螺旋管束冷凝器分類

【學(xué)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(jī)組能耗的影響

當(dāng)制冷機(jī)的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及制冷劑、確定后，能夠改變機(jī)組運(yùn)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(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度一定時(shí)，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(shí)，氣態(tài)和液態(tài)都處于飽和態(tài)。、蒸發(fā)溫度為2℃，此時(shí)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(shí)，理論電功率W可用下式、計(jì)算[4-5]：

式中：W為盡熱壓縮時(shí)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(jī)的理論輸、氣量（m3/h）；Pk為冷凝壓力（kPa）。

表1為由式（1）計(jì)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(jìn)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(jìn)步過冷度。對同一臺制冷機(jī)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(qiáng)度功能；而外、殼和其他結(jié)構(gòu)件總成，則由價(jià)格便宜的碳鋼制成，、當(dāng)與外殼接觸的流體具有腐蝕性時(shí)，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(qiáng)、筋或密布定距器件，以進(jìn)步其穩(wěn)定性，減少其厚、度；采用翅片，盡量擴(kuò)展二次換熱面，對于海上采、油平臺和遠(yuǎn)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(jī)組，則可實(shí)現(xiàn)以、鋁代銅和以板代管，節(jié)約換熱器的材料購置費(fèi)。、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(gè)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(jìn)口管（R22流道封閉，而海水流道開口，參見B-B剖視圖）進(jìn)進(jìn)進(jìn)口配流室，海水并聯(lián)、由右向左通過海水流道，進(jìn)進(jìn)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(jìn)口、液態(tài)R22出口、填、料函以及其他附加裝置（如安全報(bào)警、放氣排污口、和支架等）組成。

從壓縮機(jī)排出的氣態(tài)R22進(jìn)進(jìn)殼體，在換熱、芯內(nèi)被冷凝/冷卻成液態(tài)，經(jīng)節(jié)流后進(jìn)進(jìn)蒸發(fā)器，、再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，完成1個(gè)制冷循環(huán)。海水進(jìn)出口、管靠填料函密封，同時(shí)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(yùn)行時(shí)，殼程壓力大于、芯程壓力，故換熱芯是一個(gè)受外壓的容器，設(shè)計(jì)和、制造時(shí)，可以采取措施，來進(jìn)步換熱芯的穩(wěn)定性，、為陸上機(jī)組使用材料強(qiáng)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(jià)、格便宜的碳鋼制造，為海上制冷機(jī)組節(jié)約珍貴特、材的消耗量，為陸上制冷機(jī)組實(shí)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(yàn)流程和結(jié)果

3.1　試驗(yàn)流程

利用中海油某浮式生產(chǎn)儲油輪進(jìn)行試驗(yàn)。該、輪有1臺水冷柜式空調(diào)機(jī)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(yù)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(jìn)行了對比試驗(yàn)。對比的條件是：2臺冷凝器的換、熱面積、運(yùn)行工況均相同，而結(jié)構(gòu)和材料不同。試驗(yàn)流程見圖3.

3.2　試驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(yàn)結(jié)果與上述理論計(jì)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(dá)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(gè)制、冷系統(tǒng)的能耗可進(jìn)一步降低。

四　陸上機(jī)組的冷凝器以鋁代銅的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dǎo)、熱性也不錯(cuò)，但由于鋁的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(fēng)互補(bǔ)。銅、的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁大77%，但由于厚度只有2mm，理、論和工程實(shí)踐都證實(shí)，材質(zhì)導(dǎo)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(dǎo)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(jì)上的公道性

下面再對其經(jīng)濟(jì)上的公道性進(jìn)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(dāng)換、熱間壁厚度相等時(shí)，單位換熱面積的銅消耗量是、鋁的3.3倍。按現(xiàn)時(shí)國內(nèi)市場價(jià)，銅的價(jià)格是鋁的、3.5倍，當(dāng)換熱間壁的厚度相等時(shí)，單位換熱表面、銅的材料購置費(fèi)約為鋁的11.6倍。在實(shí)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(fèi)80%、以上，經(jīng)濟(jì)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(jī)組的冷、凝器進(jìn)行了管殼式和螺旋板殼式的對比試驗(yàn)。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(jìn)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(yàn)結(jié)果與理論計(jì)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(jī)組，可減少價(jià)格昂、貴的特材（鈦）的消耗量；用于陸上制冷機(jī)組，可實(shí)、現(xiàn)以鋁代銅和以板代管，可降低冷凝器的材料購、置費(fèi)80%以上。螺旋板殼式換熱用具有端部溫差、小的上風(fēng)，可進(jìn)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(jìn)步機(jī)組的能效比、和降低冷卻循環(huán)水的循環(huán)量，促進(jìn)節(jié)能減排。這、些優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)步1倍，單位熱負(fù)荷、金屬消耗量節(jié)約60%，循環(huán)水帶熱能力進(jìn)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(jī)組，筆者所、得出的結(jié)果，只是初步的，而且負(fù)荷太小。筆者提、出“以鋁代銅”的設(shè)想，仍然有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

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