專利名稱：一種空冷冷凝器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空冷技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種使用壓電式風(fēng)扇的空冷冷
凝器。
背景技術(shù)：
空冷技術(shù)作為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)而又相對(duì)環(huán)保的節(jié)水途徑，成為解決在 "富煤缺水"地區(qū)或干旱地區(qū)建設(shè)火力發(fā)電廠的一個(gè)重要選擇。然而， 迄今為止的直接空冷機(jī)組主要是依靠大型軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生受迫對(duì)流，其 能耗大，噪音大，易受環(huán)境風(fēng)的影響。
壓電效應(yīng)是一個(gè)一百多年前就已經(jīng)認(rèn)識(shí)的物理現(xiàn)象，通過(guò)這一效 應(yīng)，某些特殊陶瓷材料可以在外加電場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng) 力。不過(guò)，壓電效應(yīng)所直接產(chǎn)生的形變或位移通常都很小，因而長(zhǎng)期 以來(lái)主要被用作壓力傳感器以及微納米器件的執(zhí)行器。利用壓電效應(yīng)
產(chǎn)生明顯的空氣流動(dòng)是應(yīng)微電子設(shè)備冷卻的需要而在近10年內(nèi)發(fā)展
起來(lái)的，用以解決智能手機(jī)，DVD播放機(jī)等聲音敏感設(shè)備散熱風(fēng)扇的
噪音問(wèn)題。迄今為止，其并未能應(yīng)用于空冷技術(shù)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足之處，提供一種利 用功能陶瓷的逆壓電效應(yīng)帶動(dòng)振動(dòng)片取代空冷風(fēng)機(jī)使空氣振蕩換熱 的冷凝器，其功耗低，噪音小，換熱能力強(qiáng)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的 一種空冷冷凝器， 具有輸送冷卻介質(zhì)的散熱管，其沿散熱管布置有壓電式風(fēng)扇。在上述技術(shù)方案中，所述壓電式風(fēng)扇包括由金屬薄片制成的葉片 和固定在葉片邊緣上的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的另一端固定在與散 熱管鄰近的支撐架上，各壓電陶瓷片與一交變電源相并聯(lián)。
在上述技術(shù)方案中，所述壓電式風(fēng)扇上的壓電陶瓷片為一個(gè)或?yàn)?厚度相同疊合起來(lái)的多個(gè)。
在上述技術(shù)方案中，所述葉片與散熱管的距離為0. 05 0. 15米， 各壓電陶瓷片之間的距離為0. 1 0.3米，葉片自壓電陶瓷片的延伸 長(zhǎng)度(即下文所述的葉片長(zhǎng)度)為0.3 0.7米。
在上述技術(shù)方案中，所述壓電陶瓷片是鈮鎳鋯鈦酸鉛(PZT)為 主要成分的固熔體。
本發(fā)明利用功能陶瓷的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí) 通過(guò)壓電陶瓷片與葉片的共振把壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微尺度振動(dòng)以非常 低的耗能轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^尺度的振動(dòng)，以產(chǎn)生足夠流量的空氣流動(dòng)達(dá)到空 冷換熱的目的，并且將共振的頻率選擇在聽(tīng)覺(jué)所能感覺(jué)的頻率之外， 幾乎可以完全消除噪音的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于功 耗低，噪音小，換熱能力強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例中壓電式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為應(yīng)用本發(fā)明的壓電空冷系統(tǒng)框圖。
圖4為基于本發(fā)明的空冷冷凝器的布置結(jié)構(gòu)圖。
圖5為葉片到散熱管距離與管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖。圖6為葉片間距與管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖。 圖7為葉片長(zhǎng)度與管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖。
圖8為葉片工作頻率與管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖。
圖9為葉片布置方式與管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖。
其中，l為散熱管，2為壓電陶瓷片，3為葉片，4為支撐架，5
為鍋爐，6為過(guò)熱器，7為汽輪機(jī)，8為發(fā)電機(jī)，9為汽輪機(jī)排汽管道，
IO為散熱管，ll為冷卻元件，12為小型電動(dòng)機(jī)，13為凝結(jié)水箱，14
為凝結(jié)水泵，15為凝結(jié)水精處理裝置，16為凝結(jié)水泵，17為低壓加
熱器，18為除氧器，19為給水泵，20為高壓加熱器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
如圖1所示，本實(shí)施例中所述空冷冷凝器，具有輸送冷卻介質(zhì)的
散熱管l，其沿散熱管l布置有壓電式風(fēng)扇。
如圖2所示，所述壓電式風(fēng)扇包括由金屬薄片制成的葉片3和固
定在葉片3邊緣上的壓電陶瓷片2，壓電陶瓷片2的另一端固定在與
散熱管1鄰近的支撐架4上，各壓電陶瓷片2與一交變電源相并聯(lián)，
其電源接線沿著金屬支撐架4安裝，由變壓器和電阻R控制置于壓電
風(fēng)扇兩端的電壓。
所述壓電陶瓷片2是鈮鎳鋯鈦酸鉛(PZT)為主要成分的固熔體。 其兩面形成電極，極化方向與電極垂直，如果在壓電陶瓷片2的電極 間加上電壓，由于逆壓電效應(yīng)，則壓電陶瓷片2的振子便會(huì)在長(zhǎng)度方 向產(chǎn)生位移。采用多層壓電陶瓷片2結(jié)構(gòu)，是把幾層厚度相同的壓電 陶瓷片2，疊合成疊層體，并在電氣上并聯(lián)和機(jī)械上串聯(lián)構(gòu)成，加上每層位移量的幾倍。這種結(jié) 構(gòu)推力很大，且因有機(jī)械增益，它們的位移量都大于塊體的漲縮位移， 所以有較大的偏轉(zhuǎn)位移。
本專利就是利用壓電陶瓷片2的逆壓電效應(yīng)，采取壓電陶瓷片2 與葉片3共振放大的方法，將壓電陶瓷片2的微尺度振動(dòng)放大2-3個(gè) 數(shù)量級(jí)以產(chǎn)生大規(guī)模的空氣流動(dòng)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接空冷機(jī)組中的驅(qū) 動(dòng)風(fēng)機(jī)，達(dá)到既散熱又節(jié)能降噪的目的。在外加電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，壓電 陶瓷片2的逆壓電效應(yīng)帶動(dòng)大型葉片3振蕩，這種振蕩運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)周 圍空氣振蕩，如同風(fēng)扇一樣，從而可以對(duì)散熱管1強(qiáng)迫對(duì)流換熱。
在實(shí)際應(yīng)用中，使用本實(shí)施例的壓電空冷系統(tǒng)如圖3所示。
進(jìn)一步對(duì)于空冷冷凝器部分，以600MW直接空冷冷凝器為研究 對(duì)象，考慮到壓電式風(fēng)扇的固定，將現(xiàn)有的"A"形布置的冷凝器改 為垂直布置。如圖4所示，從汽輪機(jī)7低壓缸排出的乏汽，經(jīng)由排汽管 道9引出主廠房外，通過(guò)蒸汽分配管將乏汽引入空冷冷凝器頂部的配 汽聯(lián)箱。直接空冷冷凝器分為若干單元，每個(gè)單元又由若干組散熱管 l組成。采用本實(shí)施例后，由于在豎直排列的散熱管l側(cè)面布置有若干 壓電式風(fēng)扇，給壓電陶瓷片2通微弱的電壓后，它就會(huì)帶動(dòng)葉片3振動(dòng)， 并且能將壓電陶瓷片2的小尺度振動(dòng)轉(zhuǎn)換為葉片3的大尺度共振。這就 能取代現(xiàn)有直接空冷系統(tǒng)中的軸流風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)"低能耗"，"低噪 音"的節(jié)能性新系統(tǒng)。
在上述技術(shù)方案中，根據(jù)壓電式風(fēng)扇葉片3特性的相關(guān)資料，研 究了無(wú)環(huán)境風(fēng)速時(shí)葉片3到散熱管l之間的距離d，各葉片3之間的間距m，葉片3長(zhǎng)度1，振動(dòng)頻率f，葉片3的布置形式，這些參數(shù)變化時(shí)對(duì) 散熱效果的影響。通過(guò)模擬得到散熱管l壁面法線方向上的溫度梯度， 并求出對(duì)應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。其研究結(jié)果如圖5至圖9所示。
從圖9中可以看出，葉片3單側(cè)和對(duì)稱兩種不同布置情況下，背風(fēng) 側(cè)和迎風(fēng)側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差別。
當(dāng)葉片3采用單側(cè)布置時(shí)，背風(fēng)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很小，僅為迎 風(fēng)側(cè)的l/2左右，圖中A為背風(fēng)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，B表示迎風(fēng)側(cè)的表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圖中C為對(duì)稱布置時(shí)散熱管1壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，采用對(duì) 稱布置情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比單側(cè)布置時(shí)迎風(fēng)側(cè)的小，但只減少了 0. 17W/(m2，K)，這是由于采用對(duì)稱布置時(shí)，兩個(gè)葉片間相互會(huì)有所 影響，使散熱管l周圍的空氣擴(kuò)散受阻，流速下降，從而使換熱效果
按照相似原理，對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)表示成相似準(zhǔn)則數(shù)之間 的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)以上模擬結(jié)果，可以擬合出散熱管l壁面上流體的 無(wú)量綱溫度梯度。由上面的結(jié)果可以看出單根管的溫度梯度與〃"及 Re有關(guān)。
對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性回歸，可得葉片3振動(dòng)對(duì)散熱管1換熱影 響的無(wú)量綱準(zhǔn)則關(guān)系，其中Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)
她=1.7Re
0.47
'-0.44
= 63.4Re
0.13
,0.02
(//"5)
利用流體分析軟件Fluent模擬不同葉片3參數(shù)對(duì)空冷散熱管l換熱效果的影響，對(duì)不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以得到以下結(jié) 論
1. 葉片3到散熱管l之間的距離d會(huì)對(duì)換熱效果產(chǎn)生影響，其取值
范圍為O. 05 0. 15米，當(dāng)距離小于O. l米時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著距離的 增加而增大，距離大于O. l米后，葉片3對(duì)散熱管1壁面附近的空氣擾 動(dòng)作用減少，造成傳熱性能下降。因此，建議取距離為O. l米為最佳 值。
2. 葉片3的布置間距m對(duì)換熱性能也會(huì)產(chǎn)生影響，其取值范圍為 0. 1 0.3米，總體趨勢(shì)是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著間距的增加而減小，但減 幅有所不同，間距在O. l米到0.2米之間時(shí)，下降較平緩；0.2米以后， 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小的幅度較大。
3. 葉片3長(zhǎng)度1對(duì)換熱性能也會(huì)產(chǎn)生影響，其取值范圍為O. 3 0. 7 米，隨著葉片3長(zhǎng)度1的增加，散熱管l的換熱效果總體上是增加的， 但是增幅逐漸減緩，長(zhǎng)度小于0.5米時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨長(zhǎng)度增加而 增大的速度較快，長(zhǎng)度大于0.5米后，長(zhǎng)度對(duì)換熱性能的影響基本可 以忽略不計(jì)?？紤]到葉片3的固定，建議取0.5米。
4. 增大葉片3振動(dòng)頻率f也能改善散熱，但在一定范圍內(nèi)，對(duì)散 熱的影響并不大，顯示出了與葉片3長(zhǎng)度相似的影響?？紤]到我國(guó)的 工頻是50Hz，建議取50Hz。為了將噪音降低到最低限度，可將頻率取 在人耳所能感知的范圍之外。
5. 葉片3的布置形式影響到散熱管1的換熱性能，葉片3布置在散 熱管1單側(cè)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大概是背風(fēng)側(cè)的兩倍左右；葉 片3對(duì)稱布置在散熱管1兩側(cè)時(shí)，兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本相同，與單側(cè)布置時(shí)迎風(fēng)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相比有所下降，但降低的并不多。因 此，建議采用葉片3兩側(cè)對(duì)稱布置的形式。
綜上所述，與傳統(tǒng)的空冷冷凝器相比，本發(fā)明空冷冷凝器具有換 熱能力強(qiáng)、耗能低、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，并將以其優(yōu)異的換熱性能在空冷 冷凝器等換熱環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種空冷冷凝器，具有輸送冷卻介質(zhì)的散熱管，其特征是沿散熱管布置有壓電式風(fēng)扇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空冷冷凝器，其特征是所述壓電式風(fēng)扇包括用金屬薄片制成的葉片和固定在葉片邊緣上的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的另一端固定在與散熱管鄰近的支撐架上，各壓電陶瓷片與一交變電源相并聯(lián)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空冷冷凝器，其特征是所述壓電式風(fēng)扇上的壓電陶瓷片為一個(gè)或?yàn)楹穸认嗤B合起來(lái)的多個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空冷冷凝器，其特征是所述壓電式風(fēng)扇的葉片與散熱管的距離(d)為0.05 0. 15米，各壓電陶瓷片之間的距離(m)為O. 1 0.3米，葉片自壓電陶瓷片的延伸長(zhǎng)度(1)為O. 3 0. 7米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空冷冷凝器，其特征是所述壓電陶瓷片是鈮鎳鋯鈦酸鉛(PZT)為主要成分的固熔體。
全文摘要
本發(fā)明涉及空冷技術(shù)領(lǐng)域，一種空冷冷凝器，具有輸送冷卻介質(zhì)的散熱管，并沿散熱管布置有壓電式風(fēng)扇。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有功耗低，噪音小，換熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F28B1/06GK101644545SQ200910063728
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者吳亞娟, 唐正偉, 熊揚(yáng)恒, 玲 胡, 胡雪蛟 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)