螺旋板殼式換熱器在制冷機組冷凝器中的應用

                           吳植仁1)　吳植融2)

                      1)(江蘇星達石化設備制造有限公司)　2)(中國海洋石油總公司)

    摘要:對中海油某浮式生產儲油輪上水冷空調機中冷凝器進行螺旋板殼式和管殼式的對比試驗。結果 表明:在換熱面積相等、冷卻水的進出口溫度相同的條件下,冷凝溫度可由管殼式的45℃降到螺旋板殼式 的32℃;壓縮機能耗降低13%。試驗結果與理論計算結果相近。此外,由于螺旋板殼式換熱器的換熱芯可 以外抽,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,可實現以鋁代銅,降 低冷凝器的材料購置費80%以上。

    關鍵詞:水冷機組　管殼式　螺旋板殼式　冷凝器　節(jié)能減排

    中國國際投資貿易發(fā)展研究中心在“2007年 中國機械制造行業(yè)現狀與發(fā)展分析報告”中指出: “空調廠家面臨能效門檻抬高之困……”[1],這說明 能效高低將成為空調行業(yè)提高產品競爭力的核心。 提高機組能效的途徑有很多,如:尋求新的制 冷循環(huán)和制冷劑,選擇性能優(yōu)良的兩器(蒸發(fā)器和 冷凝器)。前者有不確定因素,投入多、難度大;后者則立竿見影。當制冷循環(huán)、制冷劑、壓縮機型號 和工況確定后,機組的能效取決于兩器的性能,關 鍵決定于冷凝器冷端端部溫差(冷卻循環(huán)水的進 口溫度和制冷劑的冷凝溫度之差)。工程實踐表 明,螺旋板殼式換熱器冷熱流體的冷端端部溫差 為2~3℃[2-3](而管殼式大于10℃)。螺旋板殼式 換熱器是一種提高機組能效的新型高效換熱器。 為防止海水腐蝕,海上機組的冷凝器的理想 材料是鈦,但是鈦的價格過高,并且與碳鋼的互焊 性很差;陸上機組采用鋁制換熱芯,可實現以鋁代 銅和以板代管。

    1　冷凝器端部溫差對機組能耗的影響

    當制冷機的壓縮機結構、尺寸、轉速及制冷劑 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℃,此時對應的飽和壓力Po為 530·8kPa,R22的絕熱指數k=1.16。 絕熱壓縮時,理論電功率W可用下式 計算[4-5]:

                    

    式中:W為絕熱壓縮時理論電功率(kW);k為絕熱 指數;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,有利于提高過冷度。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,制冷系數就會增大。

    2　換熱芯可外抽的螺旋板殼式換熱器的結構簡介[6]

    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 殼和其他結構件總成,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,故可采用簡單而又便宜的涂層來防腐。 其他有效的技術措施是:在傳熱基板上軋制加強 筋或密布定距器件,以提高其穩(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 少貴重特材的用量,而對于陸用機組,則可實現以 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/冷卻器的結構圖。上 部為正剖面示意圖,下部為兩側的剖視圖。鈦制 換熱芯為螺旋板式結構,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)進入進口配流室,海水并聯 由右向左通過海水流道,進入出口配流室(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進入殼體,在換熱 芯內被冷凝/冷卻成液態(tài),經節(jié)流后進入蒸發(fā)器, 再經壓縮機壓縮,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力。 換熱芯有支撐的浮動安置在殼體內,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,設計和 制造時,可以采取措施,來提高換熱芯的穩(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難題。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)約貴重特 材的消耗量,為陸上制冷機組實現以鋁代銅和以 板代管提供了技術上的可能性。

    3　試驗流程和結果

    3.1　試驗流程

    利用中海油某浮式生產儲油輪進行試驗。該 輪有1臺水冷柜式空調機組,原來的R22冷凝器是管殼式,換熱管材質是鎳黃銅,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,而結構和材料不同。試驗流程見圖3。







    3.2　試驗結果(表2)

    由表2可見,雖然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℃,壓縮機能耗降低13%左 右。試驗結果與上述理論計算比較接近。這表明螺 旋板殼式換熱器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 冷系統的能耗可進一步降低。



    4　陸上機組的冷凝器以鋁代銅的技術經濟分析

    4.1　以鋁代銅的技術可行性

    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構,巧妙地解決了鋼鋁間互 焊性差的難題,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種材料優(yōu)勢互補。銅 的導熱系數比鋁大77%,但由于厚度只有2mm,理 論和工程實踐都證明,材質導熱系數的大小對總傳 熱系數影響不大(換熱面材質的導熱系數不是換熱 器的總傳熱系數的主要控制因素)。雖然鋁的線脹 系數比銅大40%,由于螺旋板殼式結構能夠有效消除熱應力,技術上也就不存在問題。

    4.2　以鋁代銅的經濟上的合理性

    下面再對其經濟上的合理性進行評估。表 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。按現時國內市場價,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,為降低成本,目前冷凝器的銅管壁厚一般只有 1mm,而為確保焊接質量,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,經濟效益非?？捎^。



    5　結論與問題討論

    5.1　結論

    對中海油某浮式生產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 果表明:雖然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℃。壓縮機能耗降低 13%左右。試驗結果與理論計算結果接近。采用 換熱芯可以外抽的結構型式,解決了鈦、鋁與鋼互 焊性差的難題,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。螺旋板殼式換熱器具有端部溫差 小的優(yōu)勢,可提高冷凝器的過冷度和蒸發(fā)器的過 熱度,增加換熱能力。因此可提高機組的能效比 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　問題討論

    盡管螺旋板殼式換熱器已經應用于石化工業(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 芯可外抽結構),總傳熱系數提高1倍,單位熱負荷 金屬消耗量節(jié)約60%,循環(huán)水帶熱能力提高 40%[2]。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 得出的結果,只是初步的,而且負荷太小。筆者提 出“以鋁代銅”的設想,仍然有待實踐檢驗。

    參考文獻

    [1]中國國際投資貿易發(fā)展研究中心.2007年中國機械 制造行業(yè)現狀與發(fā)展分析報告.北京:2007.

    [2]吳植仁,富躍軍.螺旋板殼式換熱器的研發(fā)和應用歷 程∥全國第三屆換熱器學術會議論文集.2007:52-62.

    [3]吳植仁,富躍軍.論換熱器評價的科學指標∥全國第 三屆換熱器學術會議論文集.2007:15-17.

    [4]吳業(yè)正,韓寶琦.制冷原理與設備.西安:西安交通 大學出版社,1987.

    [5]張祉佑.冷原理與設備.北京:機械工業(yè)出版社, 1987.

    [6]吳植仁.一種換熱芯可外抽的耐腐蝕雙軸向流螺旋 板式換熱器:中國,200510041521.2,2006-02-18.