一種節(jié)省制冷劑的殼管式冷凝器

□ 李 媛

特靈科技亞太研發(fā)中心 上海 200051

1 設計背景

對于使用新型制冷劑的水冷式離心制冷機組而言,由于充注制冷劑較多,制冷劑成本占整機成本比重較大。因此,減小制冷劑的充注量成為降低機組成本的主要途徑之一。對此,設計了一種節(jié)省制冷劑的殼管式冷凝器。

2 水冷式離心制冷機組工作原理

水冷式離心制冷機組換熱系統(tǒng)包括壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、經(jīng)濟器、油箱、節(jié)流元件,如圖1所示。

▲圖1 水冷式離心制冷機組換熱系統(tǒng)

圖1中虛線表示油路循環(huán),潤滑油經(jīng)過油泵進入電機潤滑軸承后,回到油箱。圖1中實線表示制冷劑循環(huán),壓縮機為換熱系統(tǒng)提供動力,以使換熱系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)利用。節(jié)流元件用于調(diào)節(jié)換熱系統(tǒng)中制冷劑的流量,提高換熱系統(tǒng)的工作效率。在換熱系統(tǒng)工作時,蒸發(fā)器可以將內(nèi)部的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為氣態(tài)制冷劑,然后輸送至壓縮機。

在外界作用下,水冷式離心制冷機組制冷系統(tǒng)中的制冷劑由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),再變?yōu)闅鈶B(tài),通過不斷循環(huán)向外界提供所需的冷水或熱水。殼管式冷凝器在水冷式離心制冷機組中使用,出口位于中間。制冷劑從上部換熱管落下,在換熱管外冷凝,再落入冷凝器底部區(qū)域,成為飽和或過冷液體。一部分制冷劑流至油箱,通過制冷劑泵,對電機進行冷卻。

筆者考慮,冷凝器底部制冷劑的液面是一個自由面,距離出口近的液面高度低于遠端的液面高度,有大量制冷劑不能直接和換熱管接觸。這些位于冷凝器底部的液態(tài)制冷劑可以起到防止氣態(tài)制冷劑直接進入膨脹閥的作用。因此,在保證液面高度不變的情況下,如果還能減小制冷劑的充注量,那么就不會影響機組的性能。

3 殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)設計

殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)如圖2所示,由左右管板、上下殼體、進氣口、液管,以及容器內(nèi)部的管支撐板和襯條組成。原有殼管式冷凝器中,管支撐板下部與下殼體之間無任何零部件,空間較大,能夠積存較多制冷劑,造成制冷劑冗余。

▲圖2 殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)

設計方案一為將管支撐板下部與下殼體之間的空間用其它材料填滿,可減少制冷劑的積存。這樣做存在填充物體是否與制冷劑兼容的問題,材料選擇方面難度較大。

設計方案二為在殼管式冷凝器底部左右端各設置一個腔體,在腔體底部設置通氣接口,由一根管子連到殼管式冷凝器頂部的接頭,使腔體內(nèi)充滿氣態(tài)制冷劑。同時在腔體底部設置引射接口,可以及時將液態(tài)制冷劑引射出去,以消除機組制冷劑不足的影響。此方案在管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上改動較大,并且會改變殼管式冷凝器的外觀。

設計方案三為在殼管式冷凝器底部左右端各設置一個受壓腔體,可以減小底部空間的體積,從而達到減小制冷劑充注量的目的。受壓腔體由左右導流板、管板連接件和下殼體密封焊接而成。兩個受壓腔體下方均設有服務閥接口,方便維修。與液管連接的殼體下端設有傳感器接口,方便測量溫度。此方案設計簡單、直觀,并且不改變冷殼管式凝器接口位置及外觀,具有較高的實用性。

綜上所述,采用設計方案三,殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 設計方案三殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)

4 導流板結(jié)構(gòu)與特點

導流板結(jié)構(gòu)如圖4所示。大端厚度為A,與管板連接件焊接。小端厚度為B,折彎處半徑為R,與殼體內(nèi)徑相切形成扇形結(jié)構(gòu),且沿殼體方向豎直放置。導流板厚度C與殼體厚度一致,為受壓件。導流板長度D小于殼體長度的一半,且在殼體內(nèi)部對稱放置。導流板材料為Q345R鋼。

▲圖4 導流板結(jié)構(gòu)

需要注意的是,兩塊導流板需要與下殼體及管板連接件進行密封焊接,焊后需要進行氣密性檢測,保證焊縫完好,無泄漏。

水冷式離心制冷機組中傾斜設置導流板,有如下特點:

(1) 將導流板上方與殼體組成的腔體內(nèi)的液態(tài)制冷劑導流至液管處,加速液態(tài)制冷劑自殼管式冷凝器流出,以及系統(tǒng)中制冷劑的循環(huán);

(2) 使殼管式冷凝器中位于下側(cè)的換熱管與氣態(tài)制冷劑充分接觸,提高殼管式冷凝器的換熱效率;

(3) 導流板與管支撐板底部有一定的距離,保證液管上方液態(tài)制冷劑的液面高度,防止氣態(tài)制冷劑進入下一流程而影響制冷劑的循環(huán)利用。

(4) 保證出口有足夠的制冷劑流至油箱,滿足電機冷卻的需求。

5 結(jié)束語

筆者設計了一種節(jié)省制冷劑的殼管式冷凝器,在殼管式冷凝器底部放置兩個傾斜的導流板,用來引導冷凝后的液態(tài)制冷劑直接進入液管,進行系統(tǒng)熱交換,同時有足夠的制冷劑流至油箱,滿足冷卻電機的需求。兩個受壓腔體下方設置服務閥接口及傳感器接口,方便維修與檢測。整體設計簡單、直觀,并且不改變殼管式冷凝器接口位置及外觀。

水冷式離心制冷機組采用新型制冷劑,價格比較昂貴,以制冷劑充注量1 203 kg為例,經(jīng)計算使用所設計的殼管式冷凝器后,可節(jié)省大約6%制冷劑。以制冷劑單價112.33元/kg計算,可節(jié)約制冷劑成本約8 107.98元。去除材料及制作費用2 282.85元,總計可節(jié)省成本5 825.13元。由此可見,應用所設計的殼管式冷凝器,可以減小制冷劑的充注量,降低成本,提高經(jīng)濟效益。