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螺旋板殼式換熱器在冷凝器中的應(yīng)用

2015-06-06

螺旋板殼式換熱器在冷凝器中的應(yīng)用?

一、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的盡熱指數(shù)k=1.16.、盡熱壓縮時(shí),理論電功率W可用下式、計(jì)算[4-5]:

  式中:W為盡熱壓縮時(shí)理論電功率(kW);k為盡熱、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。

  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(méi)有過(guò)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,有利于進(jìn)步過(guò)冷度。對(duì)同一臺(tái)制冷機(jī)組而言,、節(jié)流前的過(guò)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。

  二 換熱芯可外抽的螺旋板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

  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(lái)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(wú)傳、熱任務(wù),故可采用簡(jiǎn)單而又便宜的涂層來(lái)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,以進(jìn)步其穩(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、少珍貴特材的用量,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(gòu)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)進(jìn)進(jìn)口配流室,海水并聯(lián)、由右向左通過(guò)海水流道,進(jìn)進(jìn)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(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)進(jìn)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)進(jìn)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(lái)進(jìn)步換熱芯的穩(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困難。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)約珍貴特、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。

  

 

可拆式螺旋板式換熱器

可拆式螺旋板式換熱器


       三 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(lái)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.

  3.2 試驗(yàn)結(jié)果(表2)

  由表2可見,固然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℃,壓縮性能耗降低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、旋板殼式換熱用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(dá)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(gè)制、冷系統(tǒng)的能耗可進(jìn)一步降低。

  四 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)、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、焊性差的困難,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種材料上風(fēng)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)踐都證實(shí),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)。固然鋁的線脹、系數(shù)比銅大40%,由于螺旋板殼式結(jié)構(gòu)能夠有效消除熱應(yīng)力,技術(shù)上也就不存在題目。

  4.2 以鋁代銅的經(jīng)濟(jì)上的公道性

  下面再對(duì)其經(jīng)濟(jì)上的公道性進(jìn)行評(píng)估。表3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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(gòu)置費(fèi)約為鋁的11.6倍。在實(shí)際工程、中,為降低本錢,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(gòu)置費(fèi)80%、以上,經(jīng)濟(jì)效益非??捎^。

  五 結(jié)論與題目討論

  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:固然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℃。壓縮性能耗降低、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、鋁與鋼互、焊性差的困難,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(gòu)、置費(fèi)80%以上。螺旋板殼式換熱用具有端部溫差、小的上風(fēng),可進(jìn)步冷凝器的過(guò)冷度和蒸發(fā)器的過(guò)、熱度,增加換熱能力。因此可進(jìn)步機(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 題目討論

  盡管螺旋板殼式換熱器已經(jīng)應(yīng)用于石化產(chǎn)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)進(jìn)步1倍,單位熱負(fù)荷、金屬消耗量節(jié)約60%,循環(huán)水帶熱能力進(jìn)步、40%.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)。

  以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成,供參考,如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。

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