蒸发式冷却器原理及在余热利用工程中的功用:蒸发冷却器

　　摘 要：简述蒸发式冷却器的工作原理、结构和技术特点，通过案例，着重对蒸发式冷却器和机力通风冷却塔的耗水量、耗电量、以及经济效益等多方面进行比较。 　　关键词：蒸发式冷却器；机力通风冷却塔；耗水量；耗电量；性能分析；经济性 　　中图分类号：TU85 文献标识码：A 　　在余热利用工程冷却供水系统的选择上，可采用的供水系统方式基本为：带机力通风冷却塔的循环供水系统；带自然通风冷却塔的循环供水系统；带空气冷却器的循环供水系统。近年来，随着水资源紧缺和节约能源政策的实施，特别是富煤缺水地区，对工业用水的限制极为严格，虽然带空气冷却器的供水系统基本不耗水，但是出于对经济因素及夏季对汽轮机经济性的影响等因素考虑，目前在国内电厂还很少应用；因而另一种节能、节水的供水系统—带蒸发式冷却器的循环供水系统应运而生。随着生产工艺要求的提高及蒸发式冷却器本身性能的逐步完善，国内对该类塔型设备的需求量增长十分迅速，在电子、电厂、铸造、食品、化工、建筑等行业，已有较广泛的应用，且用户和应用行业在不断扩展。 　　1 蒸发式冷却器工作原理 　　蒸发式冷却器是将淋洒式排管冷却器和循环冷却塔有机结合的一种新型冷却设备，主要利用水的蒸发潜热换热，换热机理先进、高效，其换热效果取决于当地的湿球温度，冷却效果好，换热性能优良，这与空冷系统和水冷系统利用空气和水的显热来吸收热量不同。空冷式系统虽然不用水源，但需要消耗更多功耗，水冷系统中1kg水只能带走16.7～25.1kJ的热量，而1kg水在常压下蒸发能带走约2400kJ的热量，因此蒸发冷却器在气候干燥且缺水的地区节水效果更为显著。 　　蒸发式冷却器以水和空气为冷却介质与换热管束内的高温介质进行热交换，利用管外部分水的蒸发带走管内冷却过程中放出的热量。工作过程是：高温介质（水）从上部进入换热管束内，喷淋水由循环水泵送至喷淋装置中，再由喷嘴将水均匀喷淋到换热管表面上，形成一层很薄的水膜，管内介质与管外的水和空气进行热交换，轴流风机强制空气以3～6m/s的速度通过管束和喷淋水。管外喷淋冷却水蒸发带走热量，使部分喷淋冷却水变成水蒸汽，水蒸气经过蜂窝形收水器时，水份被回收，而湿气则被排到设备外。同时在轴流风机的强制引风作用下使管箱内形成负压，又强化了喷淋水的蒸发，提高了机组的换热效果，未蒸发的水落入下部水箱继续参与循环。 　　蒸发式冷却器在钢铁行业的闭式循环冷却水系统中广泛应用，并取得良好效果，目前在余热利用工程冷却方面也开始应用。蒸发式冷却器原理见图1。 　　2 案例比较 　　在某余热利用工程电站项目中，汽轮机冷凝器采用空气冷却器冷却，汽轮机冷油器和空冷器需要冷却水量为800m3/h，可以采用机力通风冷却塔或蒸发式冷却器冷却。本文就分别采用采用机力通风冷却塔和蒸发式冷却器作一比较。 　　2.1 设计条件： 　　冷却循环水量：800m3/h 　　循环水进口温度：43℃ 　　循环水出口温度：33℃ 　　干球温度：30℃ 　　湿球温度：24℃ 　　2.2 冷却设备技术参数 　　湿球温度为24℃，经计算，分别配置2台蒸发式冷却器、2台机力通风冷却塔，单台冷却水量均为400m3/h，单技术参数详见表1。由表可以看出，使用蒸发式冷却器由于增加了喷淋水泵，所以总的电功率要比机械通风冷却塔要高。 　　3 技术经济比较 　　3.1 耗水量 　　由于蒸发式冷却器是闭式塔，所以主要损失水量为喷淋水的蒸发和排污损失和风吹损失，该部分损失约占喷淋循环水量的2%，蒸发式冷却器单塔喷淋水量为220m3/h，所以单塔每小时需要补水量为4.4m3/h。 　　机力通风冷却塔主要损失水量为循环水的蒸发和排污损失和风吹损失，该部分损失约占循环水量的2.5%，单塔循环水量为400m3/h，所以单塔每小时需要补水量为10m3/h。 　　如果年利用小时按8000小时计，使用机力通风冷却塔，每年耗水量为10×2×8000=16万m3，而使用蒸发式冷却器每年耗水量为4.4×2×8000=7.04万m3。由此可以看出，使用蒸发式冷却器的耗水量仅为机力通风冷却塔的44%，节水效果非常明显。 　　3.2 年运行费用比较 　　冷却塔的比较采用年费用最小法，即将工程的一次投资按规定的回收率等额分摊至预测到的经济使用年限内的每一年中，再加上一年的水泵、风机等的耗电费，其值最小的方案为最优。本次仅比较冷却塔的投资和水泵、风机增加的耗电费用。 　　根据《火力发电厂水工设计规范》中的相关规定，计算公式为： 　　NF=P（AFCR）+μa 　　AFCR=CR+MR 　　式中： 　　NF——年费用值 　　P——总投资现值 　　AFCR——年固定分摊率 　　μa——年运行费，包括水泵、风机的电耗 　　CR——资金回收系数： 　　i-投资回收率，i=8% 　　n-经济使用年限，n=20a 　　MR—大修费率，可取2.5% 　　由上表可见，机力通风冷却塔年费用较蒸发式冷却器年费稍高，年增加费用约18.11万。与机力通风冷却塔相比，蒸发式冷却器具有年费用低、耗水量低，冷却效果稳定、运行灵活等优点，尤其对热负荷不确定不稳定的情况下更能体现其运行灵活的优点；其缺点是设备初始投资大，电耗高，占地面积较大。 　　结语 　　蒸发式冷却器系统简单，安装调试方便，运行稳定，但投资费用高、耗电也较大，适用于对循环水质要求较高的各种冷却系统，在电力、化工、钢铁、食品和许多工业部门有应用前景。另一方面，与空冷式热交换器相比，蒸发式冷却塔利用管下侧水的蒸发潜热，使空气侧传热传质显著增强，也具有明显的优点。 　　机力通风冷却塔主要特点是一次性投资较低，运行稳定，全年可基本保证满发，但是耗水量较大，在我国缺水的北方地区应用受到一定限制。 　　两种冷却设备都可以余热利用工程冷却的要求，但是从节水、降低年运行费用角度出发蒸发式冷却器在电厂辅机冷却系统中的应用更符合我国国情，应大力推广。 　　参考文献 　　[1]史美中，王中铮.热交换原理设计[M].南京：东南大学出版社，1996. 　　[2]王松汉.板翅式换热器[M].北京：化学工业出版社，1984. 　　[3]赵昌富.蒸发式冷却器的应用技术总结[J].化工设计通讯2008，12（4）：45-47.