工業制冷常用換熱器

                                            張慶林  由黎明

                             (大連冷凍機股份有限公司,遼寧大連　116033)

    摘要：介紹幾種工業制冷行業中常用的換熱器型式的機理和設計、應用經驗。

    關鍵詞：蒸發器;冷凝器;經濟器;中間冷卻器;冷卻器;液化器

    中圖分類號：TQ051·5   文獻標識碼：B    文章編號：1007-7804(2006)02-0024-05

    在工業制冷系統中,制冷換熱設備一般按照換熱器在制冷裝置中所起的作用進行分類,可以分為蒸發器、冷凝器、經濟器、中間冷卻器、冷卻器、液化器等,如果按照換熱器的結構來分類,又可分為管殼式換熱器與板式換熱器。本文將對管殼式換熱器進行詳細探討,板式換熱器則另文闡述。

    1　蒸發器

    蒸發器是制冷系統的主要熱交換設備。利用制冷劑液體在較低溫度下蒸發,吸收被冷卻介質的熱量使之溫度降低。

    1·1　蒸發器中的傳熱

    影響蒸發器傳熱系數的因素主要有: 1·制冷劑的物理特性、沸騰狀態、蒸發器結構; 2·被冷卻介質流動狀態、傳熱表面幾何特性; 3·傳熱表面污染程度,主要是油、鐵銹、霜層。

    1·2　蒸發器的形式和結構

    主要用于載冷劑系統,用來冷卻水或鹽水、乙二醇等載冷劑,再由載冷劑去冷卻被冷卻物體。根據蒸發器外形可以分為立管(螺旋管)式蒸發器和臥式管殼式蒸發器。

    1.立管(螺旋管)式蒸發器是制冷劑在管內蒸發,蒸發器沉浸在載冷劑箱內。這兩種蒸發器只能用于開式循環系統,載冷劑必須是非揮發性的,如鹽水和水等。為保證載冷劑在箱內以一定的速度循環,箱內焊有縱向隔板并裝有螺旋攪拌器。載冷劑流速為0·3~0·7m/s以增強換熱。這種系統因為載冷劑容易和空氣接觸,蒸發管容易腐蝕,鹽水易吸潮變稀。水箱應采取必要的密封措施,見圖1。

                 

    2.臥式管殼式蒸發器根據制冷劑的蒸發方式不同,又分為干式蒸發器、滿液式蒸發器和熱虹吸式蒸發器。

    干式蒸發器(見圖2)是液體制冷劑經節流后從蒸發器一端的端蓋進入管程,端蓋上鑄有隔板,制冷劑經過兩個或多個流程蒸發并吸收載冷劑的熱量后從同一個端蓋出來后進入壓縮機。如果端蓋隔板墊片泄漏,會使制冷劑短路,造成回液及制冷能力下降。這種蒸發器的主要特點是:制冷劑在管內完全蒸發并過熱成為過熱氣體,這有利于使用熱力膨脹閥自動調節供液量。通常使用的制冷劑有R22、R134a、R407C、R410A等。因為制冷劑管內蒸發,只要管內流速超過4 m/s,就可以把管內的潤滑油帶回壓縮機,回油方便。在設計當中,殼程采用GB151或TEMA規定的E型結構(折流板型式),折流板的缺口大小根據載冷劑的物理性質與流量大小開15% ~50%的缺口,通常情況下,折流板缺口的流速與載冷劑橫向掠過管束的流速大致相等,為了保證換熱效果,折流板與圓筒的間隙、換熱管與折流板的間隙要小于等于GB151或TEMA規定的最小間隙,特別是在低溫情況下,這些間隙顯得尤為重要,由于在低溫情況下,載冷劑一般為高粘度流體,流速慢,熱阻相對增大,間隙泄漏更加明顯,所以在低溫情況下對間隙的控制一定要更加嚴格。換熱管采用內部強化的高效換熱管,換熱管內部采用螺旋線溝槽的型式,一般內部有32~75個溝槽,主要用來增強管內的傳熱效果,有時換熱管的外部也做相應的強化,換熱管根據載冷劑的不同可采用紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2等材料。換熱管與管板一般采用脹接的連接方式,在制冷劑進口一般設置一套分配器用來平均分配氣液混合物,干式蒸發器一般適合在排量小于2000 m3/h的壓縮機制冷系統中使用,在大型系統中由于制冷劑的分配不均問題,最好不使用此類型的蒸發器。

                 

    3.滿液式蒸發器結構與干式蒸發器相似,只不過載冷劑走管程,制冷劑走殼程。制冷劑液體從筒體下部進入,殼程內沸騰,從上部的氣液分離器或回氣包回氣,分離的液滴仍流回蒸發器。滿液式蒸發器的充液量大,傳熱溫差小,相同的冷媒溫度蒸發溫度高,制冷量大。為防止過高的液面會使未汽化的液體隨沸騰的氣泡帶出蒸發器,進入壓縮機引起液擊,通常采用液位控制器來控制蒸發器內液面的高度,大多設有氣液分離器。制冷劑為氨時,液位為筒體的70% ~80%;制冷劑為氟利昂時,液位為筒體的55% ~65%。滿液式蒸發器的缺點是回油困難,尤其是制冷劑為氟利昂時。設計中,殼程采用GB151或TEMA規定的X型結構(管束采用少數支撐板支撐),制冷劑的進口設有均液板,用來平均分配掠過管束的制冷劑,殼程上部一般留有一定的沸騰空間與氣液分離的空間,對于一些大型滿液式蒸發器為了減少桶徑,僅僅留有少量的沸騰空間,同時在蒸發器上部配備一個氣液分離器(原因同上),對于R22、R134a等的HCFC類制冷劑,為了節省銅材,強化管內的換熱效果,常采用外部強化的高效換熱管。隨著高效傳熱技術的發展,在中大型空調機組中,管外的換熱系數已經高于管內的換熱系數,因此管內也做了相應的強化。所用制冷劑種類與換熱管材質及管與管板的聯結型式同干式。滿液式蒸發器一般應用于載冷劑粘度較小即在使用條件下流動性非常好的場合。

    4.熱虹吸蒸發器,來自經濟器的過冷制冷劑液體經過節流閥節流后先進入氣液分離器,氣體制冷劑被壓縮機吸回,液體靠重力作用進入蒸發器,在氣液分離器中精確地控制液位,使得虹吸蒸發器的制冷劑側的循環量大于蒸發量,制冷劑側的換熱效果得到明顯的改善。虹吸蒸發器采用立式或臥式結構,對于臥式虹吸蒸發器,蒸發的制冷劑一般安排在殼側,載冷劑或需要冷卻的介質放在管側;對于立式虹吸蒸發器而言,蒸發的制冷劑一般安排在管側,載冷劑或需要冷卻的介質放在殼側,但是對于一些需要冷卻高粘度流體的場合,蒸發的制冷劑也可以安排在管內。立式虹吸蒸發器的管程一般設計為1個流程,臥式虹吸蒸發器的管程可以為多流程。換熱管采用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2、鈦TA2等材料。換熱管與管板的連接根據換熱管材質的不同可以采用焊接、脹接或焊接與脹接相結合的方式。熱虹吸蒸發器一般用在工業制冷潤滑油冷卻、低溫液化等場合,尤其是在石化行業,因為保證了高粘度鹽水在低溫下的換熱性能和高等級無縫管換熱管的采用(保證蒸發器的耐腐蝕性與可靠性),故使用越來越廣泛。

    2　冷凝器

    冷凝器是蒸氣壓縮式制冷系統的四大部件之一,是將壓縮機排放的高溫制冷劑氣體冷凝成飽和或過冷液體的設備。通過冷凝器,將熱負荷(制冷場所、電機功耗)傳遞給環境介質(水或空氣)。

    2·1　冷凝器的傳熱

    2·1·1　制冷劑側

    油膜的影響:氟利昂系統中,油和制冷劑在冷凝器中互溶,對傳熱沒有影響;在氨系統中,油膜會嚴重影響換熱,必須及時排放冷凝器底部的存油。

    不凝性氣體的影響:會占據一定的換熱空間并提高冷凝壓力,應及時排放。氨系統必須通過空氣分離器排放,氟系統可以通過冷凝器上部的放空閥排放。

    制冷劑充注量:過多的充注量會減少冷凝面積,導致冷凝壓力升高,應加以控制。

    2·1·2　冷卻介質側(水或空氣)

    冷卻介質流速的影響:適當的流速會提高放熱系數并降低污垢的沉積。水為冷卻介質的,水的流速為0·8~1·2 m/s (氨,鋼管),或小于2·5 m/s(氟,銅管);空氣為冷卻介質的,空氣流速為2~4 m/s。

    污垢的影響:污垢的導熱系數比較小,會影響熱量的傳遞,應當盡量避免并及時排除。水冷式冷凝器水側污垢包括水垢、銹蝕、泥沙等。對水質較差的,應采取軟化處理或用水池沉積泥沙。冷凝器的水路一般走管程,可以采取機械式清洗或化學方法清洗。空冷式冷凝器空氣側的污垢主要有灰塵、油污和銹蝕物等。要采取防塵、防腐處理。

    2·2　冷凝器的結構

    冷凝器的類型很多,按其帶走熱量的方式,可分為三類。

    2·2·1　水冷式冷凝器

    水冷式冷凝器由于采用水作為冷卻介質,而水溫通常又比較低,所以可以獲得較低的冷凝溫度,有利于提高制冷能力,降低運行費用,應用十分廣泛。水冷式冷凝器又分為立式和臥式兩種。

    立式冷凝器:冷凝器頂部裝有配水箱,可以將水均勻地分配給各個管口的分水頭,沿管內壁螺旋狀流下,與管外的高溫氣體進行熱交換。制冷劑蒸氣放出熱量后,冷凝成液體后沿管外壁流下沉積在冷凝器底部,經液體管路流入貯液器。冷凝器底部裝有放油閥。

    立式冷凝器的優點是:占地面積小,可以安裝在室外;易清洗,且不必停止工作;不易堵塞,對水質要求不高。缺點是:耗水量大,水泵功率大;管子易腐蝕,且泄漏不易被發現。

    臥式冷凝器:臥式冷凝器(見圖3)的兩端管板外面用端蓋封閉,端蓋上鑄有分水隔板,把全部管束分隔成幾個管組(或流程)。冷卻水從一端的端蓋進入后,順序流過每個流程,最后從同一端蓋上部流出。這樣可提高管內水的流速,提高水側的放熱系數。冷凝器端蓋上部和下部分別設有放空氣和放水絲堵。

    臥式冷凝器的優點是傳熱系數高,用水量小,進出水溫容易控制,可以安裝在室內。缺點是冷卻水流動阻力較大,對水質要求高,清洗時需停止工作,泄漏不易發現。常用于水質較好、水溫較低、水量充足的地區,適用于中小型制冷系統。

                 

    水冷冷凝器應用最為廣泛,制冷用水冷冷凝器的殼程一般采用GB151或TEMA規定的E型或X型結構。如果采用E型結構,折流板的底部一般開有V形或梯形的缺口,主要用來泄放冷凝液體。如采用X型結構,最好在冷凝器的上部設置一個分配機構,盡量使過熱的制冷劑氣體平均掠過管束。根據制冷劑和冷卻循環水的不同換熱管采用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2、鈦TA2等材料。換熱管與管板的連接根據換熱管材質的不同,可以采用焊接、脹接或焊接與脹接相結合的方式。

    2·2·2　空冷式冷凝器(見圖4)

    以空氣為冷卻介質。制冷劑在管內流動過程中逐步冷卻、冷凝直至最后成為過冷液體。換熱管一般用紫銅管。空氣在風機的強迫作用下橫向掠過管外,帶走熱量并散發到周圍環境中。為了強化空氣側的傳熱,通常在管外加肋片,增加傳熱面積。

                 

    空冷式冷凝器最大特點是不需要水。因此,適用于缺水地區和氟利昂系統。空冷式冷凝器受環境溫度影響很大。夏季環境溫度如果很高,冷凝壓力就會很高;而冬季運行時應防止冷凝壓力過低,導致蒸發器供液不足,冰箱、空調制冷能力降低。風冷式冷凝器在空調、熱泵方面應用比較廣泛,比較有代表性的是翅片管換熱器,在熱泵機組中使用的翅片管換熱器主要有三種型式,即L形、平直形、V形。L形和平直形適用于容量較小(小于70 kW)的熱泵機組。這兩種型式的換熱器適用于側向吸風或向上斜吹風。而V形翅片換熱器則適用于中型熱泵機組(70~700 kW),換熱器分左右兩個成V形布置,制冷時由壓縮機排出的高壓氣體分兩路分別進入左右換熱器的匯總管,再分別進入各分路,在管內冷凝,冷凝后的液體在進入分配器后流出。

    2·2·3　蒸發式冷凝器(見圖5)

                 

    蒸發式冷凝器是近幾年發展起來的直接用濕空氣冷卻制冷劑的一種換熱器,以水和空氣共同作為冷卻介質,主要是利用部分水蒸發時(氣化潛熱)吸收制冷劑氣體的熱量實現制冷劑的冷凝(以少量的水帶走大量的冷凝排熱量)。主要由冷凝管組、淋水裝置、擋水柵、集水盤、循環水泵及風機等組成(相當于把水冷冷凝器與冷卻水塔、水泵、循環水池組合在一起)。擋水柵的作用是防止未蒸發的水滴被氣流帶走,減少水的消耗;水盤內的浮球閥是隨著水的消耗、水位降低時自動打開補充冷卻水。

    蒸發式冷凝器的優點是傳熱系數高,制冷劑的冷凝溫度比水冷冷凝器要低3~5℃,冷卻水消耗少,適用于缺水地區,運行管理費用較水冷式冷凝器低。缺點是維護比較麻煩,清洗困難;對水質要求高,應進行軟化處理;空氣濕度大時冷凝壓力會升高。

    主要的運行原理為:盤管內的高溫氣態制冷劑與盤管外的噴淋水和空氣進行熱交換,由氣態逐漸被冷凝為液態。引風機的超強風力使噴淋水完全包裹住盤管表面,水借風勢,換熱效果顯著增高。噴淋水與空氣吸收熱量后溫度升高,部分水由液態變成水蒸汽,氣化潛熱帶走大量排熱,熱空氣中的水分被擋水板攔截并收集到PVC熱交換層中, PVC熱交換層中的水被流過的空氣冷卻,溫度降低,進入集水槽中,再由循環水泵送入噴淋水系統中,繼續循環。散失到空氣中而損失的水分由水位調節控制器控制實現自動補充。

    3　經濟器

    經濟器一般應用在螺桿單級壓縮系統中,用來過冷制冷劑液體,提高在低溫運行時機組制冷量,制冷劑液體在進入經濟器前分成兩路,一小部分節流后進入換熱器管程或殼程來冷卻大部分進入殼程或管程的制冷劑液體,蒸發的制冷劑由壓縮機中間補氣口吸入,可明顯提高制冷量,同時由于增加了補氣量,軸功率略有增加,但COP值尤其在低溫時可得到明顯提高。

    經濟器也分為滿液式和干式兩種,結構與干式和滿液式蒸發器結構完全相同,設計與制造過程中可參考蒸發器,使用哪種型式主要由管程與殼程的熱阻分配情況來決定。現制造廠家多將經濟器帶于壓縮機組之上。

    4　中間冷卻器

    中間冷卻器應用在雙級或多級壓縮系統中,主要用來冷卻中間制冷劑的溫度,由于兩級節流的中間冷卻器僅僅是個容器,因此主要談一級節流循環的中間冷卻器。

                  

    A·低壓級壓縮機; B·高壓級壓縮機; C·冷凝器; D·中間冷凝器; E·蒸發器; F、G·節流閥。

    制冷系統中的一級節流中間冷卻器分為中間不完全冷卻和中間完全冷卻兩種,中間不完全冷卻中間冷卻器經常做成干式經濟器結構(見圖6),原理也與干式經濟器相同。工業制冷應用中最為廣泛的是中間完全冷卻中間冷卻器(見圖7),來自貯液器高壓液體分成兩路,一路進入浮球機構節流以后隨著低壓級的排氣進入中間冷卻器中制冷劑液體里面,通過中間冷卻器的氣液分離空間把制冷劑液體分離以后,純凈的制冷劑氣體進入高壓級的進氣口;另外一路制冷劑液體進入至中間冷卻器底部的盤管內部與管外的制冷劑液體進行熱交換,管內的制冷劑液體得到冷卻或過冷,管外的液體蒸發后進入高壓級壓縮機。

    5　冷卻器

    冷卻器(見圖8)的主要作用是對單相流體進行冷卻,例如油冷卻器、天然氣冷卻器等。從壓縮機排出的高溫高壓油氣混合物中分離出來的潤滑油溫度較高,不能再噴入壓縮機起潤滑冷卻作用,需經油冷卻器冷卻到壓縮機需要的粘度和溫度后才能重復使用。一般需控制噴油溫度在40℃左右,粘度適中。常用油冷卻器有水冷型和工質冷卻型。水冷型通常油在殼程沿折流板進行流動換熱,油的進出口均連接在管桶上。冷卻水的進出水均設在同一端蓋,水進管內,與油熱交換,冷卻效果與水流量和進水溫度有著密不可分的關系;工質冷卻型,油側與水冷型結構一樣,只有外殼為高壓設計,管內是經膨脹閥冷卻絕熱后的液體制冷劑。基本原理是,經冷凝器冷凝的制冷劑液體先進入輔助貯液器(虹吸罐),液面達到溢流口時液體經溢流口進入貯液器進而向蒸發器供液,而溢流口以下的液體經底部依靠重力作用流向螺桿壓縮機的油冷卻器,節流后蒸發帶走潤滑油的熱量,變成氣體回到輔助貯液器,分離出液體后,在壓縮機排氣作用下,又回到蒸發冷卻器入口繼續冷凝,循環復始。值得一提的是虹吸罐內的液面至油冷卻器進液口之間、冷凝器出液口至虹吸罐內的液面之間的位差一般是要確保的,因為只有保證了三者之間的相互位差才能使冷凝器、虹吸罐、油冷卻器內的壓力處于一個平衡的狀態,流動才能順暢并充分發揮各自的功效。天然氣冷卻器與上述的虹吸式蒸發器型式相同,只是天然氣側的壓力較高。冷卻器一般制作成GB151或TEMA規定的E型或X型結構。

                   

    6　液化器

    液化器(見圖9)主要用來液化天然氣中含碳量較高的烴類、氯氣等,通常情況下把液化氣體放到換熱管側,液化器殼程制作成GB151或TEMA規定的U型結構(U型換熱管),殼側采用制冷劑沸騰的型式,換熱管根據溫度、介質的腐蝕性等因素可以采用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2、鈦TA2等材料,類似于滿液式蒸發器。

                 

    7　結　論

    通過對上述換熱設備換熱原理、結構型式、材質及應用領域的分析,在工業制冷裝置換熱器的選擇方面需要根據工礦企業自身的自然條件、現場條件、運行經驗等因素進行綜合考慮,并且堅持高效率、低能耗、運行安全穩定、便于檢修維護的原則,進而取得滿意的經濟效益。隨著科學技術的進步及計算機模擬換熱數學模型的推廣普及,相信會出現更多、更高效的新型換熱器,而對于制造廠商來說,材料節省,成本降低,技術含量提升,經濟效益也會明顯提高。 

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作者簡介:張慶林(1972-),男,助理工程師, 1995年畢業于西安交通大學,工程學士學位,現在大連冷凍機股份有限公司經營計劃部石油化工專項項目組從事銷售和對外技術交流工作。