螺旋板壳式换热器在制冷机组冷凝器中的应用

                           吴植仁1)　吴植融2)

                      1)(江苏星达石化设备制造有限公司)　2)(中国海洋石油总公司)

    摘要:对中海油某浮式生产储油轮上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。 绝热压缩时,理论电功率W可用下式 计算[4-5]:

                    

    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)。

    表1为由式(1)计算得到的结果。

                

    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。

    参考文献

    [1]中国国际投资贸易发展研究中心.2007年中国机械 制造行业现状与发展分析报告.北京:2007.

    [2]吴植仁,富跃军.螺旋板壳式换热器的研发和应用历 程∥全国第三届换热器学术会议论文集.2007:52-62.

    [3]吴植仁,富跃军.论换热器评价的科学指标∥全国第 三届换热器学术会议论文集.2007:15-17.

    [4]吴业正,韩宝琦.制冷原理与设备.西安:西安交通 大学出版社,1987.

    [5]张祉佑.冷原理与设备.北京:机械工业出版社, 1987.

    [6]吴植仁.一种换热芯可外抽的耐腐蚀双轴向流螺旋 板式换热器:中国,200510041521.2,2006-02-18.