1、核电发电蒸发式冷凝器简介1 核电发电流程2.蒸发式冷凝器工作原理3 蒸发式冷凝器种类4 性能影响因素，提高冷却效率方法5 使用注意事项6 目前研究状况及发展1.核能发电在核能发电中，作为冷却循环水路中起冷却效果的重要部件之一冷凝器起着至关重要的作用，本章将主要介绍循环水路中冷凝器的工作原理及发展。首先概述下核发电的循环冷却流程，如下图所示：主冷却泵的冷却水流经反应堆压力容器，吸收裂变释放的能量后升高到320左右，经蒸汽发生器把热量传给二回路侧的水产生蒸汽，分离后的水借助主冷却剂泵又回到反应堆，蒸汽经汽水分离器后降低蒸汽干度驱动汽轮机做功，带动发电机发电。做功后的乏气,温度在 2545，在冷凝器
2、中凝结成水，经给水泵加热后又输送给蒸汽发生器的二次侧，再产生蒸汽驱动做功。 冷却水有两个来源：一是取自自然水域，因此核电厂大多都建在水域丰富的地区或临海而建；二是来自核电厂的冷却塔。吸收乏汽余热的冷却水排放至江、河、湖、海等自然水域，经与环境水体的掺混和对大气的散热，将大量的余热弃置水域；发电厂再从水域中抽取新的、低温循环冷却水，以保障凝汽器的冷却效果，即是所谓的“水面冷却”，或称“ 一次循环冷却” 问题。如电厂所处地域水源匮乏，则必须采用冷却塔来冷却循环水，冷却水携带的余热经冷却塔释放到大气，冷却后的循环水再送入凝汽器冷却乏汽，这是所谓的“冷却塔冷却”，或称“ 二次循环冷却” 问题。图 2
3、为常见冷却塔工作原理图，同冷凝器原理类似，同样充分利用水的蒸发潜热来降低冷却水温度。图 1图 22.蒸发式冷凝器工作原理目前大型核电发电厂的冷凝器大多为蒸发式冷凝器，主要由冷却管组、填料、淋水器、风机、集水槽、水泵、收水器、箱体等部件组成。工作原理：喷淋水由水泵将集水槽中的水输送到蒸发式冷凝器顶部的喷淋管，喷淋到换热管的外表面形成很薄的水膜，水膜中部分水吸热后蒸发为水蒸气，带走大部分的蒸发潜热到周围的空气中，形成湿热空气，其余水滴飘散在空气中与空气换热后，落入集水槽，供水泵循环使用。风机强迫空气被吸入，流经盘管，带走湿热空气中的热量，湿热空气中的水滴则被挡水板截留，有效地控制水滴飘散损失。图
4、23 蒸发式冷凝器的分类： 蒸发式冷凝器按风机的操作不同可分为鼓风式和吸风式(轴流风机，目前大多数采用此类风机),从其换热的核心部件的结构分为管式蒸发式冷凝器和板式蒸发式冷凝器两大类。 3.1 管式蒸发式冷凝器 又分为水平管式与立管式两类,目前工业上应用多是水平管式蒸发式冷凝器。通过改变换热盘管管形结构以达到强化传热的蒸发式冷凝器称为异形管蒸发式冷凝器，目前采用的异形管主要有椭圆管、异滴形管、波纹管和交变曲面波纹管等，下图 3 展示了一些异形管。另外将换热盘管与其他换热单元体结合构成的还有填料蒸发冷凝器与鼓泡蒸发冷凝器。图 3填料蒸发式冷凝器 是在冷凝盘管下部填充 PVC 填料（如下图）的热交
5、换层，延长冷却水停留时间，增加换热面积，增加换热量。空气自上而下通过冷凝器,与喷淋水同向流动,并从冷凝器一侧的挡水板处错流流出,另一部分空气从下部的进风栅处流入,并从填料热交换层错流流出,这两部分排出的湿空气通过蒸发式冷凝器上部的轴流风机而排出,如图 5。这类蒸发式冷凝器的特点是:水和空气在冷凝盘管表面同向流动,飘落的水由于风压的作用,使水膜在光滑的冷凝盘管上被空气流包裹,使水膜完全充分地覆盖在管壁,不至于很快剥落,从而可以消除由于“干斑”而引起的结垢现象，如图 6。该类蒸发式冷凝器的一次换热发生在冷凝盘管表面,主要是显热换热,二次换热发生在热交换填料层上,热交换水蒸发效率超过 80% ,因此
6、该类冷凝器的蒸发冷却过程主要发生在热交换填料层上。采用一次和二次传热面相结合的复合流动技术是填料蒸发式冷凝器的主要特点,比传统设计的蒸发式冷凝器水温要低68,提高了换热效率,也减少了结垢的可能性图 4图 5图 6鼓泡蒸发式冷凝器 是在冷凝盘管前设置一个过热蒸汽冷凝器,先利用冷凝盘管出口处的空气对制冷剂蒸汽进行预冷,然后制冷剂流入冷凝盘管进行冷凝。在过热蒸汽冷凝器中,蒸汽被冷却到接近饱和温度后再进入冷凝盘管,既可以防止喷淋水在高温段的结垢,又提高了冷凝盘管的利用效率。鼓泡蒸发式冷凝器的冷凝盘管采用的是金属肋片式换热盘管,盘管通过液压使金属肋片与管壁紧密贴合,其接触热阻几乎为零。另外,高强度的金属
7、肋片增加了空气与水之间的换热面积,大大提高了单位体积的换热面积,使结构更加紧凑,制冷剂冲灌量更少。而且在系统冷凝负荷较低或外界环境温度较低时,大多可以采用风直接冷却,解决了冬季的冻结问题。在底部浅水层设置鼓泡装置是该类蒸发式冷凝器的主要特点,流经换热盘管的水降落在装置上,风机引入的新风鼓动水层形成大量的气泡,令空气与水的接触面积得到最大限度的增加,强化了二者之间的传热,经鼓泡后的湿热空气从旁边独立的风道排出,使冷凝器的整体性能进一步提高。 3.2 板式蒸发式冷凝器 板式蒸发式冷凝器 是从管式蒸发式冷凝器改进而来的, 其原理和管式蒸发式冷凝器基本相同,主要由换热板束、水循环系统及鼓风机 3 部分
8、组成其中换热板束板与挡水板之间装有填料。热流体在换热板内流动,冷却循环水喷淋在换热板外侧,在冷凝板片的外表面形成水膜而流下,水膜从冷凝板壁吸取热量后,在蒸发作用下,部分水蒸发为蒸汽,被快速流动的空气带走。3.3 蒸发式冷凝器的强化传热分析 在水平管式蒸发式冷凝器中,水经喷嘴喷洒在换热盘管上,在盘管外表面形成水膜,流经多层多根换热盘管,在实际的应用与操作中水膜不可能成片状流,原因是需要大量的喷淋水,而开发蒸发冷凝器的目的本是节水,盘管中实际的水膜流动在柱状流与片状流之间,因此实际的水膜流动是间断性流动。在水膜的下落过程中,一部分水从管内制冷剂中吸收热量后直接变成蒸汽被空气带走,另一部分水在下落过
9、程中被高速气流吹托缓慢下降或被吹散形成小水滴,飘飞上扬,使得其有充足的时间与空气发生热交换,热量被空气带走。因此,水平管式蒸发式冷凝器大都采用逆风操作。在板式蒸发式冷凝器中,喷淋在冷凝板束上的水是紧贴板壁下降,是典型的连续性降膜,尤其是板间加装了填料更是如此,水膜在沿板壁下降的过程中被空气吹成小水滴的几率很小,下降的水膜被吹散成小水滴飘飞上扬与空气发生充足的热交换,然后蒸汽被空气带走。在板式蒸发式冷凝器中,采用逆风操作会使下降的水膜受托滞,水膜厚度变厚,增大了热阻,削弱了换热强度,不利于板与水膜的热交换;采用顺风操作时,下降的大部分水膜同样有充足的时间与板及空气发生热交换,另外受剪切力的影响,
10、顺风操作可以使水膜厚度变薄,减小热阻,强化换热强度;采用错流风向操作,同样也可以达到上述强化换热的效果,而且还可使整台装置结构更加紧凑,大大降低水泵的扬程,减少水泵的功耗。无论采用哪种风向,如果板间不加装填料,可能会有一小部分水膜直接被吹落或来不及与板发生充分的热交热而直接被吹下,使得这一部分水做“微功”或“无功”循环,同时,通过这部分的空气也是“微功”或“无功”操作,不但使水泵的功耗受损,也使风机的功耗受损,造成能耗的大量浪费。因此,在板式蒸发式冷凝器中,无论采用哪种风向操作板间均需要加装填料,至于是采用哪种风向操作效果最佳以及填料加装的厚度、板间距、风量、水量与空气湿球温度的影响有待于进一
11、步的实验研究。 冷凝又可以分为滴状冷凝与膜状冷凝,其中在现有的传热现象中以滴状冷凝的传热系数最高。但目前，工业上尚无法实现持久性滴状冷凝,出现的滴状冷凝均是暂时性的,时间非常短暂,随即被膜状冷凝取代。在板式蒸发式冷凝器的换热板内,制冷剂的冷凝过程是典型的膜状冷凝过程,在冷凝传热程中,蒸汽凝结面产生的冷凝液形成液膜并覆盖在壁面上,蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生,冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。因此,冷凝传热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内,如何提高膜状冷凝的传热系数,亦即如何减薄液膜的厚度、减小热阻成为众多研究者关心的课题。将板式蒸发式冷凝器制冷剂侧板面上加装一些竖直布置的小沟
12、槽,相当于小的波纹,这样板表面上存在表面张力效应而将波纹两侧的凝结液膜拉薄,使导热热阻减小,从而强化换热。同时由于沟槽内的凝结液积聚增快,使沟槽液膜内的流态容易变成湍流或从板表面上脱离,加快凝结液排出,这些都会增强液膜内的扰动,提高凝结传热系数,特别是尺寸较小的沟槽更有利于利用表面张力作用减薄液膜。4.蒸发冷凝器性能影响因素(1)内部传热性能受空气流量，喷淋水流量及进口参数的影响。水量过大会 造成水膜厚度较大，热阻增大，对局部换热造成影响，同时牺牲了水泵的功率，加大了耗电量和耗水量；风量增加大，可以使得水膜在管底部的集 聚情况减轻，有利于传热，但过大的风量会造成空气和水的传热传质造成影响，使空
13、气和水的换热不均匀，同时加大了风机电耗量，因此应合理的分配水量和风量，使得流场换热充分，保持较高的换热效率。（2）蒸发式冷凝器的制冷量和能耗比受进口空气的湿球温度影响很大。降低进口冷却空气的温度和湿球温度，也能显著提高传热效率。因此适合在干燥的区域或季节使用，长江以南的地区使用时要充分考虑到气候变化的影响，留出适当空间。 5.使用注意事项;(1) 结垢问题蒸发式冷凝器传热过程涉及到水和空气在盘管表面的对流掺混，管表面粗糙度，管体温度，循环水离子含量，管束结构等都会对结构产生影响，因此对水质以及空气都有一定的要求，另外过多的杂质沉积会造成水膜在管表面分布不均产生极大影响。解决方法为通过化学方法即
14、在循环水中添加阻垢剂。物理方法包括超声波处理，电子除垢如表面改性等。同时应对水质进行处理并定期更换循环水，冷凝器底部水盘也应定期清理，防止微生物的滋生而破坏水质（2）腐蚀问题管体腐蚀会对设备寿命产生不利的影响，目前有效的防止腐蚀的方法为管体整体热浸锌处理。采用不锈钢管体或者进行防腐表面涂层处理等（3）配管问题冷凝器配管管路中不凝性气体的存在会提高冷凝压力，增加系统运行功率而增加电耗，应在进气口，贮液器，每个盘管的出液口接口和系统高点位置设置放空气接口；（4）降噪问题噪音来源为风机和水泵的噪音以及箱体噪音，同时有少量的水滴下降形成的噪音，其中风机噪音占绝大部分，降低风机噪音的方法包括研究风机类型
15、并对轴流叶片进行改进，选用较宽叶片或采用排风消声器。当对噪音要求较高时箱体噪音的消除可采用吸声材料。水滴下降产生噪音的处理可采用消声毯。6 目前研究状况及发展由上图冷凝管的导热分布图可以看出，从各个环节减小相应的热阻是提高传热效率的思路。经实验对比，翅片套管比光管的传热效率高很多，加载翅片有助于提高蒸发冷凝器的换热性能；同时如何优化换热管的流线形结构，减小水膜厚度以减小传热热阻，开发出更好的异性管也是关注的焦点。竖直波纹板壳式冷凝器也是近年来的新发展。另外，上述提及的如何更大程度的减少结垢，防腐蚀，及合理分配气液相流量均是蒸发式冷凝器发展中比较关注的问题。术语注释：1. 乏汽：具有热势能的过热
16、蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。2. 热浸锌：将除锈后的钢件浸入 600的高温熔化锌液中，使钢构件表面附着锌层。3. 湿球温度:是标定空气相对湿度的一种手段，其涵义是，某一状态下的空气，同湿球温度表的湿润温包接触，发生绝热热湿交换，使其达到饱和状态时的温度。该温度是用温包上裹着湿纱布的温度表，在流速大于 2.5m/s 且不受直接辐射的空气中，所测得的纱布表面温度，以此作为空气接近饱和程度的一种度量。周围空气的饱和差愈大，湿球温度表上发生的蒸发愈强，而其湿度也就愈低。根据干、湿球温度的差值，可以确定空气的相对湿度。
