【学员问题】螺旋板壳式换热器在冷凝器中的应用？

【解答】一、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的尽热指数k=1.16.、尽热压缩时，理论电功率W可用下式、计算[4-5]：

式中：W为尽热压缩时理论电功率（kW）；k为尽热、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，有利于进步过冷度。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。

二　换热芯可外抽的螺旋板壳式换热器的结构简介

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，以进步其稳定性，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、少珍贵特材的用量，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）进进进口配流室，海水并联、由右向左通过海水流道，进进出口配流室（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进进壳体，在换热、芯内被冷凝/冷却成液态，经节流后进进蒸发器，、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，来进步换热芯的稳定性，、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困难。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珍贵特、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。

三　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，固然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℃，压缩性能耗降低13%左、右。试验结果与上述理论计算比较接近。这表明螺、旋板壳式换热用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。

四　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、焊性差的困难，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种材料上风互补。铜、的导热系数比铝大77%，但由于厚度只有2mm，理、论和工程实践都证实，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）。固然铝的线胀、系数比铜大40%，由于螺旋板壳式结构能够有效消除热应力，技术上也就不存在题目。

4.2　以铝代铜的经济上的公道性

下面再对其经济上的公道性进行评估。表3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，为降低本钱，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。

五　结论与题目讨论

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：固然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℃。压缩性能耗降低、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、焊性差的困难，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。螺旋板壳式换热用具有端部温差、小的上风，可进步冷凝器的过冷度和蒸发器的过、热度，增加换热能力。因此可进步机组的能效比、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　题目讨论

尽管螺旋板壳式换热器已经应用于石化产业、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），总传热系数进步1倍，单位热负荷、金属消耗量节约60%，循环水带热能力进步、40%.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。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。