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(shè)計(jì)背景

對(duì)于使用新型制冷劑的水冷式離心制冷機(jī)組而言,由于充注制冷劑較多,制冷劑成本占整機(jī)成本比重較大。因此,減小制冷劑的充注量成為降低機(jī)組成本的主要途徑之一。對(duì)此,設(shè)計(jì)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(jī)組工作原理

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

▲圖1 水冷式離心制冷機(jī)組換熱系統(tǒng)

圖1中虛線表示油路循環(huán),潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)油泵進(jìn)入電機(jī)潤(rùn)滑軸承后,回到油箱。圖1中實(shí)線表示制冷劑循環(huán),壓縮機(jī)為換熱系統(tǒng)提供動(dòng)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(shí),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(jī)。

在外界作用下,水冷式離心制冷機(jī)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(guò)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(jī)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(guò)冷液體。一部分制冷劑流至油箱,通過(guò)制冷劑泵,對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。

筆者考慮,冷凝器底部制冷劑的液面是一個(gè)自由面,距離出口近的液面高度低于遠(yuǎn)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(jìn)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(huì)影響機(jī)組的性能。

3 殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jìn)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(wú)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(shè)計(jì)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(wèn)題,材料選擇方面難度較大。

設(shè)計(jì)方案二為在殼管式冷凝器底部左右端各設(shè)置一個(gè)腔體,在腔體底部設(shè)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(shí)在腔體底部設(shè)置引射接口,可以及時(shí)將液態(tài)制冷劑引射出去,以消除機(jī)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(dòng)較大,并且會(huì)改變殼管式冷凝器的外觀。

設(shè)計(jì)方案三為在殼管式冷凝器底部左右端各設(shè)置一個(gè)受壓腔體,可以減小底部空間的體積,從而達(dá)到減小制冷劑充注量的目的。受壓腔體由左右導(dǎo)流板、管板連接件和下殼體密封焊接而成。兩個(gè)受壓腔體下方均設(shè)有服務(wù)閥接口,方便維修。與液管連接的殼體下端設(shè)有傳感器接口,方便測(cè)量溫度。此方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)用性。

綜上所述,采用設(shè)計(jì)方案三,殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 設(shè)計(jì)方案三殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)

4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

導(dǎo)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(dǎo)流板厚度C與殼體厚度一致,為受壓件。導(dǎo)流板長(zhǎng)度D小于殼體長(zhǎng)度的一半,且在殼體內(nèi)部對(duì)稱放置。導(dǎo)流板材料為Q345R鋼。

▲圖4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

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

水冷式離心制冷機(jī)組中傾斜設(shè)置導(dǎo)流板,有如下特點(diǎn):

(1) 將導(dǎo)流板上方與殼體組成的腔體內(nèi)的液態(tài)制冷劑導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jī)冷卻的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)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(gè)傾斜的導(dǎo)流板,用來(lái)引導(dǎo)冷凝后的液態(tài)制冷劑直接進(jìn)入液管,進(jìn)行系統(tǒng)熱交換,同時(shí)有足夠的制冷劑流至油箱,滿足冷卻電機(jī)的需求。兩個(gè)受壓腔體下方設(shè)置服務(wù)閥接口及傳感器接口,方便維修與檢測(cè)。整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jī)組采用新型制冷劑,價(jià)格比較昂貴,以制冷劑充注量1 203 kg為例,經(jīng)計(jì)算使用所設(shè)計(jì)的殼管式冷凝器后,可節(jié)省大約6%制冷劑。以制冷劑單價(jià)112.33元/kg計(jì)算,可節(jié)約制冷劑成本約8 107.98元。去除材料及制作費(fèi)用2 282.85元,總計(jì)可節(jié)省成本5 825.13元。由此可見(jiàn),應(yīng)用所設(shè)計(jì)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(jì)效益。