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扇的空冷冷
凝器。
背景技術(shù)：
空冷技術(shù)作為一項經(jīng)濟而又相對環(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)電廠的一個重要選擇。然而， 迄今為止的直接空冷機組主要是依靠大型軸流風機產(chǎn)生受迫對流，其 能耗大，噪音大，易受環(huán)境風的影響。
壓電效應(yīng)是一個一百多年前就已經(jīng)認識的物理現(xiàn)象，通過這一效 應(yīng)，某些特殊陶瓷材料可以在外加電場的激勵下產(chǎn)生很大的機械應(yīng) 力。不過，壓電效應(yīng)所直接產(chǎn)生的形變或位移通常都很小，因而長期 以來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
起來的，用以解決智能手機，DVD播放機等聲音敏感設(shè)備散熱風扇的
噪音問題。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)帶動振動片取代空冷風機使空氣振蕩換熱 的冷凝器，其功耗低，噪音小，換熱能力強。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)措施來實現(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扇。在上述技術(shù)方案中，所述壓電式風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，所述壓電式風扇上的壓電陶瓷片為一個或為 厚度相同疊合起來的多個。
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 長度(即下文所述的葉片長度)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)換為機械能，同時 通過壓電陶瓷片與葉片的共振把壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微尺度振動以非常 低的耗能轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^尺度的振動，以產(chǎn)生足夠流量的空氣流動達到空 冷換熱的目的，并且將共振的頻率選擇在聽覺所能感覺的頻率之外， 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)點在于功 耗低，噪音小，換熱能力強。


圖1為本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實施例中壓電式風扇結(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為過熱器，7為汽輪機，8為發(fā)電機，9為汽輪機排汽管道，
IO為散熱管，ll為冷卻元件，12為小型電動機，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。
具體實施例方式
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖1所示，本實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布置有壓電式風扇。
如圖2所示，所述壓電式風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的振子便會在長度方 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的微尺度振動放大2-3個 數(shù)量級以產(chǎn)生大規(guī)模的空氣流動，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接空冷機組中的驅(qū) 動風機，達到既散熱又節(jié)能降噪的目的。在外加電場的驅(qū)動下，壓電 陶瓷片2的逆壓電效應(yīng)帶動大型葉片3振蕩，這種振蕩運動又帶動周 圍空氣振蕩，如同風扇一樣，從而可以對散熱管1強迫對流換熱。
在實際應(yīng)用中，使用本實施例的壓電空冷系統(tǒng)如圖3所示。
進一步對于空冷冷凝器部分，以600MW直接空冷冷凝器為研究 對象，考慮到壓電式風扇的固定，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，每個單元又由若干組散熱管 l組成。采用本實施例后，由于在豎直排列的散熱管l側(cè)面布置有若干 壓電式風扇，給壓電陶瓷片2通微弱的電壓后，它就會帶動葉片3振動， 并且能將壓電陶瓷片2的小尺度振動轉(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)中的軸流風機，從而實現(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)壓電式風扇葉片3特性的相關(guān)資料，研 究了無環(huán)境風速時葉片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長度1，振動頻率f，葉片3的布置形式，這些參數(shù)變化時對 散熱效果的影響。通過模擬得到散熱管l壁面法線方向上的溫度梯度， 并求出對應(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)和對稱兩種不同布置情況下，背風 側(cè)和迎風側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差別。
當葉片3采用單側(cè)布置時，背風側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很小，僅為迎 風側(cè)的l/2左右，圖中A為背風側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，B表示迎風側(cè)的表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圖中C為對稱布置時散熱管1壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，采用對 稱布置情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比單側(cè)布置時迎風側(cè)的小，但只減少了 0. 17W/(m2，K)，這是由于采用對稱布置時，兩個葉片間相互會有所 影響，使散熱管l周圍的空氣擴散受阻，流速下降，從而使換熱效果
按照相似原理，對流換熱的實驗數(shù)據(jù)應(yīng)當表示成相似準則數(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)。
對上述計算結(jié)果進行線性回歸，可得葉片3振動對散熱管1換熱影 響的無量綱準則關(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)對空冷散熱管l換熱效果的影響，對不同工況下數(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會對換熱效果產(chǎn)生影響，其取值
范圍為O. 05 0. 15米，當距離小于O. l米時，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對散熱管1壁面附近的空氣擾 動作用減少，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對換熱性能也會產(chǎn)生影響，其取值范圍為 0. 1 0.3米，總體趨勢是表面?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，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長度1對換熱性能也會產(chǎn)生影響，其取值范圍為O. 3 0. 7 米，隨著葉片3長度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，長度小于0.5米時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨長度增加而 增大的速度較快，長度大于0.5米后，長度對換熱性能的影響基本可 以忽略不計?？紤]到葉片3的固定，建議取0.5米。
4. 增大葉片3振動頻率f也能改善散熱，但在一定范圍內(nèi)，對散 熱的影響并不大，顯示出了與葉片3長度相似的影響?？紤]到我國的 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，迎風側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大概是背風側(cè)的兩倍左右；葉 片3對稱布置在散熱管1兩側(cè)時，兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本相同，與單側(cè)布置時迎風側(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、耗能低、無噪音等優(yōu)點，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扇上的壓電陶瓷片為一個或為厚度相同疊合起來的多個。
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，換熱能力強等優(yōu)點。
文檔編號F28B1/06GK101644545SQ200910063728
公開日2010年2月10日 申請日期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, 熊揚恒, 玲 胡, 胡雪蛟 申請人:武漢大學