螺旋管束冷凝器

【學員問題】螺旋板殼式換熱器在冷凝器中的應(yīng)用？

【解答】一、冷凝器端部溫差對機組能耗的影響

當制冷機的壓縮機結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及制冷劑、確定后，能夠改變機組運行條件的是蒸發(fā)溫度To、和冷凝溫度Tk.其中影響能耗的首推冷凝溫度、Tk.當冷卻水進口溫度一定時，冷凝溫度Tk由冷、凝器端部溫差決定。下面以R22為例，比較不同冷凝溫度的理論節(jié)電效果。

蒸發(fā)和冷凝時，氣態(tài)和液態(tài)都處于飽和態(tài)。、蒸發(fā)溫度為2℃，此時對應(yīng)的飽和壓力Po為、530·8kPa，R22的盡熱指數(shù)k=1.16.、盡熱壓縮時，理論電功率W可用下式、計算[4-5]：

式中：W為盡熱壓縮時理論電功率（kW）；k為盡熱、指數(shù)；Po為蒸發(fā)壓力（kPa）；Vo為壓縮機的理論輸、氣量（m3/h）；Pk為冷凝壓力（kPa）。

表1為由式（1）計算得到的結(jié)果。

由表1可見，冷凝器端部溫差越小，理論電功、耗也越小。

以上分析是在沒有過冷條件下進行的，由于、螺旋板殼式換熱器的傳熱效率高，冷端端部溫差、小，有利于進步過冷度。對同一臺制冷機組而言，、節(jié)流前的過冷度愈大，節(jié)流后的干度就愈小，循環(huán)、的單位制冷量就愈大，制冷系數(shù)就會增大。

二　換熱芯可外抽的螺旋板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)簡介

本發(fā)明的特征在于：換熱芯總成與碳鋼制外、殼總成間，不用焊接，而用可拆卸的靜密封來保證、兩流體間的密封。換熱芯總成可以從外殼總成中、抽出，換熱芯具有傳熱、耐腐蝕和強度功能；而外、殼和其他結(jié)構(gòu)件總成，則由價格便宜的碳鋼制成，、當與外殼接觸的流體具有腐蝕性時，由于其無傳、熱任務(wù)，故可采用簡單而又便宜的涂層來防腐。、其他有效的技術(shù)措施是：在傳熱基板上軋制加強、筋或密布定距器件，以進步其穩(wěn)定性，減少其厚、度；采用翅片，盡量擴展二次換熱面，對于海上采、油平臺和遠洋艦船上用海水冷卻的冷凝器，可減、少珍貴特材的用量，而對于陸用機組，則可實現(xiàn)以、鋁代銅和以板代管，節(jié)約換熱器的材料購置費。、圖1是R22海水冷凝/冷卻器的結(jié)構(gòu)圖。上、部為正剖面示意圖，下部為兩側(cè)的剖視圖。鈦制、換熱芯為螺旋板式結(jié)構(gòu)，是2個同心的螺旋流道、（海水流道和R22流道），它們互不相通。海水由、右下部的進口管（R22流道封閉，而海水流道開口，參見B-B剖視圖）進進進口配流室，海水并聯(lián)、由右向左通過海水流道，進進出口配流室（R22流、道封閉，而海水流道開口，參見A-A剖視圖），最后、經(jīng)海水出口管外排。殼體總成由殼體、殼體法蘭、、活動蓋、固定蓋、氣態(tài)R22進口、液態(tài)R22出口、填、料函以及其他附加裝置（如安全報警、放氣排污口、和支架等）組成。

從壓縮機排出的氣態(tài)R22進進殼體，在換熱、芯內(nèi)被冷凝/冷卻成液態(tài)，經(jīng)節(jié)流后進進蒸發(fā)器，、再經(jīng)壓縮機壓縮，完成1個制冷循環(huán)。海水進出口、管靠填料函密封，同時也有效地消除了熱應(yīng)力。、換熱芯有支撐的浮動安置在殼體內(nèi)，卸掉活動蓋，、可以方便地從殼體外抽。運行時，殼程壓力大于、芯程壓力，故換熱芯是一個受外壓的容器，設(shè)計和、制造時，可以采取措施，來進步換熱芯的穩(wěn)定性，、為陸上機組使用材料強度較低的鋁提供了可能。、換熱芯可外抽，與殼體采用可拆卸的靜密封，解決、了異種金屬互焊性差的困難。承壓的外殼采用價、格便宜的碳鋼制造，為海上制冷機組節(jié)約珍貴特、材的消耗量，為陸上制冷機組實現(xiàn)以鋁代銅和以、板代管提供了技術(shù)上的可能性。

三　試驗流程和結(jié)果

3.1　試驗流程

利用中海油某浮式生產(chǎn)儲油輪進行試驗。該、輪有1臺水冷柜式空調(diào)機組，原來的R22冷凝器是管殼式，換熱管材質(zhì)是鎳黃銅，在南海海況下，壽命很短，一般不到2年。由于鈦材是海水耐腐蝕、之王，預期其壽命在10年以上。為考察螺旋板殼、式換熱器（圖2）的熱工性能和鈦材的耐腐蝕情況，、進行了對比試驗。對比的條件是：2臺冷凝器的換、熱面積、運行工況均相同，而結(jié)構(gòu)和材料不同。試驗流程見圖3.

3.2　試驗結(jié)果（表2）

由表2可見，固然2臺冷凝器換熱面積相同，冷、卻循環(huán)水的進出口溫差相同，但冷凝溫度可由45℃、降到32℃（端部溫差只有3℃）。對應(yīng)的飽和壓力、則由1729kPa降到1255kPa，壓縮機制冷劑的出口溫度，由98℃降低到88℃，壓縮性能耗降低13%左、右。試驗結(jié)果與上述理論計算比較接近。這表明螺、旋板殼式換熱用具有比較理想的熱工性能。、此外，由于螺旋板殼式換熱器的高溫端部溫差、比管殼式換熱器小得多，冷卻循環(huán)水的溫升一般可、達10℃[2-3]，是常規(guī)管殼式換熱器（冷卻循環(huán)水的5、℃）的2倍，故冷卻循環(huán)水量也可減少一半，整個制、冷系統(tǒng)的能耗可進一步降低。

四　陸上機組的冷凝器以鋁代銅的技術(shù)經(jīng)濟分析

4.1　以鋁代銅的技術(shù)可行性

鋁的低溫性能優(yōu)良，與R22的相溶性很好，導、熱性也不錯，但由于鋁的機械強度不高，與鋼材的、互焊性很差，未能取代銅材用于兩器（蒸發(fā)器和冷、凝器）。換熱芯可外抽的耐腐蝕雙軸向流螺旋板殼、式換熱器采用靜密封結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了鋼鋁間互、焊性差的困難，承壓的外殼用強度高的鋼材制造，可、外抽的換熱芯用鋁材制造，2種材料上風互補。銅、的導熱系數(shù)比鋁大77%，但由于厚度只有2mm，理、論和工程實踐都證實，材質(zhì)導熱系數(shù)的大小對總傳、熱系數(shù)影響不大（換熱面材質(zhì)的導熱系數(shù)不是換熱、器的總傳熱系數(shù)的主要控制因素）。固然鋁的線脹、系數(shù)比銅大40%，由于螺旋板殼式結(jié)構(gòu)能夠有效消除熱應(yīng)力，技術(shù)上也就不存在題目。

4.2　以鋁代銅的經(jīng)濟上的公道性

下面再對其經(jīng)濟上的公道性進行評估。表3列出了可以作為換熱間壁的幾種金屬材料的物理、性能。由表3可見，銅的密度是鋁的3.3倍，當換、熱間壁厚度相等時，單位換熱面積的銅消耗量是、鋁的3.3倍。按現(xiàn)時國內(nèi)市場價，銅的價格是鋁的、3.5倍，當換熱間壁的厚度相等時，單位換熱表面、銅的材料購置費約為鋁的11.6倍。在實際工程、中，為降低本錢，目前冷凝器的銅管壁厚一般只有、1mm，而為確保焊接質(zhì)量，螺旋板殼式換熱器的換、熱芯的厚度是2mm，因此，即便考慮到壁厚的不、同，以鋁代銅，仍可節(jié)約換熱器的材料購置費80%、以上，經(jīng)濟效益非?？捎^。

五　結(jié)論與題目討論

5.1　結(jié)論

對中海油某浮式生產(chǎn)儲油輪上水冷機組的冷、凝器進行了管殼式和螺旋板殼式的對比試驗。結(jié)、果表明：固然2臺換熱器的面積相等、冷卻循環(huán)水、的進出口溫度相同，但冷凝溫度可由管殼式的45℃降到螺旋板殼式的32℃。壓縮性能耗降低、13%左右。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果接近。采用、換熱芯可以外抽的結(jié)構(gòu)型式，解決了鈦、鋁與鋼互、焊性差的困難，用于海上制冷機組，可減少價格昂、貴的特材（鈦）的消耗量；用于陸上制冷機組，可實、現(xiàn)以鋁代銅和以板代管，可降低冷凝器的材料購、置費80%以上。螺旋板殼式換熱用具有端部溫差、小的上風，可進步冷凝器的過冷度和蒸發(fā)器的過、熱度，增加換熱能力。因此可進步機組的能效比、和降低冷卻循環(huán)水的循環(huán)量，促進節(jié)能減排。這、些優(yōu)點，更適宜其在水源熱泵熱水器中推廣。

5.2　題目討論

盡管螺旋板殼式換熱器已經(jīng)應(yīng)用于石化產(chǎn)業(yè)、中的大型裝置，例如，用于荊門石化1臺塔頂汽油、冷凝冷卻器，原設(shè)備是銅管浮頭管殼式換熱器，采用螺旋板殼式換熱器后（304不銹鋼換熱芯鋼制外、殼，由于304不銹鋼和碳鋼互焊性好，未采用換熱、芯可外抽結(jié)構(gòu)），總傳熱系數(shù)進步1倍，單位熱負荷、金屬消耗量節(jié)約60%，循環(huán)水帶熱能力進步、40%.盡管上述工況和R22冷凝器相近，但螺、旋板殼式換熱器還是首次涉足制冷機組，筆者所、得出的結(jié)果，只是初步的，而且負荷太小。筆者提、出“以鋁代銅”的設(shè)想，仍然有待實踐檢驗。

以上內(nèi)容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。