文 献 综 述

1.课题背景

随着国家经济的不断快速增长,对能源的需求越来越大,环保要求也越来越严格,社会高速发展与能源紧张之间的矛盾日益严峻^[1]。冷凝器作为冷却系统的主设备,能够以较低的温差获得较高的传热系数,因而被广泛地应用在石油、化工、制冷、发电、动力、航空航天和微电子等领域中川。如加热蒸汽的冷凝,冷冻过程中冷冻剂蒸汽的冷凝,蒸馏塔顶蒸汽的冷凝等^[2]。冷凝器作为冷却系统里的核心设备,成本占到整个设备的35%以上。准确计算和设计壳冷凝器和使用适合的工质将对节约成本起到重要的作用。

冷凝器设计,主要包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计^[3]。其中热力设计最为重要,在具体设计中一般是按照设计计算程序初步选定结构,然后再按照校核设计程序对初选结构进行校核^[3]。无论是设计计算还是校核计算所需要的数据主要包括结构数据、工艺数据和物性数据三大类。一台新换热器的设计意味着满足特定的传热和压降需求,进而选择合适的换热器结构类型、流动布置方式、管子和换热器外形尺寸。冷凝过程属于相变换热,由于出现物态的变化,实际工况的多样性,使其对流换热过程要比单相流体的换热过程复杂得多^[4]。对于纯组分冷凝工况,由于气相分率的显著变化,引起冷凝器内沿流体流动方向上气液两相流动形态的改变,并导致局部传热性能和压力降梯度的变化对于多组分混合物的冷凝过程,由于冷凝工质露点不同,甚至含有不凝气体,随着热量传递、质量传递和动量传递,使得冷凝计算过程更加复杂多变。如果设计人员在设计中对多种因素的综合分析不够,使选用的冷凝器在实际运行中达不到设计的负荷值^[4][5]。

因此，冷凝器的合理设计不仅要满足工程中的换热需要,还要使它尽量达到合理的面积富裕度,从而减少金属耗材,同时还要满足允许的压降损失,减少操作费用。作为占制冷机组总重量20%左右的冷凝器,它的准确设计计算在整个国家的节能减排目标中任重道远^[6]。

2.冷凝器的种类及特点

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类^[7]。

2.1水冷式冷凝器

水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器^[8]。

2.1.1立式壳管式冷凝器