冷凍機蒸發器換熱管破裂原因及技術分析

章 萍

(南京五洲制冷集團有限公司，江蘇 南京 211100)

冷凍機蒸發器換熱管破裂原因及技術分析

章 萍

(南京五洲制冷集團有限公司，江蘇 南京 211100)

蒸發器是制冷系統中的重要組成部分，其換熱能力的高低直接影響著冷凍機的制冷性能。蒸發器主要分為干式蒸發器和滿液式蒸發器2種類型。干式蒸發器具有可靠性高、環保性好和高效節能的特點，本文對干式蒸發器換熱管破裂的原因進行了研究，并提出了相應的技術改進措施。

干式蒸發器；換熱管破裂；原因分析；技術改進

干式蒸發器主要應用在氟利昂制冷系統中，它的外形和結構基本上與滿液式蒸發器相同，但是它具有如下幾方面的優點：干式蒸發器的制冷劑液體在傳熱管內進行沸騰交換，載冷劑是其傳熱管外側的被冷卻介質[1]，冷量損失少，傳熱管不易出現生凍結錚的現象。干式蒸發器和滿液式蒸發器相比，需要的制冷劑充注量較小，僅為其l/3。由于管內的制冷劑進行液——氣相變換會產生高速的氣液混合流動，自動將潤滑油帶入壓縮機內，所以，干式蒸發器的回油效果較好，而且不需要對回油系統進行單獨設計，制冷劑在管內流動，流速較高，充液量少，易返回壓縮機。當前，干式蒸發器在冷凍機組中廣泛應用，理論研究和設計技術比較完善，可靠性較高。但是為了提高金屬材料的節約率[2]、空間或者能源，當前干式蒸發器的工程設計和理論研究主要集中在3個方面：研發和采用高效蒸發換熱管；控制污垢熱阻；采用小的管間距等[3]。本文主要對干式蒸發器中的換熱管破裂進行研究。

1 冷凍機制冷工藝流程及干式蒸發器結構分析

冷凍機制冷的工藝流程圖如圖1所示。制冷氣體經過壓縮機壓縮之后進入冷凝器，氣體經過冷卻水的熱交換自行冷卻成液體，冷卻的液體經貯液器進入過冷器，在管程和殼程兩部分進行自冷卻，過冷器中的制冷劑分別進入壓縮機(氣態制冷劑)和遠程蒸發器(液態制冷劑)，蒸發器中的液態制冷劑和物料進行熱交換，變成氣態制冷劑之后回到吸入槽，循環利用，氣態制冷劑最終回到壓縮機。此外，吸入槽和壓縮機的出口之間還有一個熱氣旁通管，用來防止壓縮機喘振，保證其具有一定的可壓縮氣體。

圖1 機組制冷系統的工藝流程圖

干式蒸發器的主要特點是制冷劑在離開換熱器時是過熱氣體，制冷劑安排在換熱管內蒸發，進口為氣液混合物，出口為過熱氣體。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均應不大于GD151—lN9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。因為在低溫情況下，載冷劑一般為高黏度流體，流速較低，熱阻相對增大，間隙泄漏更加明顯，所以在低溫情況下對間隙的控制一定要更加嚴格。換熱管與管板一般采用脹接的連接方式，在制冷劑進口，一般設置1套分配器用來平均分配氣液混合物，干式蒸發器一般適合在排量<2 000的壓縮機中使用，在大型系統中由于制冷劑的分配不均問題，最好不使用該形式的蒸發器。干式蒸發器主要由管板、端蓋、管束、筒體及各種附件組成。其中，筒體與管板密封焊，端蓋是由封頭與接管、容器法蘭組焊而成，管板與管束脹接而成。進、出水管口存在于筒體上，筒體和進、出水管組焊。干式蒸發器的簡圖如圖2所示，制冷劑在管程(換熱管銅管內)運行，凍水在殼程(換熱管銅管外)運行。

圖2 干式蒸發器

2 干式蒸發器換熱管破裂的原因分析

2.1 第1排換熱管承受的沖擊力最大，磨損最嚴重

冷卻水經進口管路和出口管路流經干式蒸發器殼程，冷卻水先流經小管徑，再進入大管徑，最后進入小管徑。冷卻水進入蒸發器殼程時流速較高，然后在蒸發器中呈曲線前進，流速慢慢降低，在出口處流速提高后流出。通過分析該過程可知，如果將冷卻水在蒸發器殼程中受到的阻力損失忽略不計，則冷卻水的入口處和出口處應該具有相同的流速。但是，對于換熱管來說，它受到冷卻水的沖擊力不同。

圖3 換熱管振動示意圖

出口側，冷卻水流經最后一塊折流板后，通過整個換熱管管束，流速慢慢提高，最后流到出口。在該過程中，多數換熱管有效地分解了這個沖擊力，并且前排的換熱管比后排的換熱管承受的沖擊力要大，對后排換熱管形成了保護屏障。進口側冷卻水的流速較高，因第1排換熱管承受的沖擊力最大，隨著流速的降低，后排的換熱管承受的沖擊力慢慢變小，第1排換熱管承受的沖擊力較大，振動較大，振幅增大，直接造成第1排換熱管的磨損和破裂。換熱管振動示意圖如圖3所示。

2.2 冷卻水進出存在的溫差較小，提高了冷卻水的流量，增大了對換熱管的沖擊力

根據熱力學公式：

Q=CρVΔt

(1)

式中，Q是熱負荷，單位為kW；V是載冷劑體積流速，單位為m/s ；C是載冷劑比熱，單位為kJ /(kg·K)；Δt是冷卻水進出口溫差，單位為K；ρ是載冷劑密度，單位為kg/m3。

由式1可知，如果熱負荷不變，由于冷卻水比熱是一定的，如果冷卻水進出口溫差變小，則會增大冷卻水的流速，這樣就會提高冷卻水對換熱管的沖擊力，增大換熱管的振動，加大其與折流板接觸的磨損，容易導致換熱管破裂。此外，由于折流板上的圓孔是經過沖床加工得到的，所以圓孔的邊緣比較鋒利，由于和換熱管的振動中位線接觸，對換熱管的磨損較高，最終導致其破裂滲漏。

3 技術改進方案研究

3.1 選擇優質的換熱管

根據不同制冷劑選擇不同材質的換熱管。為了提高換熱管的使用壽命，減少其破裂現象的發生，其選擇主要遵循如下幾方面：1)選擇的換熱管管壁較厚，提高了其抗磨損能力；2)選擇耐沖擊、耐腐蝕和耐磨損的材料；3)選擇帶有外壁軋絲的換熱管，這樣在使用時先對軋絲外層進行磨損，延長了換熱管的使用時間。

3.2 殼程設置導流筒或防沖板

當管程介質從進口管軸向流入時，或者換熱管中的介質流速>3 m/s時，應設置防沖板，以使介質能均勻發布流入管束和防止對換熱管端的沖蝕。當殼程介質流入時，進口處的換熱管易受到介質沖刷，并造成侵蝕及振動，應設置防沖板。當入口處的非腐蝕、非腐蝕性的單相介質密度乘以流速的平方的值ρv2>2 230 kg/(m·s2)；其他液體包括沸點以下的液體：ρv2>740 kg/(m·s2)；對于有腐蝕或有腐蝕性的氣體、蒸汽及汽液混合物，都需采用防沖擊措施。

如果殼程進、出口接管距管板較遠，流體停滯區過大時，應該設置導流筒，這樣可以減少流體停滯區，增加換熱管的有效換熱長度。如果使用的干式蒸發器內部管束的布置比較滿，空間位置不足，則可以設置防沖桿代替防沖板，這樣可以大大降低進水管第1排換熱管受到的沖擊力，降低其破裂發生率。此外，對于冷卻水流速較高的情況，還可以適當增大冷卻水進、出管的口徑，減少沖擊力，延長換熱管的使用壽命。

3.3 改進干式蒸發器的設計

如果干式蒸發器為直換熱管和雙管板結構，同時內部的溫度反復變化，產生的熱效應力會比較強大，會對脹接部位產生較大的沖擊，最終導致換熱管的脹接部位破損，并出現滲漏的情況；因此，可對干式蒸發器的結構進行改進，改成U型換熱管和單管板結構，這樣能夠消除大部分的熱效應力，避免換熱管出現滲漏的情況。結構改進后，U型換熱管束的管口端全部和單管板相連，固定在上面，彎管端要和蒸發器的殼體端板之間存在一定的距離，在任意時刻這二者都不能接觸，也就是說彎管端全部為自由端。這樣的結構設計，換熱管和管板的焊接部位不會再受到熱效應力的沖擊，可以避免換熱管生成裂隙或者裂紋，降低其破損的發生率。

3.4 改進換熱管與管板的脹接工藝

由于換熱管與管板的連接方式主要是機械脹接，其方法主要是管口內徑插入脹管器，脹管器順時針旋轉，管端部位和管板孔被脹大，管端部位局部產生塑性變形，管板孔產生彈性變形。 脹管器退出之后，管板出現彈性恢復，使管板孔和管外壁的接觸部位出現較大的擠壓力，使管板和換熱管緊密結合，最終達到密封的效果，使其在使用中不會出現泄漏的現象[4]。脹接過程中，脹接程度一定要把握適度，不要出現欠脹和過脹的情況。過脹會使管壁變得更薄，容易出現裂紋，過脹后不能修復，整根換熱管將不能再使用；因此，在脹接過程中，需要對最佳脹度進行不斷的計算和反復的工藝模擬試驗，根據這些結果計算最佳脹度，本文中確定的最佳脹度為1%～1.9%，這樣保證了焊接的質量，同時降低了換熱管的破損率。此外，公司還需要引進先進的、專業的數控脹管調節機和脹管器，自動調節扭矩大小，既達到換熱管與管板的密封要求，又不會對換熱管造成損壞。

3.5 加厚折流板

折流板的最小間距應不小于圓筒直徑的1/5,且≥50 mm,最大間距應不大于圓筒的直徑。間距根據介質流速的需要可適當縮短。為增加換熱管與折流板的接觸面積，可以適當增加折流板的厚度。折流板管孔兩面都要倒角(2×45°),減小產生刀切的效果，以保證裝配穿管時不劃傷換熱管表面。

4 結語

本文主要對干式蒸發器換熱管劈裂的原因進行了簡要分析，然后提出了相應的技術改進措施，提高了換熱管的技術工藝，延長了其使用壽命，滿足了制冷系統的實際需要。這些技術的改進為冷凍機系統的制冷效果提供了可靠的依據，可對這些工藝技術進行推廣，應用在更多的換熱器生產中。

[1] 鄭賢德．制冷原理與裝置[M]．2版．北京：機械工業出版社，2008.

[2] 鄭賢德．制冷原理與裝置[M]．北京：機械工業出版社，2008.

[3] 王海峰,馬鳳麗,桑芝富.先脹后焊連接中焊接對脹接連接強度的影響[J].壓力容器,2010,27 (12):13-20.

責任編輯馬彤

TheAnalysisofFreezerEvaporatorHeatExchangeTubeRuptureCausesandTechnicalImprovements

ZHANG Ping

(Nanjing Wuzhou Refrigeration Group Co., Ltd.,Nanjing 211100，China)

Evaporator is an important part of refrigeration system, and its heat capacity directly affects the ability of the freezer′s cooling performance. Evaporator can be divided into two types of dry evaporator and flooded evaporator. Dry evaporator is with high reliability, good environmental protection, and energy efficient features.This article study reasons with dry evaporator tubes for the breakdown, and the corresponding technical improvements.

dry evaporator，heat exchange tube rupture，cause analysis，technical improvements

TK 172.4

：A

章萍(1961-),女,工程師，主要從事空調制冷技術等方面的研究。

2015-01-12