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干式壳管蒸发器的应用和优化与设计点击：2049 日期：[ 2014-04-26 22:14:02 ] |
| 干式壳管蒸发器的应用和优化与设计 刘 斌(特灵亚洲研发中心) 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。 2.3 两相流分布的优化 一般来说,换热管供应商所提供的用于计算的传热数据都是基于单管试验的,而且是在一定的试验条件下获得的。而实际需要的工况,比如蒸发温度、进口制冷剂干度等总是随着不同的设计而变化的。为了消除这些潜在的不利影响,通常在设计计算时增加一定的设计余量如增加换热管的数量,但是这并不能解决蒸发器进口的制冷剂分配不均问题。要想做到两相流的绝对均匀分布几乎是不可能的,但是还是可以采取一些措施来改善其分配情况,这对干式蒸发器特别是Ｕ形管换热器的实际换热效果至关重要。 首先可以在蒸发器制冷剂入口前增加经济器或者气液分离器,这样一方面可以降低蒸发器进口两相制冷剂的干度,改善其分布;另一方面可以增加系统的冷量,提高系统能效。对于空气源热泵机组或者低温冷水机组,经济器对系统能效的提高还是很明显的。另外,还可以在蒸发器进口增加单独的网眼式分配器。相关试验表明一个成功的分配器设计至少可以增加管内传热系数30%以上。分配器的设计主要取决于它的结构形式、分配孔的大小等,可以通过试验设计等方法来找到最佳的设计参数组合。值得注意的是,设计时要注意控制分配器产生的压降,一个分配效果较好但产生很大压降的分配器未必值得采用。 2.4 计算过程的优化 在给定的设计条件下:热负荷、蒸发温度、过热度、水侧压降等,如何使换热器的结构参数能够达到较好的组合呢,这就需要进行优化计算和设计。对于干式蒸发器,为了增加水侧换热系数,水侧要交错放置一定数量的折流板,折流板的间距会影响到水侧的传热系数。而流程数则会影响管内侧的传热系数,因此这是两个非常关键的设计参数。一般来说应该按照这样的顺序来进行计算:首先选取不同的换热管类型(不同的管径、不同的管型等等),然后针对每个换热管选择不同的流程数,最后在同一个流程数下选取不同的折流板个数(即改变折流板的间距),具体组合和顺序见图4。按照这样的组合计算然后比较最终的设计结果,通常换热面积最少的那个也就是所需要的最佳换热器结构参数的组合,因为一般来说这个结果也是成本最低的。 2.5 其他设计因素 在设计过程中,以下问题也是值得注意的: 1)尝试折流板缺口内不布置换热管,因为这里的换热效果相对较差,这种设计可以减少缺口的面积,提高水侧的换热系数。 2)尽量使水流沿着垂直方向在壳侧流动而不是左右侧流动,这样可以避免水侧在垂直方向产生温度分层对换热造成不利影响。 3)进水管应布置在靠近制冷剂出口侧,这样无论制冷剂流程数是单数还是双数,都有利于提高传热温差,从而提高换热器性能。 3 结 论 总的来说,通过选取适当的设计参数、换热管型和改善制冷剂的分配效果,并应用合理的优化计算方法和结构布置,可以设计出相对高性能、低成本的干式蒸发器。同时,这些优化方法对其他类型的换热器设计也是具有借鉴作用的。 |
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