製冷換熱裝置一般按照換熱器在製冷裝置中所起的作用進行分類，可以分為蒸發器、冷凝器、經濟器、中間冷卻器、冷卻器、液化器等, 如果按照換熱器的結構來分類, 又可分為管殼式換熱器與板式換熱器。本文將對管殼式換熱器進行詳細探討。

蒸發器

蒸發器是製冷系統的主要熱交換裝置。利用製冷劑液體在較低溫度下蒸發, 吸收被冷卻介質的熱量使之溫度降低。

1.蒸發器中的傳熱

影響蒸發器傳熱係數的因素主要有: 1） 製冷劑的物理特性、沸騰狀態、蒸發器結構; 2） 被冷卻介質流動狀態、傳熱表面幾何特性; 3） 傳熱表面汙染程度, 主要是油、鐵鏽、霜層。

2.蒸發器的形式和結構

主要用於載冷劑系統, 用來冷卻水或鹽水、乙二醇等載冷劑, 再由載冷劑去冷卻被冷卻物體。根據蒸發器外形可以分為立管(螺旋管) 式蒸發器和臥式管殼式蒸發器。

1）立管(螺旋管) 式蒸發器是製冷劑在管內蒸發, 蒸發器沉浸在載冷劑箱內。這兩種蒸發器只能用於開式迴圈系統, 載冷劑必須是非揮發性的,如鹽水和水等。為保證載冷劑在箱內以一定的速度迴圈, 箱內焊有縱向隔板並裝有螺旋攪拌器。載冷劑流速為0.3~0.7m/s以增強換熱。這種系統因為載冷劑容易和空氣接觸, 蒸發管容易腐蝕, 鹽水易吸潮變稀。水箱應採取必要的密封措施, 見圖1。

2）臥式管殼式蒸發器根據製冷劑的蒸發方式不同, 又分為乾式蒸發器、滿液式蒸發器和熱虹吸式蒸發器。乾式蒸發器(見圖2) 是液體制冷劑經節流後從蒸發器一端的端蓋進入管程, 端蓋上鑄有隔板,製冷劑經過兩個或多個流程蒸發並吸收載冷劑的熱量後從同一個端蓋出來後進入壓縮機。如果端蓋隔板墊片洩漏, 會使製冷劑短路, 造成回液及製冷能力下降。這種蒸發器的主要特點是: 製冷劑在管內完全蒸發並過熱成為過熱氣體, 這有利於使用熱力膨脹閥自動調節供液量。通常使用的製冷劑有R22、R134a、R407C、R410A 等。因為製冷劑管內蒸發, 只要管內流速超過4m/s, 就可以把管內的潤滑油帶回壓縮機, 回油方便。在設計當中, 殼程採用GB151或TEMA 規定的E 型結構(折流板型式), 折流板的缺口大小根據載冷劑的物理性質與流量大小開15% ~ 50% 的缺口, 通常情況下,折流板缺口的流速與載冷劑橫向掠過管束的流速大致相等, 為了保證換熱效果, 折流板與圓筒的間隙、換熱管與折流板的間隙要小於等於GB151或TEMA 規定的最小間隙, 特別是在低溫情況下, 這些間隙顯得尤為重要, 由於在低溫情況下, 載冷劑一般為高粘度流體, 流速慢, 熱阻相對增大, 間隙洩漏更加明顯, 所以在低溫情況下對間隙的控制一定要更加嚴格。換熱管採用內部強化的高效換熱管, 換熱管內部採用螺旋線溝槽的型式, 一般內部有32~ 75個溝槽, 主要用來增強管內的傳熱效果,有時換熱管的外部也做相應的強化, 換熱管根據載冷劑的不同可採用紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2等材料。換熱管與管板一般採用脹接的連線方式, 在製冷劑進口一般設定一套分配器用來平均分配氣液混合物, 乾式蒸發器一般適合在排量小於2000m3/h的壓縮機制冷系統中使用, 在大型系統中由於製冷劑的分配不均問題,最好不使用此型別的蒸發器。

3）滿液式蒸發器結構與乾式蒸發器相似, 只不過載冷劑走管程, 製冷劑走殼程。製冷劑液體從筒體下部進入, 殼程內沸騰, 從上部的氣液分離器或回氣包回氣, 分離的液滴仍流回蒸發器。滿液式蒸發器的充液量大, 傳熱溫差小, 相同的冷媒溫度蒸發溫度高, 製冷量大。為防止過高的液麵會使未汽化的液體隨沸騰的氣泡帶出蒸發器, 進入壓縮機引起液擊, 通常採用液位控制器來控制蒸發器內液麵的高度, 大多設有氣液分離器。製冷劑為氨時,液位為筒體的70% ~ 80% ; 製冷劑為氟利昂時,液位為筒體的55% ~ 65% 。滿液式蒸發器的缺點是回油困難, 尤其是製冷劑為氟利昂時。設計中,殼程採用GB151或TEMA 規定的X 型結構(管束採用少數支撐板支撐) ,製冷劑的進口設有均液板, 用來平均分配掠過管束的製冷劑, 殼程上部一般留有一定的沸騰空間與氣液分離的空間, 對於一些大型滿液式蒸發器為了減少桶徑, 僅僅留有少量的沸騰空間, 同時在蒸發器上部配備一個氣液分離器(原因同上) , 對於R22、R134a 等的HCFC類製冷劑, 為了節省銅材, 強化管內的換熱效果, 常採用外部強化的高效換熱管。隨著高效傳熱技術的發展, 在中大型空調機組中, 管外的換熱係數已經高於管內的換熱係數, 因此管內也做了相應的強化。所用製冷劑種類與換熱管材質及管與管板的聯結型式同乾式。滿液式蒸發器一般應用於載冷劑粘度較小即在使用條件下流動性非常好的場合。

4）熱虹吸蒸發器, 來自經濟器的過冷製冷劑液體經過節流閥節流後先進入氣液分離器, 氣體制冷劑被壓縮機吸回, 液體靠重力作用進入蒸發器,在氣液分離器中精確地控制液位, 使得虹吸蒸發器的製冷劑側的迴圈量大於蒸發量, 製冷劑側的換熱效果得到明顯的改善。虹吸蒸發器採用立式或臥式結構, 對於臥式虹吸蒸發器, 蒸發的製冷劑一般安排在殼側, 載冷劑或需要冷卻的介質放在管側; 對於立式虹吸蒸發器而言, 蒸發的製冷劑一般安排在管側, 載冷劑或需要冷卻的介質放在殼側, 但是對於一些需要冷卻高粘度流體的場合, 蒸發的製冷劑也可以安排在管內。立式虹吸蒸發器的管程一般設計為1個流程, 臥式虹吸蒸發器的管程可以為多流程。換熱管採用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2、鈦TA2等材料。換熱管與管板的連線根據換熱管材質的不同可以採用焊接、脹接或焊接與脹接相結合的方式。熱虹吸蒸發器一般用在工業製冷潤滑油冷卻、低溫液化等場合, 尤其是在石化行業, 因為保證了高粘度鹽水在低溫下的換熱效能和高等級無縫管換熱管的採用(保證蒸發器的耐腐蝕性與可靠性) , 故使用越來越廣泛。

冷凝器

冷凝器是蒸氣壓縮式製冷系統的四大部件之一, 是將壓縮機排放的高溫製冷劑氣體冷凝成飽和或過冷液體的裝置。透過冷凝器, 將熱負荷(製冷場所、電機功耗) 傳遞給環境介質(水或空氣)。

冷凝器的傳熱

製冷劑側油膜的影響: 氟利昂系統中, 油和製冷劑在冷凝器中互溶, 對傳熱沒有影響; 在氨系統中, 油膜會嚴重影響換熱, 必須及時排放冷凝器底部的存油。

不凝性氣體的影響: 會佔據一定的換熱空間並提高冷凝壓力, 應及時排放。氨系統必須透過空氣分離器排放, 氟系統可以透過冷凝器上部的放空閥排放。

製冷劑充注量: 過多的充注量會減少冷凝面積, 導致冷凝壓力升高, 應加以控制。

冷卻介質側(水或空氣)

冷卻介質流速的影響: 適當的流速會提高放熱係數並降低汙垢的沉積。水為冷卻介質的, 水的流速為0.8~ 1.2 m/s (氨, 鋼管) , 或小於2.5 m/s(氟, 銅管) ; 空氣為冷卻介質的, 空氣流速為2~4 m/ s。

汙垢的影響: 汙垢的導熱係數比較小, 會影響熱量的傳遞, 應當儘量避免並及時排除。水冷式冷凝器水側汙垢包括水垢、鏽蝕、泥沙等。對水質較差的, 應採取軟化處理或用水池沉積泥沙。冷凝器的水路一般走管程, 可以採取機械式清洗或化學方法清洗。空冷式冷凝器空氣側的汙垢主要有灰塵、油汙和鏽蝕物等。要採取防塵、防腐處理。

冷凝器的結構

冷凝器的型別很多, 按其帶走熱量的方式, 可分為三類。

1 水冷式冷凝器

水冷式冷凝器由於採用水作為冷卻介質, 而水溫通常又比較低, 所以可以獲得較低的冷凝溫度,有利於提高製冷能力, 降低執行費用, 應用十分廣泛。水冷式冷凝器又分為立式和臥式兩種。

立式冷凝器: 冷凝器頂部裝有配水箱, 可以將水均勻地分配給各個管口的分水頭, 沿管內壁螺旋狀流下, 與管外的高溫氣體進行熱交換。製冷劑蒸氣放出熱量後, 冷凝成液體後沿管外壁流下沉積在冷凝器底部, 經液體管路流入貯液器。冷凝器底部裝有放油閥。

立式冷凝器的優點是: 佔地面積小, 可以安裝在室外; 易清洗, 且不必停止工作; 不易堵塞, 對水質要求不高。缺點是:耗水量大, 水泵功率大;管子易腐蝕, 且洩漏不易被發現。臥式冷凝器: 臥式冷凝器(見圖3) 的兩端管板外面用端蓋封閉, 端蓋上鑄有分水隔板, 把全部管束分隔成幾個管組(或流程)。冷卻水從一端的端蓋進入後, 順序流過每個流程, 最後從同一端蓋上部流出。這樣可提高管內水的流速, 提高水側的放熱係數。冷凝器端蓋上部和下部分別設有放空氣

和放水絲堵。

臥式冷凝器的優點是傳熱係數高, 用水量小進出水溫容易控制, 可以安裝在室內。缺點是冷卻水流動阻力較大, 對水質要求高, 清洗時需停止工作, 洩漏不易發現。常用於水質較好、水溫較低、水量充足的地區, 適用於中小型製冷系統。

水冷冷凝器應用最為廣泛, 製冷用水冷冷凝器的殼程一般採用GB151或TEMA 規定的E 型或X型結構。如果採用E 型結構, 折流板的底部一般開有V 形或梯形的缺口, 主要用來洩放冷凝液體。如採用X 型結構, 最好在冷凝器的上部設定一個分配機構, 儘量使過熱的製冷劑氣體平均掠過管束。根據製冷劑和冷卻迴圈水的不同換熱管採用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA 177-2、鈦TA2等材料。換熱管與管板的連線根據換熱管材質的不同, 可以採用焊接、脹接或焊接與脹接相結合的方式。

空冷式冷凝器(見圖4)

以空氣為冷卻介質。製冷劑在管內流動過程中逐步冷卻、冷凝直至最後成為過冷液體。換熱管一般用紫銅管。空氣在風機的強迫作用下橫向掠過管外, 帶走熱量並散發到周圍環境中。為了強化空氣側的傳熱, 通常在管外加肋片, 增加傳熱面積。

空冷式冷凝器最大特點是不需要水。因此, 適用於缺水地區和氟利昂系統。空冷式冷凝器受環境溫度影響很大。夏季環境溫度如果很高, 冷凝壓力就會很高; 而冬季執行時應防止冷凝壓力過低, 導致蒸發器供液不足, 冰箱、空調製冷能力降低。風冷式冷凝器在空調、熱泵方面應用比較廣泛, 比較有代表性的是翅片管換熱器, 在熱泵機組中使用的翅片管換熱器主要有三種型式, 即L形、平直形、V 形。L形和平直形適用於容量較小(小於70kW ) 的熱泵機組。這兩種型式的換熱器適用於側向吸風或向上斜吹風。而V 形翅片換熱器則適用於中型熱泵機組( 70~ 700 kW ) , 換熱器分左右兩個成V 形佈置, 製冷時由壓縮機排出的高壓氣體分兩路分別進入左右換熱器的彙總管, 再分別進入各分路, 在管內冷凝, 冷凝後的液體在進入分配器後流出。

蒸發式冷凝器(見圖5)

蒸發式冷凝器是近幾年發展起來的直接用溼空氣冷卻製冷劑的一種換熱器, 以水和空氣共同作為冷卻介質, 主要是利用部分水蒸發時(氣化潛熱)吸收製冷劑氣體的熱量實現製冷劑的冷凝(以少量的水帶走大量的冷凝排熱量)。主要由冷凝管組、淋水裝置、擋水柵、集水盤、迴圈水泵及風機等組成(相當於把水冷冷凝器與冷卻水塔、水泵、迴圈水池組合在一起)。擋水柵的作用是防止未蒸發的水滴被氣流帶走,減少水的消耗; 水盤內的浮球閥是隨著水的消耗、水位降低時自動開啟補充冷卻水。

蒸發式冷凝器的優點是傳熱係數高, 製冷劑的冷凝溫度比水冷冷凝器要低3~ 5℃, 冷卻水消耗少, 適用於缺水地區, 執行管理費用較水冷式冷凝器低。缺點是維護比較麻煩, 清洗困難; 對水質要求高, 應進行軟化處理; 空氣溼度大時冷凝壓力會升高。

主要的執行原理為: 盤管內的高溫氣態製冷劑與盤管外的噴淋水和空氣進行熱交換, 由氣態逐漸被冷凝為液態。引風機的超強風力使噴淋水完全包裹住盤管表面, 水借風勢, 換熱效果顯著增高。噴淋水與空氣吸收熱量後溫度升高, 部分水由液態變成水蒸汽,氣化潛熱帶走大量排熱, 熱空氣中的水分被擋水板攔截並收集到PVC 熱交換層中, PVC熱交換層中的水被流過的空氣冷卻, 溫度降低, 進入集水槽中, 再由迴圈水泵送入噴淋水系統中, 繼續迴圈。散失到空氣中而損失的水分由水位調節控制器控制實現自動補充。

經濟器

經濟器一般應用在螺桿單級壓縮系統中, 用來過冷製冷劑液體, 提高在低溫執行時機組製冷量,製冷劑液體在進入經濟器前分成兩路, 一小部分節流後進入換熱器管程或殼程來冷卻大部分進入殼程或管程的製冷劑液體, 蒸發的製冷劑由壓縮機中間補氣口吸入, 可明顯提高製冷量, 同時由於增加了補氣量, 軸功率略有增加, 但COP 值尤其在低溫時可得到明顯提高。

經濟器也分為滿液式和乾式兩種, 結構與乾式和滿液式蒸發器結構完全相同, 設計與製造過程中可參考蒸發器, 使用哪種型式主要由管程與殼程的熱阻分配情況來決定。現製造廠家多將經濟器帶於壓縮機組之上。

中間冷卻器

中間冷卻器應用在雙級或多級壓縮系統中, 主要用來冷卻中間製冷劑的溫度, 由於兩級節流的中間冷卻器僅僅是個容器, 因此主要談一級節流迴圈的中間冷卻器。

製冷系統中的一級節流中間冷卻器分為中間不完全冷卻和中間完全冷卻兩種, 中間不完全冷卻中間冷卻器經常做成乾式經濟器結構(見圖6), 原理也與乾式經濟器相同。工業製冷應用中最為廣泛的是中間完全冷卻中間冷卻器(見圖7), 來自貯液器高壓液體分成兩路, 一路進入浮球機構節流以後隨著低壓級的排氣進入中間冷卻器中製冷劑液體裡面, 透過中間冷卻器的氣液分離空間把製冷劑液體分離以後, 純淨的製冷劑氣體進入高壓級的進氣口; 另外一路製冷劑液體進入至中間冷卻器底部的盤管內部與管外的製冷劑液體進行熱交換, 管內的製冷劑液體得到冷卻或過冷, 管外的液體蒸發後進入高壓級壓縮機。

冷卻器

冷卻器(見圖8) 的主要作用是對單相流體進行冷卻, 例如油冷卻器、天然氣冷卻器等。從壓縮機排出的高溫高壓油氣混合物中分離出來的潤滑油溫度較高, 不能再噴入壓縮機起潤滑冷卻作用, 需經油冷卻器冷卻到壓縮機需要的粘度和溫度後才能重複使用。一般需控制噴油溫度在40℃左右, 粘度適中。常用油冷卻器有水冷型和工質冷卻型。水冷型通常油在殼程沿折流板進行流動換熱, 油的進

出口均連線在管桶上。冷卻水的進出水均設在同一端蓋, 水進管內, 與油熱交換, 冷卻效果與水流量和進水溫度有著密不可分的關係; 工質冷卻型, 油側與水冷型結構一樣,只有外殼為高壓設計, 管內是經膨脹閥冷卻絕熱後的液體制冷劑。基本原理是, 經冷凝器冷凝的製冷劑液體先進入輔助貯液器(虹吸罐), 液麵達到溢流口時液體經溢流口進入貯液器進而向蒸發器供液, 而溢流口以下的液體經底部依靠重力作用流向螺桿壓縮機的油冷卻器, 節流後蒸發帶走潤滑油的熱量, 變成氣體回到輔助貯液器, 分離出液體後, 在壓縮機排氣作用下,又回到蒸發冷卻器入口繼續冷凝, 迴圈復始。值得一提的是虹吸罐內的液麵至油冷卻器進液口之間、冷凝器出液口至虹吸罐內的液麵之間的位差一般是要確保的, 因為只有保證了三者之間的相互位差才能使冷凝器、虹吸罐、油冷卻器內的壓力處於一個平衡的狀態, 流動才能順暢並充分發揮各自的功效。天然氣冷卻器與上述的虹吸式蒸發器型式相同, 只是天然氣側的壓力較高。冷卻器一般製作成GB151或TEMA規定的E 型或X型結構。

液化器

液化器(見圖9) 主要用來液化天然氣中含碳量較高的烴類、氯氣等, 通常情況下把液化氣體放到換熱管側, 液化器殼程製作成GB151或TEMA規定的U 型結構(U 型換熱管) , 殼側採用製冷劑沸騰的型式, 換熱管根據溫度、介質的腐蝕性等因素可以採用碳鋼、紫銅T2、高磷紫銅TP2、鎳銅BFe10-1-1、錫銅HSn70-1、鋁銅HA177-2、鈦TA2等材料, 類似於滿液式蒸發器。

水冷換熱器之一應該可以簡單來說就是用水來作為冷源的熱交換器。

水冷換熱器可以分為兩種：

一種是水水熱交換，熱源與冷源均為液體，且幾乎無雜質，或許熱源含有腐蝕，需要採用耐酸鹼的氟塑膠換熱器。

另一種是氣水換熱器。熱源為煙氣或者蒸汽，冷源依舊為液體，如生活用水水或者需要加熱的液體介質等。如果是煙氣，那麼該換熱器亦可稱作煙氣餘熱回收換熱器，通常為耐腐蝕的氟塑膠管殼式煙氣餘熱回收裝置。

簡單地說，就是以冷水作為冷卻介質流過冷卻器的冷水通道來冷卻流過相鄰熱水通道的另一種高溫介質，如高溫的水、油、氣等，並把一部分熱量帶走的一種裝置。兩種介質通道之間是隔離的，隔離材料採用銅、鋁等傳熱效率高的薄壁材料。若冷水為海水，則採用銅、不鏽鋼或鈦合金等耐腐蝕的材料。