螺旋板殼式換熱器在制冷機(jī)組冷凝器中的應(yīng)用

1、螺旋板殼式換熱器在制冷機(jī)組冷凝器中的應(yīng)用 2010年02月03日10:41 中國換熱器網(wǎng)生意社02月03日訊   吳植仁1)吳植融2)1)(江蘇星達(dá)石化設(shè)備制造有限公司)2)(中國海洋石油總公司)摘要:對(duì)中海油某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪上水冷空調(diào)機(jī)中冷凝器進(jìn)行螺旋板殼式和管殼式的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明:在換熱面積相等、冷卻水的進(jìn)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(jī)能耗降低13%。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)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(jī)組,可減少價(jià)格昂貴的特材(鈦)的消耗量;用于陸上制冷機(jī)組,可實(shí)現(xiàn)以鋁代銅,降低冷凝器的材料購置費(fèi)8

2、0%以上。關(guān)鍵詞:水冷機(jī)組管殼式螺旋板殼式冷凝器節(jié)能減排中國國際投資貿(mào)易發(fā)展研究中心在“2007年中國機(jī)械制造行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展分析報(bào)告”中指出:“空調(diào)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(diào)行業(yè)提高產(chǎn)品競爭力的核心。提高機(jī)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(dāng)制冷循環(huán)、制冷劑、壓縮機(jī)型號(hào)和工況確定后,機(jī)組的能效取決于兩器的性能,關(guān)鍵決定于冷凝器冷端端部溫差(冷卻循環(huán)水的進(jìn)口溫度和制冷劑的冷凝溫度之差)。工程實(shí)踐表明,螺旋板殼式換熱器冷熱流體的冷端端部溫差為232-3(而管殼式大于1

3、0)。螺旋板殼式換熱器是一種提高機(jī)組能效的新型高效換熱器。為防止海水腐蝕,海上機(jī)組的冷凝器的理想材料是鈦,但是鈦的價(jià)格過高,并且與碳鋼的互焊性很差;陸上機(jī)組采用鋁制換熱芯,可實(shí)現(xiàn)以鋁代銅和以板代管。1冷凝器端部溫差對(duì)機(jī)組能耗的影響當(dāng)制冷機(jī)的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及制冷劑確定后,能夠改變機(jī)組運(yùn)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(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度一定時(shí),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(shí),氣態(tài)和液態(tài)都處于飽和態(tài)。蒸發(fā)溫度為2,此時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和壓力Po為530·8kPa,R22的絕熱指數(shù)k=1.1

4、6。絕熱壓縮時(shí),理論電功率W可用下式計(jì)算4-5:        式中:W為絕熱壓縮時(shí)理論電功率(kW);k為絕熱 指數(shù);Po為蒸發(fā)壓力(kPa);Vo為壓縮機(jī)的理論輸 氣量(m3/h);Pk為冷凝壓力(kPa)。        表1為由式(1)計(jì)算得到的結(jié)果。             &#

5、160;   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(jìn)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(duì)同一臺(tái)制冷機(jī)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(shù)就會(huì)增大。2換熱芯可外抽的螺旋板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度功能;而外殼和其他結(jié)構(gòu)件總成,則由價(jià)格便宜的碳鋼制成,當(dāng)與外殼接觸的流體具有腐蝕性時(shí),由于其無傳熱

6、任務(wù),故可采用簡單而又便宜的涂層來防腐。其他有效的技術(shù)措施是:在傳熱基板上軋制加強(qiáng)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(kuò)展二次換熱面,對(duì)于海上采油平臺(tái)和遠(yuǎn)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(duì)于陸用機(jī)組,則可實(shí)現(xiàn)以鋁代銅和以板代管,節(jié)約換熱器的材料購置費(fèi)。圖1是R22海水冷凝/冷卻器的結(jié)構(gòu)圖。上部為正剖面示意圖,下部為兩側(cè)的剖視圖。鈦制換熱芯為螺旋板式結(jié)構(gòu),是2個(gè)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(jìn)口管(R22流道封閉,而海水流道開口,參見B-B剖視圖)進(jìn)入進(jìn)口配流室,海水并聯(lián)由右向左通過海水流道,進(jìn)入出口配流室(R22

7、流道封閉,而海水流道開口,參見A-A剖視圖),最后經(jīng)海水出口管外排。殼體總成由殼體、殼體法蘭、活動(dòng)蓋、固定蓋、氣態(tài)R22進(jìn)口、液態(tài)R22出口、填料函以及其他附加裝置(如安全報(bào)警、放氣排污口和支架等)組成。從壓縮機(jī)排出的氣態(tài)R22進(jìn)入殼體,在換熱芯內(nèi)被冷凝/冷卻成液態(tài),經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器,再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮,完成1個(gè)制冷循環(huán)。海水進(jìn)出口管靠填料函密封,同時(shí)也有效地消除了熱應(yīng)力。換熱芯有支撐的浮動(dòng)安置在殼體內(nèi),卸掉活動(dòng)蓋,可以方便地從殼體外抽。運(yùn)行時(shí),殼程壓力大于芯程壓力,故換熱芯是一個(gè)受外壓的容器,設(shè)計(jì)和制造時(shí),可以采取措施,來提高換熱芯的穩(wěn)定性,為陸上機(jī)組使用材料強(qiáng)度較低的鋁提供了可能。換熱芯可外

8、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(jià)格便宜的碳鋼制造,為海上制冷機(jī)組節(jié)約貴重特材的消耗量,為陸上制冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)以鋁代銅和以板代管提供了技術(shù)上的可能性。3試驗(yàn)流程和結(jié)果3.1試驗(yàn)流程利用中海油某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪進(jìn)行試驗(yàn)。該輪有1臺(tái)水冷柜式空調(diào)機(jī)組,原來的R22冷凝器是管殼式,換熱管材質(zhì)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(yù)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(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比的條件是:2臺(tái)冷凝器的換熱面積、運(yùn)行工況均相同,而結(jié)構(gòu)和材料不同。試驗(yàn)流程見圖3。 

9、0;       3.2試驗(yàn)結(jié)果(表2)       由表2可見,雖然2臺(tái)冷凝器換熱面積相同,冷 卻循環(huán)水的進(jìn)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(duì)應(yīng)的飽和壓力 則由1729kPa降到1255kPa,壓縮機(jī)制冷劑的出口溫度,由98降低到88,壓縮機(jī)能耗降低13%左 右。試驗(yàn)結(jié)果與上述理論計(jì)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

10、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(dá)102-3,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(gè)制 冷系統(tǒng)的能耗可進(jìn)一步降低。       4陸上機(jī)組的冷凝器以鋁代銅的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析       4.1以鋁代銅的技術(shù)可行性       鋁的低溫性能優(yōu)良,與R22的相溶性很好,導(dǎo) 

11、熱性也不錯(cuò),但由于鋁的機(jī)械強(qiáng)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(jié)構(gòu),巧妙地解決了鋼鋁間互 焊性差的難題,承壓的外殼用強(qiáng)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(bǔ)。銅 的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁大77%,但由于厚度只有2mm,理 論和工程實(shí)踐都證明,材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的大小對(duì)總傳 熱系數(shù)影響不大(換熱面材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不是換熱 器的總傳熱系數(shù)的主要控制因素)。雖然鋁的線脹 系數(shù)比銅大40%,由于螺旋板殼式結(jié)

12、構(gòu)能夠有效消除熱應(yīng)力,技術(shù)上也就不存在問題。       4.2以鋁代銅的經(jīng)濟(jì)上的合理性       下面再對(duì)其經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行評(píng)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(dāng)換 熱間壁厚度相等時(shí),單位換熱面積的銅消耗量是 鋁的3.3倍。按現(xiàn)時(shí)國內(nèi)市場價(jià),銅的價(jià)格是鋁的 3.5倍,當(dāng)換熱間壁的厚度相等時(shí),單位換熱表面 銅的材料購置費(fèi)約為鋁的11.

13、6倍。在實(shí)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(zhì)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(fèi)80% 以上,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。 5結(jié)論與問題討論5.1結(jié)論對(duì)中海油某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪上水冷機(jī)組的冷凝器進(jìn)行了管殼式和螺旋板殼式的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明:雖然2臺(tái)換熱器的面積相等、冷卻循環(huán)水的進(jìn)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(jī)能耗降低13%左右。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果接近。采用換熱芯可以外抽的結(jié)構(gòu)型式,解決了鈦

14、、鋁與鋼互焊性差的難題,用于海上制冷機(jī)組,可減少價(jià)格昂貴的特材(鈦)的消耗量;用于陸上制冷機(jī)組,可實(shí)現(xiàn)以鋁代銅和以板代管,可降低冷凝器的材料購置費(fèi)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(jī)組的能效比和降低冷卻循環(huán)水的循環(huán)量,促進(jìn)節(jié)能減排。這些優(yōu)點(diǎn),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(jīng)應(yīng)用于石化工業(yè)中的大型裝置,例如,用于荊門石化1臺(tái)塔頂汽油冷凝冷卻器,原設(shè)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(jié)構(gòu)),總傳熱系數(shù)提高1倍,單位熱負(fù)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(jī)組,筆者所得出的結(jié)果,只是初步的,而且負(fù)荷太小。筆者提出“以鋁代銅”的設(shè)想,仍然有待實(shí)踐檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1中國國際投資貿(mào)易發(fā)展研究中心.2007年中國機(jī)械制造行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展分析報(bào)告.