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螺旋板壳式换热器在制冷机组冷凝器中的应用


水冷空调机中冷凝器进行螺旋板壳式和管壳式的对比试验。结果 表明:在换热面积相等、冷却水的进出口温度相同的条件下,冷凝温度可由管壳式的45℃降到螺旋板壳式 的32℃;压缩机能耗降低13%。试验结果与理论计算结果相近。此外,由于螺旋板壳式换热器的换热芯可 以外抽,用于海上制冷机组,可减少价格昂贵的特材(钛)的消耗量;用于陆上制冷机组,可实现以铝代铜,降 低冷凝器的材料购置费80%以上。
关键词:水冷机组 管壳式 螺旋板壳式 冷凝器 节能减排
中国国际投资贸易发展研究中心在“2007年 中国机械制造行业现状与发展分析报告”中指出: “空调厂家面临能效门槛抬高之困……”[1],这说明 能效高低将成为空调行业提高产品竞争力的核心。 提高机组能效的途径有很多,如:寻求新的制 冷循环和制冷剂,选择性能优良的两器(蒸发器和 冷凝器)。前者有不确定因素,投入多、难度大;后者则立竿见影。当制冷循环、制冷剂、压缩机型号 和工况确定后,机组的能效取决于两器的性能,关 键决定于冷凝器冷端端部温差(冷却循环水的进 口温度和制冷剂的冷凝温度之差)。工程实践表 明,螺旋板壳式换热器冷热流体的冷端端部温差 为2~3℃[2-3](而管壳式大于10℃)。螺旋板壳式 换热器是一种提高机组能效的新型高效换热器。 为防止海水腐蚀,海上机组的冷凝器的理想 材料是钛,但是钛的价格过高,并且与碳钢的互焊 性很差;陆上机组采用铝制换热芯,可实现以铝代 铜和以板代管。
1 冷凝器端部温差对机组能耗的影响
当制冷机的压缩机结构、尺寸、转速及制冷剂 确定后,能够改变机组运行条件的是蒸发温度To 和冷凝温度Tk。其中影响能耗的首推冷凝温度 Tk。当冷却水进口温度一定时,冷凝温度Tk由冷 凝器端部温差决定。下面以R22为例,比较不同 冷凝温度的理论节电效果。
蒸发和冷凝时,气态和液态都处于饱和态。 蒸发温度为2℃,此时对应的饱和压力Po为 530·8kPa,R22的绝热指数k=1.16。 式中:W为绝热压缩时理论电功率(kW);k为绝热 指数;Po为蒸发压力(kPa);Vo为压缩机的理论输 气量(m3/h);Pk为冷凝压力(kPa)。
由表1可见,冷凝器端部温差越小,理论电功 耗也越小。
以上分析是在没有过冷条件下进行的,由于 螺旋板壳式换热器的传热效率高,冷端端部温差 小,有利于提高过冷度。对同一台制冷机组而言, 节流前的过冷度愈大,节流后的干度就愈小,循环 的单位制冷量就愈大,制冷系数就会增大。
2 换热芯可外抽的螺旋板壳式换热器的结构简介[6]
本发明的特征在于:换热芯总成与碳钢制外 壳总成间,不用焊接,而用可拆卸的静密封来保证 两流体间的密封。换热芯总成可以从外壳总成中 抽出,换热芯具有传热、耐腐蚀和强度功能;而外 壳和其他结构件总成,则由价格便宜的碳钢制成, 当与外壳接触的流体具有腐蚀性时,由于其无传 热任务,故可采用简单而又便宜的涂层来防腐。 其他有效的技术措施是:在传热基板上轧制加强 筋或密布定距器件,以提高其稳定性,减少其厚 度;采用翅片,尽量扩展二次换热面,对于海上采 油平台和远洋舰船上用海水冷却的冷凝器,可减 少贵重特材的用量,而对于陆用机组,则可实现以 铝代铜和以板代管,节约换热器的材料购置费。 图1是R22海水冷凝/冷却器的结构图。上 部为正剖面示意图,下部为两侧的剖视图。钛制 换热芯为螺旋板式结构,是2个同心的螺旋流道 (海水流道和R22流道),它们互不相通。海水由 右下部的进口管(R22流道封闭,而海水流道开口,参见B-B剖视图)进入进口配流室,海水并联 由右向左通过海水流道,进入出口配流室(R22流 道封闭,而海水流道开口,参见A-A剖视图),最后 经海水出口管外排。壳体总成由壳体、壳体法兰、 活动盖、固定盖、气态R22进口、液态R22出口、填 料函以及其他附加装置(如安全报警、放气排污口 和支架等)组成。
从压缩机排出的气态R22进入壳体,在换热 芯内被冷凝/冷却成液态,经节流后进入蒸发器, 再经压缩机压缩,完成1个制冷循环。海水进出口 管靠填料函密封,同时也有效地消除了热应力。 换热芯有支撑的浮动安置在壳体内,卸掉活动盖, 可以方便地从壳体外抽。运行时,壳程压力大于 芯程压力,故换热芯是一个受外压的容器,设计和 制造时,可以采取措施,来提高换热芯的稳定性, 为陆上机组使用材料强度较低的铝提供了可能。 换热芯可外抽,与壳体采用可拆卸的静密封,解决 了异种金属互焊性差的难题。承压的外壳采用价 格便宜的碳钢制造,为海上制冷机组节约贵重特 材的消耗量,为陆上制冷机组实现以铝代铜和以 板代管提供了技术上的可能性。
3 试验流程和结果
3.1 试验流程
利用中海油某浮式生产储油轮进行试验。该 轮有1台水冷柜式空调机组,原来的R22冷凝器 是管壳式,换热管材质是镍黄铜,在南海海况下,寿命很短,一般不到2年。由于钛材是海水耐腐蚀 之王,预期其寿命在10年以上。为考察螺旋板壳 式换热器(图2)的热工性能和钛材的耐腐蚀情况, 进行了对比试验。对比的条件是:2台冷凝器的换 热面积、运行工况均相同,而结构和材料不同。试 验流程见图3。

 

3.2 试验结果(表2)
由表2可见,虽然2台冷凝器换热面积相同,冷 却循环水的进出口温差相同,但冷凝温度可由45℃ 降到32℃(端部温差只有3℃)。对应的饱和压力 则由1729kPa降到1255kPa,压缩机制冷剂的出口温度,由98℃降低到88℃,压缩机能耗降低13%左 右。试验结果与上述理论计算比较接近。这表明螺 旋板壳式换热器具有比较理想的热工性能。 此外,由于螺旋板壳式换热器的高温端部温差 比管壳式换热器小得多,冷却循环水的温升一般可 达10℃[2-3],是常规管壳式换热器(冷却循环水的5 ℃)的2倍,故冷却循环水量也可减少一半,整个制 冷系统的能耗可进一步降低。

4 陆上机组的冷凝器以铝代铜的技术经济分析
4.1 以铝代铜的技术可行性
铝的低温性能优良,与R22的相溶性很好,导 热性也不错,但由于铝的机械强度不高,与钢材的 互焊性很差,未能取代铜材用于两器(蒸发器和冷 凝器)。换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋板壳 式换热器采用静密封结构,巧妙地解决了钢铝间互 焊性差的难题,承压的外壳用强度高的钢材制造,可 外抽的换热芯用铝材制造,2种材料优势互补。铜 的导热系数比铝大77%,但由于厚度只有2mm,理 论和工程实践都证明,材质导热系数的大小对总传 热系数影响不大(换热面材质的导热系数不是换热 器的总传热系数的主要控制因素)。虽然铝的线胀 系数比铜大40%,由于螺旋板壳式结构能够有效消除热应力,技术上也就不存在问题。
4.2 以铝代铜的经济上的合理性
下面再对其经济上的合理性进行评估。表 列出了可以作为换热间壁的几种金属材料的物理 性能。由表3可见,铜的密度是铝的3.3倍,当换 热间壁厚度相等时,单位换热面积的铜消耗量是 铝的3.3倍。按现时国内市场价,铜的价格是铝的 3.5倍,当换热间壁的厚度相等时,单位换热表面 铜的材料购置费约为铝的11.6倍。在实际工程 中,为降低成本,目前冷凝器的铜管壁厚一般只有 1mm,而为确保焊接质量,螺旋板壳式换热器的换 热芯的厚度是2mm,因此,即便考虑到壁厚的不 同,以铝代铜,仍可节约换热器的材料购置费80% 以上,经济效益非常可观。

5 结论与问题讨论
5.1 结论
对中海油某浮式生产储油轮上水冷机组的冷 凝器进行了管壳式和螺旋板壳式的对比试验。结 果表明:虽然2台换热器的面积相等、冷却循环水 的进出口温度相同,但冷凝温度可由管壳式的45 ℃降到螺旋板壳式的32℃。压缩机能耗降低 13%左右。试验结果与理论计算结果接近。采用 换热芯可以外抽的结构型式,解决了钛、铝与钢互 焊性差的难题,用于海上制冷机组,可减少价格昂 贵的特材(钛)的消耗量;用于陆上制冷机组,可实 现以铝代铜和以板代管,可降低冷凝器的材料购 置费80%以上。螺旋板壳式换热器具有端部温差 小的优势,可提高冷凝器的过冷度和蒸发器的过 热度,增加换热能力。因此可提高机组的能效比 和降低冷却循环水的循环量,促进节能减排。这 些优点,更适宜其在水源热泵热水器中推广。
5.2 问题讨论
尽管螺旋板壳式换热器已经应用于石化工业 中的大型装置,例如,用于荆门石化1台塔顶汽油 冷凝冷却器,原设备是铜管浮头管壳式换热器,采用螺旋板壳式换热器后(304不锈钢换热芯钢制外 壳,由于304不锈钢和碳钢互焊性好,未采用换热 芯可外抽结构),总传热系数提高1倍,单位热负荷 金属消耗量节约60%,循环水带热能力提高 40%[2]。尽管上述工况和R22冷凝器相近,但螺 旋板壳式换热器还是首次涉足制冷机组,笔者所 得出的结果,只是初步的,而且负荷太小。笔者提 出“以铝代铜”的设想,仍然有待实践检验。

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