干式壳管蒸发器的应用和优化与设计

摘要：首先介绍不同类型蒸发器的应用范围,然后着重从几个方面对干式壳管蒸发器(以下简称干式蒸发器)的设计和优化进行阐述,希望能对以后干式蒸发器的设计提供一些参考和启发。
    关键词：干式　蒸发器　优化
    1　干式蒸发器的应用
    目前,在国内的冷水机组中,蒸发器主要有以下几种形式:满液式、干式、降膜式、板式和套管式。对于单回路系统它们的冷量应用范围如图1所示。在大中型的冷水机组中,壳管式换热器是最主要的换热器形式。考虑到成本和结构尺寸的限制,板式和套管式换热器主要应用于小型的涡旋和螺杆机组。壳管式蒸发器主要有干式和满液式2种。对于热泵机组,考虑到能够在制冷制热两种工况下运行,干式换热器还是首选,满液式蒸发器在热泵上的应用相对来说还不成熟。对于冷水机组,由于满液式蒸发器具有更高的换热性能,已经受到越来越多的制冷设备制造商的青睐,但是其致命的弱点是机组的回油问题,特别是在低温工况下尤为严重。增加回油设备一方面增加了成本;另一方面也降低了机组的可靠性。干式蒸发器的应用则相对要成熟很多,采用干式蒸发器不需要单独的换热器回油设计,但是其缺点是系统效率会有所降低。干式换热器性能接近板式换热器,但对于像Ｒ134ａ这类替代工质,板式换热器在稍大的冷量范围内性能会因为制冷剂分配不均而有所降低,而且价格一般偏贵。随着国内空调行业的迅猛发展和新的国家强制性空调能效标准的颁布,高效和环保已经成为制冷空调行业的发展方向。因此,对于在新型工质下研究如何提高这种运行可靠的传统换热器形式———干式蒸发器的性能是个很有意义的课题。
    2　干式蒸发器的优化设计
    2.1　设计参数的优化
    要设计一个干式蒸发器,除了给定负荷,还要给定蒸发温度、过热度以及进膨胀阀前的液体温度。首先说一下蒸发温度对干式蒸发器设计的影响。一般来讲,越是高的蒸发温度,系统效率就会越高,但是干式蒸发器的尺寸也会急剧上升,这样总的机组成本就很有可能随之急剧增加。另外,由于干式蒸发器本身结构形式的局限,经验表明在标准工况下其极限蒸发温度(满负荷下蒸发器出口饱和温度)约为3.6℃,所以一般情况下,干式蒸发器的设计温度一般不超过3.6℃。再来看看过热度对设计的影响。图2是根据设计好的干式蒸发器计算出的蒸发温度和过热度的关系(制冷剂为Ｒ134ａ,初始蒸发温度设计值为3℃)。由图可以看出随着过热度的增加,饱和温度急速下降。因此在具体的设计中,对于给定的饱和温度,当过热度增加,所需换热面积就要急剧增加。可见干式换热器对过热度的选取非常敏感,过热度太低,膨胀阀开度不容易控制,容易造成液击;过热度太高,成本又会升高。所以对系统而言,选取适当的蒸发温度和过热度,是优化系统和换热器设计的一个关键,要综合考虑成本和性能因素。
                
    2.2　换热管型的优化
    现在绝大部分的换热器都采用了高效传热管,对于干式换热器,主要是高效内螺纹管,管外考虑到水垢不容易清洗一般为光管。试验表明[1],高效内螺纹管管内换热系数至少是光管的2倍以上。所以下面的分析主要基于高效内螺纹管。
    以某型号内螺纹管为例,图3是对于相同制冷剂、不同管径的管内传热系数比较。从图上可以发现,9.5ｍｍ管径的管内传热系数明显要高于15.9ｍｍ管径的管内传热系数。因此,如果采用小管径换热管,优势有2点:第一就是传热系数高,所需换热面积少,而且管径小管束也会比较紧凑,这样可以有效地减小筒体的尺寸、降低成本;第二,对于小管径,比如9.52ｍｍ的换热管,通常都是采用Ｕ形管式结构,相对于传统的直管式,这种结构少了一个管板和水室,可以节约成本,而且制冷剂在管内的压降会有所降低。当然Ｕ形管的加工制造对工艺要求也相对比较高,对于不同的Ｕ形弯头需要不同的加工模具。另外由于这种结构只能采用2个流程,通常换热器筒身会比较长。但总的来说,小管径Ｕ形换热器由于其性能和成本上的优势还是很值得推广的。
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