防止干式蒸发器换热管泄漏的优化设计

防止干式蒸发器换热管泄漏的优化设计
摘要：螺杆制冷机在使用的过程中，往往会出现换热管泄露的现象，出现这种现象的原因也是多种多样的，要想采取一定的方式和措施进行预防，那么首先就必须要综合分析换热管泄漏的原因。

关键词：干式蒸发器；换热管；泄露
前言
螺杆式制冷机组操作简单，其运行安全的可靠性，已经广泛应用于石油、化工、纺织、制药和商业等各个行业之中。

在进行对螺杆式制冷机设计的过程中，经常的做法就是将冷却水出口的温度划分为几个范围，根据不同的温度范围对应不同的工况点，为了制冷机组配套相对应的蒸发器和冷凝器等相关的换热器。

在这样的情况下就可以提高制冷机组的标准程度，同时另一个方面也可以满足批量生产的要求。

但是这样做的一个缺点就是会导致在同一个温度范围之内，不同的蒸发温度所对应的换热器的性能参数也是有区别的。

1.问题举例
选取我厂生产的一台螺杆冷水机组出现的换热管泄漏的现象。

该冷水机组的相关参数如下表所示。

表：冷水机组的主要参数
干式蒸发器是液体制冷剂经节流后从蒸发器一端的端盖进入管程，端盖上铸有隔板，制冷剂经过两个或多个流程蒸发并吸收载冷剂的热量后从同一个端盖出来后进入压缩机。

如果端盖隔板垫片泄漏，会使制冷剂短路，造成回液及制冷能力下降骑在小温度差的情况下，冷却水进口处拍换热管容易出现泄漏。

泄漏发生在冷却水进口处换热管与第一块折流板的接触点，破坏形式多为较齐的切口。

2.干式蒸发器的原理和特点
在干式蒸发器中，主要特点有：制冷剂在管内完全蒸发，并且在过热之后成为过热气体的时候，这样就有利于利用热力膨胀阀进行自动的调节和供液量的多少。

一般情况下，对于干式蒸发器常用的制冷机主要有R22、R410A等。

因为制冷剂管内蒸发，只有当管内的流速超过每秒4米的速度的时候，就可以把管内的润滑油带回到压缩机之内，方便于回油。

在设计的过程中，折流板的缺口大小可以根据载冷剂的物理性质与流量大小的缺口，为了保证换热的效果，折流板和圆筒之间的间隙和换热管与折流板之间的间隙要至少小于TEMA规定的最小间隙，特别是在低温的情况下，这些间隙的控制就会显得很重要。

由于在低温的情况下，载冷剂一般为高粘度流体，流速慢，热阻相对于增大，间隙的泄漏就更加明显，
所以在低温的情况下，一定要对间隙进行严格的控制。

一般情况下，在换热管内部所采用的强化是高效换热管，换热管内部采用的就是螺旋线沟槽的形式，一般情况下有32~75个沟槽左右。

这些沟槽的主要作用就是用来增强管内的传热效果，有时候热管的内部也需要做相应的强化。

换热管的材料可以根据载冷剂的不同，可以将材料分为紫铜T2、镍白铜BFe10-1-1、BFe30-1-1、高磷紫铜TP2等材料。

换热管与管板之间的连接方式一般就采用胀接的方式，在制冷机进口的时候一般设置一套分配器用来平均分配气液混合物，干式蒸发器一般适量在排量小于每小时2000立方米的压缩机制冷系统中使用，在大型的系统中，由于制冷剂的分配不均匀的问题，最好不要选择此类的蒸发器。

3.出现换热管泄漏的原因
3.1换热管所受到的冲击力的大小
冷却水进口处的第一排换热管承受的冲击力越大，换热管受到的磨损就越大。

具体的过程如下图所示。

图：干式蒸发器结构
1.左盖板（及隔腔）；
2.管板；
3.圆筒；
4.折流板；
5.拉杆；
6.换热管；7、防冲板或挡杆；8.右盖板（及隔腔）。

在出口处流速升高后流出。

在整个过程中，如果没有仔细的考虑冷却水在蒸发器的过程中流动的阻力损失，那么冷却水就会对换热管的冲击力有一定的影响。

在出口侧位的位置，冷却水经过最后一起折流板之后，在通过整个换热管的管束，流速逐渐提高，最后在经过出口。

在这个过程中，冲击力作用在多数换热管之上，就可以有效的分解了这个冲击力，流动方向的前一排的换热管就可以有效的保护了后一排的换热管上。

进口侧，当高速流动的冷却水冲击第一排的换热管之后，才能降低流速流经后面的管束。

这样，第一排换热管承受的冲击力就更大，产生的振动也相对的增加了很多。

振幅的幅度越大，导致第一排的换热器磨损的就越快。

如下图所示。

图：换热管振动图
3.2温度差对冲击力的影响
冷却水进出口的温度较小，导致的流量也随着增高，对换热管的冲击力也相对于加大。

由于冷却水进出口温度差表笑，热负荷不便，冷却水的比热值不便，从而导致冷却水流的流速变大，这样就导致冷却水对蒸发器进口处的换热管的冲击力加大。

这样，就会增加换热管的振动幅度，增加了折流板和换热管接触面之间的磨损。

4.产生的影响和优化的措施
4.1换热管的选择
对于换热管的选择，必须要满足以下几点要求：（1）选择壁厚较厚的换热管，增加抗磨损能力；(2)选择耐冲击、耐磨损、耐腐蚀的材料；(3)选择外壁轧丝的换热管，可以先磨损其轧丝外层，延长换热管使用寿命。

4.2设置防冲板
根据ＧＢ/Ｔ151-1999《管壳式换热器》5.11.2.1中的ａ)条款，应在壳程进水口处设置防冲板。

本机组所配干式蒸发器内部管束布置较满，无空间设置防冲板，以防冲杆代替，可有效降低水流对进水管处换热管的直接冲击。

如下图所示。

图：档杆位置
4.3加大冷却水管的直径
针对冷却水进口侧流速偏大的现象，可以考虑适当加大冷却水进出管的口径。

4.4加厚折流板
适当的对折流板进行加厚，增加换热管和折流板两者之间的接触面积，这样就可以减少换热管磨损的程度；同时还应该对折流板圆孔边缘进行倒角的工作处理，减小产生刀切效果的可能性的发生。

如下图所示。

图：折流板倒角
4.5设计参数
要设计一个干式蒸发器，除了给定负荷还要给定蒸发的温度，及其在进膨胀阀之前的液体的温度。

首先，对于蒸发温度对干式蒸发器设计的影响，一般来说，蒸发的温度越高，系统的效率就相对于较大，但是相应的干式蒸发器的尺寸也会相应的增加，在这样的情况下，机组成本就很有可能急剧上升。

可见干式换热器对热度的敏感很高，热度太高，膨胀的开度就很难以控制，容易造成液击。

热度过高，就会影响成本。

所以，对于整个系统来说，适当的蒸发温度和过热度的选取，是优化系统和换热器的关键。

4.6计算过程
在给定的条件之下：换热负荷、蒸发温度、过热度和水侧压降等。

为了增加水侧换热系数水侧要交错位置一定数量的折流板，折流板的间距就会影响水侧的传热系数。

而流程数则会影响管内侧的传热系数，这是计算过程中最重要的两个设计参数。

一般的来说，按照这个顺序来看，首先就要选取不同的换热管类型，然后针对每个换热管选择不同的六成熟，然后在同一个六成熟的选取下进行不同折流板的系数。

结束语
在制冷机组设计的过程中，要综合考虑换热器与压缩机的匹配以及换热器本身的结构问题，尽量避免因为换热器结构设计缺陷带来的不必要的损失。

当遇到干式蒸发器的设计时，可参考本文中所采取的措施，能切实改善换热器的使用寿命。

参考文献
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