通常换热器上部约 30%的空间不能布置换热管，该部分空间作为汽液分离用，因此设备不紧凑，容积利用率低。再循环式蒸发器：制冷剂经过几次循环才能完全汽化，由蒸发管出来的汽液两相流体进入汽液分离器内，分离出蒸汽和液体，蒸汽被压缩机吸走，液体再次进入蒸发管内蒸发。蒸发管由若干平行的上升管组成，管子的上下端均与集管相联，下端的集管由下降液体供液，上端的集管与气液分离器相连。供液量由液位控制器控制。在再循环蒸发器中，
5、制冷剂液体占的体积约为管内总容积的 50%。与干式蒸发器相比，再循环蒸发器的蒸发管内壁完全润湿，具有较高的传热系数，但体积庞大，需要充灌的制冷剂多。针对上面几种常用蒸发器的不足，通过长期深入研究，我公司发明了一种制冷系统中的蒸发装置热虹吸式蒸发装置。热虹吸式蒸发装置是蒸发器与汽液分离器的组合装置，利用分离器内制冷剂与换热器传热管内制冷剂汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成制冷剂在分离 5 器与蒸发器间的流动循环。这种蒸发装置具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。我国的各类化工企业众多，每家化工企业都必须建立冷冻站，每个冷冻站也都不可缺少蒸发器，加上目前化
6、工企业前景喜人，每年新建、改建和扩建的化工企业数目众多。目前冷冻站冷媒系统的设备及管道使用寿命普遍较短、换热效率较低是一直困扰建设单位的难题。温岭市钱江化工机械有限公司是专业从事换热装置研发、设计、制造和销售的集约化企业，有 40 年的过程装备设计、制造经验，有丰厚的技术积淀，经过多年的奋斗，形成了完整的经营理念和企业文化，发展成为国内制冷系统过程装备业知名的专业性企业，产品质量享有很高声誉。为了进一步提高企业竞争力，把握产品和市场需求的未来发展趋势，改善和提升产品结构，实施本项目也是企业发展的需要。我公司的热虹吸式蒸发装置是为攻克这些难题专门开发的，有吸引使用单位的关键技术，能为使用单位解决
7、实实在在的问题，能为使用单位减少项目投资，因此，一定能受到使用单位的青睐。该项目属于 2013 年温岭市科技计划项目指南中“高效节能技术”和“新型环保装备” 。二、相关研究现状和发展趋势氨制冷系统及其装置发展至今，国内外对蒸发器的研究主要有以下两个方面：1、制冷剂侧传热 6 制冷剂管外蒸发的强化传热技术的主要研究成果有外表面烧结型多孔管和外表面机械加工多孔管。这种换热管是采用陶瓷烧结工艺或机械加工方法使换热管外表面形成多孔表面。沸腾换热的主要特征是液体内部有汽化核心产生。当换热面受到加热时，换热面的壁温逐渐上升,如换热面壁温已超过液体的饱和温度，和壁面接触的液体就具有一定的过热度。此时，在换热
8、面称为汽化核心的地方就会产生汽泡。凹凸不平的换热面壁面，汽泡最易在换热面的圆锥形凹穴中产生。因为凹穴易于吸附气体使成为形成汽泡的胚胎，此外凹穴侧壁能托住汽泡，因此为形成具有一定汽液分界面的汽泡所需消耗的功最小。另外，多孔表面也增加了换热面积。制冷剂管内强化传热技术的主要研究成果有内表面烧结型多孔管和内螺纹管。内表面烧结型多孔管的传热机理同外表面烧结型多孔管。内螺纹管的传热研究较多，也比较成熟，其传热机理是增加管内表面传热面积，小螺旋升角的内螺纹能促进制冷剂产生汽液分离，同时，内螺纹能是管内制冷剂流体流动时产生扰动，能减小传热边界层，从而达到提高传热系数的目的。2、载冷剂侧强化传热管外载冷剂强化
9、传热的主要研究成果是改变换热管支撑结构，改变换热管外载冷剂的流动方向，减少传热死区，提高传热效率，如螺旋折流板、折流杆。该类换热器的缺点是制造工艺复杂，要利用专用工装，生产效率低，传热系数提高幅度低。 7 管内载冷剂强化传热的主要研究成果有波纹管、横纹管等。它主要是增加管内流体的湍流程度，减薄传热边界层达到提高管内流体传热系数的目的。3、发展趋势上述关于蒸发器的研究成果都是从某一方面来提高换热器的传热效率，表面多孔管蒸发器的传热效率高，但换热管的加工工艺复杂，生产成本高昂，用于大型设备上有明显的优势，但对一般冷冻站用蒸发器来说，投资太大，没有市场，且上述研究成果都没有将蒸发器同整个系统联系起来
10、。目前，化工装备行业正朝设备集成化、撬块式发展，用户要求设备到场后能够快速、简捷的进行安装，它最终要组成一个相互关联的系统，设计时必须从全局考虑。针对这一特点，国内的工程技术人员做了一系列研究，如国家实用新型专利一种新型干式蒸发装置 CN200984466Y，它将汽液分离器叠加在干式蒸发器上，并且汽液分离器出液口增加了防涡板，在蒸发器的进液口增加了防冲板，汽液分离器的出汽口增加了挡板。实用新型专利热虹吸蒸发装置 CN201293501Y，它将汽液分离器叠加在干式蒸发器上，出汽管设置在汽液分离器的侧面，落液管伸入汽液分离器的长度为3mm5mm。实用新型专利工业制冷装置用热虹吸式重沸器 CN202
11、928208 U，它将汽液分离器叠加在干式蒸发器上，干式蒸发器的入口箱设置了换热盘管，换热盘管与汽液分离器的供液单元相连接。实用新型专利一种热虹吸蒸发器装置 CN202648258U，它将汽液分离器叠加在干式蒸发器 8 上，换热管的内壁设有内波纹，内波纹沿换热管内壁轴向分布，换热管外壁设有沿周向缠绕前进的外螺纹。三、研究开发内容和技术关键本项目研究一种针对冷冻站用的集成化、高效蒸发装置，本研究项目是针对目前冷冻站用蒸发器存在的不足而进行的，研究的目的在于提供一种集成化的高效热虹吸式蒸发装置。本项目研究的热虹吸蒸发装置在克服现有技术上的不足，设计一种集成化、传热效率高、氨汽出口干度高、冷冻盐水流
12、动阻力小的蒸发装置。该装置的特征在于氨液分离器固定在蒸发器上，氨液分离器的出汽口与升汽管的朝向相反，且出汽管在分离器的顶部；设有液位控制及自动供液装置；设有油位控制及自动放油装置；分离器降液管必须高与分离器底部 50mm，且进液管的内伸长度必须比降液管内伸长度多 50mm，降液管设置有防涡器；进水管与蒸发器垂直相切并连通；换热管采用高效横纹管或波纹管；采用螺旋折流板或折流杆。该热虹吸蒸发装置包括卧式蒸发器和卧式汽液分离器及两者的连接管路，汽液分离器固定在蒸发器的上部。设备运行前，蒸发器的换热管内、前后管箱及汽液分离器的下部充满经节流的低温氨液，温度较高的盐水从进水管进入，在蒸发器中通过换热管壁
13、面进行热量交换。换热管内的低温氨液吸收盐水的热量而部分蒸发，蒸发的氨液变成气泡，氨液密度小于进口管箱内氨液密度，加上汽液分离器液面与蒸发器的高度差，形成位差动力，推动密度小的泡状 9 或块状氨汽混合流体向出口侧流动。到底右管箱内时，气泡脱离氨液逸出蒸发器，从升汽管进入汽液分离器，当氨液蒸发强度较大时，升汽管内上升汽流回夹带液滴变成汽液两相流。两相流在分离器内通过改变流体流向和重力沉降的分离方法，将汽流中的液滴分离出来，干度较高的氨汽从回汽管被压缩机吸走。蒸发管内氨液蒸发后，汽液分离器内的液位下降，安装在分离器上的液位控制器将信号发送给进液管电磁阀，阀门打开，补充低温氨液，当液位超过设定的最高值
14、时，进液电磁阀关闭。回汽管的进汽口和升汽管的出汽端的端口朝向相背设置，如此通过改变汽体流向促进汽液分离，提高汽液分离效率，提高压缩机吸汽的安全性。汽液分离器与蒸发器之间的连接管用于蒸发器的不间断供液，连接管的汽液分离器端设置了防涡器，连接进口端与汽液分离器底部之间的距离大于 50mm，且进液管高出降液管，当汽液分离器内油面高与此值时，油包的放油阀回自动打开放油，在达到油位下限时自动关闭放油阀。该措施有利于汽液分离器内润滑油的成积，使润滑油能通过汽液分离器底部的油包排出汽液分离器，有效地防止润滑油通过连接管进入蒸发器，影响蒸发器的传热效率。进水管与蒸发器相切并连通，如此增加了进水管进入蒸发器的流
15、通面积，在不增加进水管的安装高度的同时减小进水流速，减少流体对换热管的冲刷。蒸发器的换热管采用横纹管或波纹管。换热管的支撑采用螺旋折流板或折流杆结构。本项目的主要技术创新有：（1）蒸发器采用的高效横纹管或波纹管，其特殊的结构设计使单 10 位长度的换热管传热面积增大，增加管内流体的扰动程度，强化管内氨液传热系数。（2）冷冻盐水进口为切向流，进口面积大，减小了冷冻盐水对换热管的冲刷，延长换热管使用寿命。（3）管外冷冻盐水为螺旋流或全轴向流，能有效减少流体流动死区，减少流体滞留，防止结垢。（4）由于管外冷冻水没有了横向折流，其流动阻力小，可减少盐水泵的功耗。（5）由于冷冻盐水为螺旋流动或轴向流动，
16、在径向产生的速度梯度能减薄换热管外流体滞留层，强化传热。（6）汽液分离器上部出汽结构，不会造成回汽管内液滴沉积，减小压缩机吸汽带液的风险。（7）进液管高出降液管、降液管设置防涡板且高出分离器底部50mm 的结构设计，减少了氨液对汽液分离器底部润滑油的搅动，有利于润滑油的沉积、排放。（8）汽液分离器设置了液位控制并与进液阀关联，能实时控制汽液分离器内的液位高度，防止压缩机吸汽倒霜。（9）汽液分离器设置了油位控制，当器内油面高与此值时，油包的放油阀回自动打开放油，在达到油位下限时自动关闭放油阀。该措施彻底杜绝了蒸发器进液带油的问题，从而有效减小蒸发器管内传热热阻，提高了蒸发器的传热效率。 11 四、预期目标在相同工况下，与 JB/T 7658.4-2006氨制冷装置用辅助设备 第4 部分:卧式蒸发器相比，具有以下优势：1、总传热系数提高 50%以上；2、相同换热量的蒸发器，本高效蒸发器体积缩小 35%以上；3、
