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冷水机常用换热器

                   冷水机常用换热器
                                   
 
    摘要:介绍几种冷水机行业中常用的换热器型式的机理和设计、应用经验。
 
    在冷水机系统中,制冷换热设备一般按照换热器在制冷装置中所起的作用进行分类,可以分为蒸发器、冷凝器、经济器、中间冷却器、冷却器、液化器等,如果按照换热器的结构来分类,又可分为管壳式换热器与板式换热器。本文将对管壳式换热器进行详细探讨,板式换热器则另文阐述。
 
    1 蒸发器
 
    蒸发器是制冷系统的主要热交换设备。利用制冷剂液体在较低温度下蒸发,吸收被冷却介质的热量使之温度降低。
 
    1·1 蒸发器中的传热
 
    影响蒸发器传热系数的因素主要有: 1·制冷剂的物理特性、沸腾状态、蒸发器结构; 2·被冷却介质流动状态、传热表面几何特性; 3·传热表面污染程度,主要是油、铁锈、霜层。
 
    1·2 蒸发器的形式和结构
 
    主要用于载冷剂系统,用来冷却水或盐水、乙二醇等载冷剂,再由载冷剂去冷却被冷却物体。根据蒸发器外形可以分为立管(螺旋管)式蒸发器和卧式管壳式蒸发器。
 
    1.立管(螺旋管)式蒸发器是制冷剂在管内蒸发,蒸发器沉浸在载冷剂箱内。这两种蒸发器只能用于开式循环系统,载冷剂必须是非挥发性的,如盐水和水等。为保证载冷剂在箱内以一定的速度循环,箱内焊有纵向隔板并装有螺旋搅拌器。载冷剂流速为0·3~0·7m/s以增强换热。这种系统因为载冷剂容易和空气接触,蒸发管容易腐蚀,盐水易吸潮变稀。水箱应采取必要的密封措施,见图1。
 
               
 
    2.卧式管壳式蒸发器根据制冷剂的蒸发方式不同,又分为干式蒸发器、满液式蒸发器和热虹吸式蒸发器。
 
    干式蒸发器(见图2)是液体制冷剂经节流后从蒸发器一端的端盖进入管程,端盖上铸有隔板,制冷剂经过两个或多个流程蒸发并吸收载冷剂的热量后从同一个端盖出来后进入压缩机。如果端盖隔板垫片泄漏,会使制冷剂短路,造成回液及制冷能力下降。这种蒸发器的主要特点是:制冷剂在管内完全蒸发并过热成为过热气体,这有利于使用热力膨胀阀自动调节供液量。通常使用的制冷剂有R22、R134a、R407C、R410A等。因为制冷剂管内蒸发,只要管内流速超过4 m/s,就可以把管内的润滑油带回压缩机,回油方便。在设计当中,壳程采用GB151或TEMA规定的E型结构(折流板型式),折流板的缺口大小根据载冷剂的物理性质与流量大小开15% ~50%的缺口,通常情况下,折流板缺口的流速与载冷剂横向掠过管束的流速大致相等,为了保证换热效果,折流板与圆筒的间隙、换热管与折流板的间隙要小于等于GB151或TEMA规定的最小间隙,特别是在低温情况下,这些间隙显得尤为重要,由于在低温情况下,载冷剂一般为高粘度流体,流速慢,热阻相对增大,间隙泄漏更加明显,所以在低温情况下对间隙的控制一定要更加严格。换热管采用内部强化的高效换热管,换热管内部采用螺旋线沟槽的型式,一般内部有32~75个沟槽,主要用来增强管内的传热效果,有时换热管的外部也做相应的强化,换热管根据载冷剂的不同可采用紫铜T2、高磷紫铜TP2、镍铜BFe10-1-1、锡铜HSn70-1、铝铜HA177-2等材料。换热管与管板一般采用胀接的连接方式,在制冷剂进口一般设置一套分配器用来平均分配气液混合物,干式蒸发器一般适合在排量小于2000 m3/h的压缩机制冷系统中使用,在大型系统中由于制冷剂的分配不均问题,最好不使用此类型的蒸发器。
 
                 
 
    3.满液式蒸发器结构与干式蒸发器相似,只不过载冷剂走管程,制冷剂走壳程。制冷剂液体从筒体下部进入,壳程内沸腾,从上部的气液分离器或回气包回气,分离的液滴仍流回蒸发器。满液式蒸发器的充液量大,传热温差小,相同的冷媒温度蒸发温度高,制冷量大。为防止过高的液面会使未汽化的液体随沸腾的气泡带出蒸发器,进入压缩机引起液击,通常采用液位控制器来控制蒸发器内液面的高度,大多设有气液分离器。制冷剂为氨时,液位为筒体的70% ~80%;制冷剂为氟利昂时,液位为筒体的55% ~65%。满液式蒸发器的缺点是回油困难,尤其是制冷剂为氟利昂时。设计中,壳程采用GB151或TEMA规定的X型结构(管束采用少数支撑板支撑),制冷剂的进口设有均液板,用来平均分配掠过管束的制冷剂,壳程上部一般留有一定的沸腾空间与气液分离的空间,对于一些大型满液式蒸发器为了减少桶径,仅仅留有少量的沸腾空间,同时在蒸发器上部配备一个气液分离器(原因同上),对于R22、R134a等的HCFC类制冷剂,为了节省铜材,强化管内的换热效果,常采用外部强化的高效换热管。随着高效传热技术的发展,在中大型空调机组中,管外的换热系数已经高于管内的换热系数,因此管内也做了相应的强化。所用制冷剂种类与换热管材质及管与管板的联结型式同干式。满液式蒸发器一般应用于载冷剂粘度较小即在使用条件下流动性非常好的场合。
 
    4.热虹吸蒸发器,来自经济器的过冷制冷剂液体经过节流阀节流后先进入气液分离器,气体制冷剂被压缩机吸回,液体靠重力作用进入蒸发器,在气液分离器中精确地控制液位,使得虹吸蒸发器的制冷剂侧的循环量大于蒸发量,制冷剂侧的换热效果得到明显的改善。虹吸蒸发器采用立式或卧式结构,对于卧式虹吸蒸发器,蒸发的制冷剂一般安排在壳侧,载冷剂或需要冷却的介质放在管侧;对于立式虹吸蒸发器而言,蒸发的制冷剂一般安排在管侧,载冷剂或需要冷却的介质放在壳侧,但是对于一些需要冷却高粘度流体的场合,蒸发的制冷剂也可以安排在管内。立式虹吸蒸发器的管程一般设计为1个流程,卧式虹吸蒸发器的管程可以为多流程。换热管采用碳钢、紫铜T2、高磷紫铜TP2、镍铜BFe10-1-1、锡铜HSn70-1、铝铜HA177-2、钛TA2等材料。换热管与管板的连接根据换热管材质的不同可以采用焊接、胀接或焊接与胀接相结合的方式。热虹吸蒸发器一般用在冷水机润滑油冷却、低温液化等场合,尤其是在石化行业,因为保证了高粘度盐水在低温下的换热性能和高等级无缝管换热管的采用(保证蒸发器的耐腐蚀性与可靠性),故使用越来越广泛。
 
    2 冷凝器
 
    冷凝器是蒸气压缩式制冷系统的四大部件之一,是将压缩机排放的高温制冷剂气体冷凝成饱和或过冷液体的设备。通过冷凝器,将热负荷(制冷场所、电机功耗)传递给环境介质(水或空气)。
 
    2·1 冷凝器的传热
 
    2·1·1 制冷剂侧
 
    油膜的影响:氟利昂系统中,油和制冷剂在冷凝器中互溶,对传热没有影响;在氨系统中,油膜会严重影响换热,必须及时排放冷凝器底部的存油。
 
    不凝性气体的影响:会占据一定的换热空间并提高冷凝压力,应及时排放。氨系统必须通过空气分离器排放,氟系统可以通过冷凝器上部的放空阀排放。
 
    制冷剂充注量:过多的充注量会减少冷凝面积,导致冷凝压力升高,应加以控制。
 
    2·1·2 冷却介质侧(水或空气)
 
    冷却介质流速的影响:适当的流速会提高放热系数并降低污垢的沉积。水为冷却介质的,水的流速为0·8~1·2 m/s (氨,钢管),或小于2·5 m/s(氟,铜管);空气为冷却介质的,空气流速为2~4 m/s。
 
    污垢的影响:污垢的导热系数比较小,会影响热量的传递,应当尽量避免并及时排除。水冷式冷凝器水侧污垢包括水垢、锈蚀、泥沙等。对水质较差的,应采取软化处理或用水池沉积泥沙。冷凝器的水路一般走管程,可以采取机械式清洗或化学方法清洗。空冷式冷凝器空气侧的污垢主要有灰尘、油污和锈蚀物等。要采取防尘、防腐处理。
 
    2·2 冷凝器的结构
 
    冷凝器的类型很多,按其带走热量的方式,可分为三类。
 
    2·2·1 水冷式冷凝器
 
    水冷式冷凝器由于采用水作为冷却介质,而水温通常又比较低,所以可以获得较低的冷凝温度,有利于提高制冷能力,降低运行费用,应用十分广泛。水冷式冷凝器又分为立式和卧式两种。
 
    立式冷凝器:冷凝器顶部装有配水箱,可以将水均匀地分配给各个管口的分水头,沿管内壁螺旋状流下,与管外的高温气体进行热交换。制冷剂蒸气放出热量后,冷凝成液体后沿管外壁流下沉积在冷凝器底部,经液体管路流入贮液器。冷凝器底部装有放油阀。
 
    立式冷凝器的优点是:占地面积小,可以安装在室外;易清洗,且不必停止工作;不易堵塞,对水质要求不高。缺点是:耗水量大,水泵功率大;管子易腐蚀,且泄漏不易被发现。
 
    卧式冷凝器:卧式冷凝器(见图3)的两端管板外面用端盖封闭,端盖上铸有分水隔板,把全部管束分隔成几个管组(或流程)。冷却水从一端的端盖进入后,顺序流过每个流程,最后从同一端盖上部流出。这样可提高管内水的流速,提高水侧的放热系数。冷凝器端盖上部和下部分别设有放空气和放水丝堵。
 
    卧式冷凝器的优点是传热系数高,用水量小,进出水温容易控制,可以安装在室内。缺点是冷却水流动阻力较大,对水质要求高,清洗时需停止工作,泄漏不易发现。常用于水质较好、水温较低、水量充足的地区,适用于中小型制冷系统。
 
                 
 
    水冷冷凝器应用最为广泛,制冷用水冷冷凝器的壳程一般采用GB151或TEMA规定的E型或X型结构。如果采用E型结构,折流板的底部一般开有V形或梯形的缺口,主要用来泄放冷凝液体。如采用X型结构,最好在冷凝器的上部设置一个分配机构,尽量使过热的制冷剂气体平均掠过管束。根据制冷剂和冷却循环水的不同换热管采用碳钢、紫铜T2、高磷紫铜TP2、镍铜BFe10-1-1、锡铜HSn70-1、铝铜HA177-2、钛TA2等材料。换热管与管板的连接根据换热管材质的不同,可以采用焊接、胀接或焊接与胀接相结合的方式。
 
    2·2·2 空冷式冷凝器(见图4)
 
    以空气为冷却介质。制冷剂在管内流动过程中逐步冷却、冷凝直至最后成为过冷液体。换热管一般用紫铜管。空气在风机的强迫作用下横向掠过管外,带走热量并散发到周围环境中。为了强化空气侧的传热,通常在管外加肋片,增加传热面积。
 
                 
 
    空冷式冷凝器最大特点是不需要水。因此,适用于缺水地区和氟利昂系统。空冷式冷凝器受环境温度影响很大。夏季环境温度如果很高,冷凝压力就会很高;而冬季运行时应防止冷凝压力过低,导致蒸发器供液不足,冰箱、空调制冷能力降低。风冷式冷凝器在空调、热泵方面应用比较广泛,比较有代表性的是翅片管换热器,在热泵机组中使用的翅片管换热器主要有三种型式,即L形、平直形、V形。L形和平直形适用于容量较小(小于70 kW)的热泵机组。这两种型式的换热器适用于侧向吸风或向上斜吹风。而V形翅片换热器则适用于中型热泵机组(70~700 kW),换热器分左右两个成V形布置,制冷时由压缩机排出的高压气体分两路分别进入左右换热器的汇总管,再分别进入各分路,在管内冷凝,冷凝后的液体在进入分配器后流出。
 
    2·2·3 蒸发式冷凝器(见图5)
 
                 
 
    蒸发式冷凝器是近几年发展起来的直接用湿空气冷却制冷剂的一种换热器,以水和空气共同作为冷却介质,主要是利用部分水蒸发时(气化潜热)吸收制冷剂气体的热量实现制冷剂的冷凝(以少量的水带走大量的冷凝排热量)。主要由冷凝管组、淋水装置、挡水栅、集水盘、循环水泵及风机等组成(相当于把水冷冷凝器与冷却水塔、水泵、循环水池组合在一起)。挡水栅的作用是防止未蒸发的水滴被气流带走,减少水的消耗;水盘内的浮球阀是随着水的消耗、水位降低时自动打开补充冷却水。
 
    蒸发式冷凝器的优点是传热系数高,制冷剂的冷凝温度比水冷冷凝器要低3~5℃,冷却水消耗少,适用于缺水地区,运行管理费用较水冷式冷凝器低。缺点是维护比较麻烦,清洗困难;对水质要求高,应进行软化处理;空气湿度大时冷凝压力会升高。
 
    主要的运行原理为:盘管内的高温气态制冷剂与盘管外的喷淋水和空气进行热交换,由气态逐渐被冷凝为液态。引风机的超强风力使喷淋水完全包裹住盘管表面,水借风势,换热效果显著增高。喷淋水与空气吸收热量后温度升高,部分水由液态变成水蒸汽,气化潜热带走大量排热,热空气中的水分被挡水板拦截并收集到PVC热交换层中, PVC热交换层中的水被流过的空气冷却,温度降低,进入集水槽中,再由循环水泵送入喷淋水系统中,继续循环。散失到空气中而损失的水分由水位调节控制器控制实现自动补充。
 
    3 经济器
 
    经济器一般应用在螺杆单级压缩系统中,用来过冷制冷剂液体,提高在低温运行时机组制冷量,制冷剂液体在进入经济器前分成两路,一小部分节流后进入换热器管程或壳程来冷却大部分进入壳程或管程的制冷剂液体,蒸发的制冷剂由压缩机中间补气口吸入,可明显提高制冷量,同时由于增加了补气量,轴功率略有增加,但COP值尤其在低温时可得到明显提高。
 
    经济器也分为满液式和干式两种,结构与干式和满液式蒸发器结构完全相同,设计与制造过程中可参考蒸发器,使用哪种型式主要由管程与壳程的热阻分配情况来决定。现制造厂家多将经济器带于压缩机组之上。
 
    4 中间冷却器
 
    中间冷却器应用在双级或多级压缩系统中,主要用来冷却中间制冷剂的温度,由于两级节流的中间冷却器仅仅是个容器,因此主要谈一级节流循环的中间冷却器。
 
                  
 
    A·低压级压缩机; B·高压级压缩机; C·冷凝器; D·中间冷凝器; E·蒸发器; F、G·节流阀。
 
    制冷系统中的一级节流中间冷却器分为中间不完全冷却和中间完全冷却两种,中间不完全冷却中间冷却器经常做成干式经济器结构(见图6),原理也与干式经济器相同。冷水机应用中最为广泛的是中间完全冷却中间冷却器(见图7),来自贮液器高压液体分成两路,一路进入浮球机构节流以后随着低压级的排气进入中间冷却器中制冷剂液体里面,通过中间冷却器的气液分离空间把制冷剂液体分离以后,纯净的制冷剂气体进入高压级的进气口;另外一路制冷剂液体进入至中间冷却器底部的盘管内部与管外的制冷剂液体进行热交换,管内的制冷剂液体得到冷却或过冷,管外的液体蒸发后进入高压级压缩机。
 
    5 冷却器
 
    冷却器(见图8)的主要作用是对单相流体进行冷却,例如油冷却器、天然气冷却器等。从压缩机排出的高温高压油气混合物中分离出来的润滑油温度较高,不能再喷入压缩机起润滑冷却作用,需经油冷却器冷却到压缩机需要的粘度和温度后才能重复使用。一般需控制喷油温度在40℃左右,粘度适中。常用油冷却器有水冷型和工质冷却型。水冷型通常油在壳程沿折流板进行流动换热,油的进出口均连接在管桶上。冷却水的进出水均设在同一端盖,水进管内,与油热交换,冷却效果与水流量和进水温度有着密不可分的关系;工质冷却型,油侧与水冷型结构一样,只有外壳为高压设计,管内是经膨胀阀冷却绝热后的液体制冷剂。基本原理是,经冷凝器冷凝的制冷剂液体先进入辅助贮液器(虹吸罐),液面达到溢流口时液体经溢流口进入贮液器进而向蒸发器供液,而溢流口以下的液体经底部依靠重力作用流向螺杆压缩机的油冷却器,节流后蒸发带走润滑油的热量,变成气体回到辅助贮液器,分离出液体后,在压缩机排气作用下,又回到蒸发冷却器入口继续冷凝,循环复始。值得一提的是虹吸罐内的液面至油冷却器进液口之间、冷凝器出液口至虹吸罐内的液面之间的位差一般是要确保的,因为只有保证了三者之间的相互位差才能使冷凝器、虹吸罐、油冷却器内的压力处于一个平衡的状态,流动才能顺畅并充分发挥各自的功效。天然气冷却器与上述的虹吸式蒸发器型式相同,只是天然气侧的压力较高。冷却器一般制作成GB151或TEMA规定的E型或X型结构。
 
                   
 
    6 液化器
 
    液化器(见图9)主要用来液化天然气中含碳量较高的烃类、氯气等,通常情况下把液化气体放到换热管侧,液化器壳程制作成GB151或TEMA规定的U型结构(U型换热管),壳侧采用制冷剂沸腾的型式,换热管根据温度、介质的腐蚀性等因素可以采用碳钢、紫铜T2、高磷紫铜TP2、镍铜BFe10-1-1、锡铜HSn70-1、铝铜HA177-2、钛TA2等材料,类似于满液式蒸发器。
 
                 
 
    7 结 论
 
    通过对上述换热设备换热原理、结构型式、材质及应用领域的分析,在冷水机装置换热器的选择方面需要根据工矿企业自身的自然条件、现场条件、运行经验等因素进行综合考虑,并且坚持高效率、低能耗、运行安全稳定、便于检修维护的原则,进而取得满意的经济效益。随着科学技术的进步及计算机模拟换热数学模型的推广普及,相信会出现更多、更高效的新型换热器,而对于制造厂商来说,材料节省,成本降低,技术含量提升,经济效益也会明显提高