章萍
【摘 要】蒸发器是制冷系统中的重要组成部分,其换热能力的高低直接影响着冷冻机的制冷性能.蒸发器主要分为干式蒸发器和满液式蒸发器2种类型.干式蒸发器具有可靠性高、环保性好和高效节能的特点,本文对干式蒸发器换热管破裂的原因进行了研究,并提出了相应的技术改进措施. 【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】3页(P144-146)
【关键词】干式蒸发器;换热管破裂;原因分析;技术改进
【作 者】章萍
颠簸的航行【作者单位】内螺旋涡流金属分选机南京五洲制冷集团有限公司,江苏南京211100
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【正文语种】中 文
【中图分类】htc a310TK172.4
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干式蒸发器主要应用在氟利昂制冷系统中，它的外形和结构基本上与满液式蒸发器相同，但是它具有如下几方面的优点：干式蒸发器的制冷剂液体在传热管内进行沸腾交换，载冷剂是其传热管外侧的被冷却介质[1]，冷量损失少，传热管不易出现生冻结铮的现象。干式蒸发器和满液式蒸发器相比，需要的制冷剂充注量较小，仅为其l/3。由于管内的制冷剂进行液——气相变换会产生高速的气液混合流动，自动将润滑油带入压缩机内，所以，干式蒸发器的回油效果较好，而且不需要对回油系统进行单独设计，制冷剂在管内流动，流速较高，充液量少，易返回压缩机。当前，干式蒸发器在冷冻机组中广泛应用，理论研究和设计技术比较完善，可靠性较高。但是为了提高金属材料的节约率[2]、空间或者能源，当前干式蒸发器的工程设计和理论研究主要集中在3个方面：研发和采用高效蒸发换热管；控制污垢热阻；采用小的管间距等[3]。本文主要对干式蒸发器中的换热管破裂进行研究。冷冻机制冷的工艺流程图如图1所示。制冷气体经过压缩机压缩之后进入冷凝器，气体经过冷却水的热交换自行冷却成液体，冷却的液体经贮液器进入过冷器，在管程和壳程两部分
进行自冷却，过冷器中的制冷剂分别进入压缩机(气态制冷剂)和远程蒸发器(液态制冷剂)，蒸发器中的液态制冷剂和物料进行热交换，变成气态制冷剂之后回到吸入槽，循环利用，气态制冷剂最终回到压缩机。此外，吸入槽和压缩机的出口之间还有一个热气旁通管，用来防止压缩机喘振，保证其具有一定的可压缩气体。
干式蒸发器的主要特点是制冷剂在离开换热器时是过热气体，制冷剂安排在换热管内蒸发，进口为气液混合物，出口为过热气体。为了保证换热效果，折流板与圆筒的间隙、换热管与折流板的间隙均应不大于GD151—lN9或TEMA规定的最小间隙。特别是在低温情况下，这些间隙显得尤为重要。因为在低温情况下，载冷剂一般为高黏度流体，流速较低，热阻相对增大，间隙泄漏更加明显，所以在低温情况下对间隙的控制一定要更加严格。换热管与管板一般采用胀接的连接方式，在制冷剂进口，一般设置1套分配器用来平均分配气液混合物，干式蒸发器一般适合在排量<2 000的压缩机中使用，在大型系统中由于制冷剂的分配不均问题，最好不使用该形式的蒸发器。干式蒸发器主要由管板、端盖、管束、筒体及各种附件组成。其中，筒体与管板密封焊，端盖是由封头与接管、容器法兰组焊而成，管板与管束胀接而成。进、出水管口存在于筒体上，筒体和进、出水管组焊。干式蒸发器的简图如图2所示，制冷剂在管程(换热管铜管内)运行，冻水在壳程(换热管铜管外)运 行。
2.1 第1排换热管承受的冲击力最大，磨损最严重
冷却水经进口管路和出口管路流经干式蒸发器壳程，冷却水先流经小管径，再进入大管径，最后进入小管径。冷却水进入蒸发器壳程时流速较高，然后在蒸发器中呈曲线前进，流速慢慢降低，在出口处流速提高后流出。通过分析该过程可知，如果将冷却水在蒸发器壳程中受到的阻力损失忽略不计，则冷却水的入口处和出口处应该具有相同的流速。但是，对于换热管来说，它受到冷却水的冲击力不同。
出口侧，冷却水流经最后一块折流板后，通过整个换热管管束，流速慢慢提高，最后流到出口。在该过程中，多数换热管有效地分解了这个冲击力，并且前排的换热管比后排的换热管承受的冲击力要大，对后排换热管形成了保护屏障。进口侧冷却水的流速较高，因第1排换热管承受的冲击力最大，随着流速的降低，后排的换热管承受的冲击力慢慢变小，第1排换热管承受的冲击力较大，振动较大，振幅增大，直接造成第1排换热管的磨损和破裂。换热管振动示意图如图3所示。
2.2 冷却水进出存在的温差较小，提高了冷却水的流量，增大了对换热管的冲击力
根据热力学公式：
式中，Q是热负荷，单位为kW；V是载冷剂体积流速，单位为m/s ；C是载冷剂比热，单位为kJ /(kg·K)；Δt是冷却水进出口温差，单位为K；ρ是载冷剂密度，单位为kg/m3。
由式1可知，如果热负荷不变，由于冷却水比热是一定的，如果冷却水进出口温差变小，则会增大冷却水的流速，这样就会提高冷却水对换热管的冲击力，增大换热管的振动，加大其与折流板接触的磨损，容易导致换热管破裂。此外，由于折流板上的圆孔是经过冲床加工得到的，所以圆孔的边缘比较锋利，由于和换热管的振动中位线接触，对换热管的磨损较高，最终导致其破裂渗漏。
3.1 选择优质的换热管
根据不同制冷剂选择不同材质的换热管。为了提高换热管的使用寿命，减少其破裂现象的发生，其选择主要遵循如下几方面：1)选择的换热管管壁较厚，提高了其抗磨损能力；2)选择耐冲击、耐腐蚀和耐磨损的材料；3)选择带有外壁轧丝的换热管，这样在使用时先对轧丝外层进行磨损，延长了换热管的使用时间。
3.2 壳程设置导流筒或防冲板
当管程介质从进口管轴向流入时，或者换热管中的介质流速>3 m/s时，应设置防冲板，以使介质能均匀发布流入管束和防止对换热管端的冲蚀。当壳程介质流入时，进口处的换热管易受到介质冲刷，并造成侵蚀及振动，应设置防冲板。当入口处的非腐蚀、非腐蚀性的单相介质密度乘以流速的平方的值ρv2>2 230 kg/(m·s2)；其他液体包括沸点以下的液体：ρv2>740 kg/(m·s2)；对于有腐蚀或有腐蚀性的气体、蒸汽及汽液混合物，都需采用防冲击措施。
如果壳程进、出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应该设置导流筒，这样可以减少流体停滞区，增加换热管的有效换热长度。如果使用的干式蒸发器内部管束的布置比较满，空间位置不足，则可以设置防冲杆代替防冲板，这样可以大大降低进水管第1排换热管受到的冲击力，降低其破裂发生率。此外，对于冷却水流速较高的情况，还可以适当增大冷却水进、出管的口径，减少冲击力，延长换热管的使用寿命。
3.3 改进干式蒸发器的设计
如果干式蒸发器为直换热管和双管板结构，同时内部的温度反复变化，产生的热效应力会比较强大，会对胀接部位产生较大的冲击，最终导致换热管的胀接部位破损，并出现渗漏的情况；因此，可对干式蒸发器的结构进行改进，改成U型换热管和单管板结构，这样能够消除大部分的热效应力，避免换热管出现渗漏的情况。结构改进后，U型换热管束的管口端全部和单管板相连，固定在上面，弯管端要和蒸发器的壳体端板之间存在一定的距离，在任意时刻这二者都不能接触，也就是说弯管端全部为自由端。这样的结构设计，换热管和管板的焊接部位不会再受到热效应力的冲击，可以避免换热管生成裂隙或者裂纹，降低其破损的发生率。
3.4 改进换热管与管板的胀接工艺
由于换热管与管板的连接方式主要是机械胀接，其方法主要是管口内径插入胀管器，胀管器顺时针旋转，管端部位和管板孔被胀大，管端部位局部产生塑性变形，管板孔产生弹性变形。 胀管器退出之后，管板出现弹性恢复，使管板孔和管外壁的接触部位出现较大的挤压力，使管板和换热管紧密结合，最终达到密封的效果，使其在使用中不会出现泄漏的现象[4]。胀接过程中，胀接程度一定要把握适度，不要出现欠胀和过胀的情况。过胀会使管
壁变得更薄，容易出现裂纹，过胀后不能修复，整根换热管将不能再使用；因此，在胀接过程中，需要对最佳胀度进行不断的计算和反复的工艺模拟试验，根据这些结果计算最佳胀度，本文中确定的最佳胀度为1%～1.9%，这样保证了焊接的质量，同时降低了换热管的破损率。此外，公司还需要引进先进的、专业的数控胀管调节机和胀管器，自动调节扭矩大小，既达到换热管与管板的密封要求，又不会对换热管造成损坏。
3.5 加厚折流板
折流板的最小间距应不小于圆筒直径的1/5,且≥50 mm,最大间距应不大于圆筒的直径。间距根据介质流速的需要可适当缩短。为增加换热管与折流板的接触面积，可以适当增加折流板的厚度。折流板管孔两面都要倒角(2×45°),减小产生刀切的效果，以保证装配穿管时不划伤换热管表面。
