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详解干式、满液式、降膜式蒸发器

楼主:暖通南社 时间:2018-10-10 08:54:30

干式、满液式、降膜式蒸发器工作原理与结构

干式蒸发器

干式蒸发器制冷剂在换热管内通过,冷水在高效换热管外运行,这样的换热器换热效率相对较低,其换热系数仅为光管换热系数的2倍左右,但是其优点是便于回油,控制较为简便,而制冷剂的充注量大约是满液式机组充注量的1/2~1/3左右。


满液式蒸发器

满液式蒸发器与干式蒸发器的运行方式恰好相反,冷水在换热管内通过,制冷剂完全将换热管浸没,吸热后在换热管外蒸发。满液式蒸发器的传热管表面上有许多针形小孔,管内表面上还有螺旋形凸起强化冷水侧的换热。这种同时强化管外沸腾和管内传热的高效传热管,使其传热系数较光管提高了5倍左右。


降膜式蒸发器


降膜式蒸发器,也称之为喷淋式蒸发器,这种换热器与满液式蒸发器相似,但是它又与满液式蒸发器有区别。这种蒸发器的制冷剂是从换热器的上部喷淋到换热管上,制冷剂只是在换热管上形成一层薄薄的冷剂液膜,这样冷剂在沸腾蒸发时便减少了静液位压力,从而提高了换热效率,其换热效率较满液式机组提高了5左右。


降膜蒸发是流动沸腾,由于管外表面的液膜层厚度小,没有静压产生的沸点升高,传热系数高。而满液式蒸发(也就是沉浸式蒸发)产生的气泡易于集聚在换热管的表面,导致换热效率下降,其换热效果不如降膜蒸发。总的来说降膜蒸发属于小温差情况下,但要防止结垢,影响传热效率。

“冷水机组”,是对一种制冷机组的习惯命名法,这种“冷水机组”一般用于中央空调的冷源,或者空调工况的制冷,输出的是低温的冷水,通常叫做“冷冻水”,故而得名。一般把只能制冷的叫做冷水机组,而能同时制热的,我们叫做“热泵”机组。

而“满液式”是指机组所用的“壳管式蒸发器”采用了“满液式蒸发器”的形式,这是区别于“干式”、“降膜式”的一种壳管式蒸发器。它的“壳程”内走制冷剂循环,“管程”内走冷冻水循环,从剖面上看,就好像是筒体里有大半筒制冷剂,而走水的管束浸泡在制冷剂里。它和“干式蒸发器”刚好相反,干式的是“管程”走制冷剂,“壳程”走水,好比制冷剂管束浸泡在水里

满液式蒸发器,以及满液式机组,比起干式蒸发器/干式机组来说传热效率更高,出水温度与蒸发温度的趋近温差小,沿程阻力小,适合循环量大的机组(比如离心机),制冷效果好。但是制冷剂充注量要求大,并且需要专用的回油系统,帮助压缩机回油。

如果在机组名字前再加上“水冷”,则是指机组的冷凝器形式,采用水冷却还是空气冷却,分为风冷、水冷。如果再加上压缩机的形式“活塞式、螺杆式、离心式”,那么就是完整的机组命名了。

比如“水冷螺杆满液式冷水机组”。在大部分场合,为了简略,会省却其中一两个部件的名称,只提和上下文相关的名称,比如“满液式冷水机组”(可能是只为了强调“满液式。

满液式就是冷媒在铜管与壳管之间,而冷冻水在铜管里面流动,干式就是他两相反。冷媒在铜管里蒸发,水在铜管与壳管之间流动,他们主要用于热泵空调上。在工业低温冷水机一般都是用普通那种干式的蒸发器。


优缺点与比较

干式和满液式蒸发器的优缺点

满液式壳管蒸发器在管内走水,制冷剂在管簇外面蒸发,所以传热面基本上都与液体制冷剂接触。一般壳体内充注的制冷剂量约为筒体有效容积的55%~65%,制冷剂液体吸热气化后经筒体顶部的液体分离器,回入压缩机。

其优点是结构紧凑,操作管理方便,传热系数较高。其缺点是:

①制冷系统蒸发温度低于0℃时,管内水易冻结,破坏蒸发管;

②制冷剂充灌量大;

③受制冷剂液柱高度影响,筒体底部的蒸发温度偏高,会减小传热温差;

④蒸发器筒体下部会积油,必须有可靠的回油措施,否则影响系统的安全运行。

干式壳管式即非满液式蒸发器的制冷剂在管内流动,水在管簇外流动。制冷剂流动通常有几个流程,由于制冷剂液体的逐渐气化,通常越向上,其流程管数越多。为了增加水侧换热,在筒体传热管的外侧设有若干个折流板,使水多次横掠管簇流动。

其优点是:

①润滑油随制冷剂进入压缩机,一般不存在积油问题

②充灌的制冷剂少,一般只有满液式的1/3左右;

③t0在0℃附近时,水不会冻结。

但使用这种蒸发器必须注意:

①制冷剂有多个流程,在端盖转弯处如处理不好会产生积液,从而使进入下一个流程的液体分配不均匀,影响传热效果;

②水侧存在泄漏问题,由于折流板外缘与壳体间一般有1~3mm间隙,与传热管之间有2mm左右的间隙,因而会引起水的泄漏。实践证明,水的泄漏会引起水侧换热系数降低20%~30%,总的传热系数降低5%~15%。

类别

干式蒸发器

满液式蒸发器

流体布置

制冷剂走管程,冷冻水走壳程

制冷剂走壳程,冷冻水走管程

充液量

制冷剂充注量少,其充液量只为管内容积的40%左右即可[2],为相同制冷量满液式蒸发器的三分之一[1]

制冷剂充注量多,一般液面高度为筒径的55%~65%,上部留1~2排换热管露出液面。(制冷剂充注液面过高,蒸汽中易夹杂液滴,若分离不完全易造成压缩机液击;液面过低,传热面积不能充分利用)[1]

冷冻水量[1]

冷冻水需求量相对较大

在保持同等效率前提下,满液式传热温差较干式小,水需求量大幅减少

过热度/蒸发温度

有一定过热度,蒸发温度相对较低

无需过热度,蒸发温度可大幅提升[1]

回油性能

由于制冷剂走管内,流速较大,故无需回油装置就能将润滑油带回压缩机[2]

回油难且不稳定,因此必须靠可靠的回油措施。(专门的分油措施和回油管路是满液式机组的关键技术)

气液分离器

由于有一定的过热度,一般不需气液分离器

大多设置气液分离器,分离气态和液态冷媒,以免造成液压缩

分液现象

容易造成各管子制冷剂分配流量不均匀现象,尤其多流程[1]

不存在气液分相不均现象

冻结危险

被冷却液体在管外,冷量损失少,可缓解冻结危险[2]

当蒸发温度过低或载冷剂流速过慢,载冷剂可能结冰而冻坏管子

换热性能

换热管表面部分液体润湿,表面传热系数略低[1]

折流板与壳体等泄露,降低水侧换热效果[1]

换热管表面液体润湿,表面传热系数较高[1]

当壳体直径较大时,受液体静压力的影响,底部液体的蒸发温度有所提高,减少了传热温差,尤其是氟利昂密度大,影响更显著[3]

制冷剂侧阻力

相对较大

相对较小

结垢性能

壳侧冷冻水结垢易附着在换热管外表面,不易清洗

冷冻水结垢在换热管内表面,相对容易清洗

膨胀阀

大都以感温式膨胀阀(电磁或热力膨胀阀),热力膨胀阀通过压缩机吸气过热度调节开度,控制性能良好

电子膨胀阀,通过液位传感器和压缩机排气过热度控制阀的开度(成本太高);或蒸发器换热温差和排气过热度控制开度

COP[1]

COP相对较低,性能一般

COP较高,性能较好

可靠性

可靠性一般

维护方便,可靠性高[1]

冷媒替换

干式蒸发器一般可直接更换冷媒

无法替换冷媒,只能更换制冷机组

结构

结构紧凑,制造加工较难(折流板等)

结构紧凑,占地面积小,制造安装方便

备注:

[1] 潘丽君.满液式蒸发器与干式蒸发器的区别[J].制冷,Vol30(3),2011.09:80-83.

[2] 彦启森.制冷技术及其应用[M].中国建筑工业出版社.2006.06:210.

[3] 吴亚正.制冷原理及设备[M].第一版.西安交通大学出版社.1987.09:200.

未标注出处的比较基本上是参照百度文库或其他论坛查询。

国家能源效率标准


类型

额定制冷量(CC/kW

能效等级(COP/W/W

1

2

3

4

5

风冷式或蒸发冷却式

CC≤50

3.20

3.00

2.80

2.60

2.40

CC>50

3.40

3.20

3.00

2.80

2.60

水冷式

CC≤528

5.00

4.70

4.40

4.10

3.80

528<CC≤1163

5.50

5.10

4.70

4.30

4.00

CC>1163

6.10

5.60

5.10

4.60

4.20


一种螺旋式油分离器在满液式螺杆冷水机组中的应用研究

回油的原因

由于润滑油沸点远高于制冷剂的,所以润滑油随制冷剂进入蒸发器后不会同制冷剂一起蒸发,此时若不采取适当措施,润滑油势必在蒸发器中越积越多,一方面在换热器的壁面上形成一层油膜,这样就大大降低了传热效果和制冷效率;另一方面压缩机缺油,这对机组的安全高效运行极为不利。因此,需要有合适的技术措施和控制程序处理润滑油,否则不能保证满液式蒸发器传热性能,机组的安全运行也会成问题。

油分离器

当螺杆式压缩机排出的高压气体和油的混合物进入油分离器时,由于油分离器容积大,气体的流速突降,加上气体的流动方向改变,依靠惯性作用使油分离沉降下来,大量的油聚集在分离器底部。这种分离被称为一级分离。为了进一步提高分离精度,一般要进行二级分离。一级分离后,利用特制的充填物,将细小的雾状油滴通过捕集作用,使油滴聚集变大,在流经填充物时被进一步分离出来。有的高效型油分离器还有三级分离:再通过一个组合过滤器进行分离。一级分离的方式主要有:降速式分离、撞击式分离、离心式分离或以上几种组合式分离;二级分离的方式主要有:金属丝滤网分离、玻璃纤维分离、聚酯纤维分离、微孔陶瓷分离等。从油分离器的结构形式上分,有压缩机内置油分离器、外置卧式油分离器、外置立式油分离器、冷凝器内置式油分离器。虽然结构各异,但分离都是以上一种或多种分离方式的组合。


图1 冷水机组的回油技术研究


1取油位置

在冷水机组运行时,虽然蒸发器内部制冷剂始终处于剧烈沸腾状态,但由于液态制冷剂汽化后都要向上升,因此蒸发器筒体内的气液混合物的整体运动趋势都是向上的。随着制冷剂汽化后被吸回压缩机,而润滑油的密度小于液态制冷剂(如R22和R134a等)的密度,润滑油会在蒸发器内形成下稀上浓的浓度差异。不同的是,R22之类的制冷剂在较低温度下因与矿物润滑油互溶性较差而在靠近液面上部形成较明显的富油区,并且R22蒸发器中的富油区不但在机组不运行或机组

停止时存在,就是在冷水机组运行过程中也是存在的;而R134a之类的制冷剂由于与酯类润滑油在低温下的互溶性良好而无法形成明显的富油区,只能自下而上形成大致均匀的浓度差,并且各点的润滑油浓度在停机一段时间后就趋于平衡。为了能取到浓度尽量高的润滑油,并适当考虑液位的波动,对于R22和R134a冷水机组,蒸发器取油口的位置均设置于实际液面下150mm左右是比较合适的。有人曾做过将取油口设在液面下200mm以下的试验,结果不是很理想,主要问题

是排气温度降低较多,很明显是回油携带的制冷剂量过多所致。而回油孔的位置如果偏高,可能导致冷水机组部分负荷时无法回油。

1.2回油方法

1.2.1重力回油

重力回油的一般做法是将蒸发器位置提高,再将富油液态制冷剂从蒸发器适当位置引出,借助高度差,使富油制冷剂向下流入一个回油热交换器,与来自冷凝器的高温液态制冷剂进行热交换,这样一方面可提高液态制冷剂的过冷度,有助于机组冷量的提升,另一方面可将富油液态制冷剂中液态制冷剂蒸发,使之成为气态进入压缩机。其系统示意图如图2所示。


图2 重力回油示意图

图中有部分阀没有注明具体名称,主要是因为这些阀有多种可能的搭配。这种回油方式也可称为热虹吸式回油

从制冷剂流量控制装置的角度来看,重力回油系统由于在蒸发器内取油的位置将会影响其回油的成功与否,而实际运转中的液位能否与之适应更是决定回油成功与否的关键。因此,液位的控制(即制冷剂流量的控制)便显得更加重要。与重力回油系统相匹配的制冷剂流量控制方法主要有用高压或低压浮球阀以冷凝器或蒸发器液位传感器为控制信号的电子膨胀阀。另外,从蒸发器的回油量也要控制,否则进入回油换热器的混合液体过多将降低冷水机组的制冷能力,也会因制冷剂无法完全蒸发而吸入压缩机引起液压缩。由于蒸发器与回油换热器的高度差是使油回流的动力,若在相同的管路摩擦损失下,高度差越大流量越大,所以一般的回油管路只需设置一个固定开度的角阀,只需在样机测试阶段调整角阀开度就能够满足机组正常运行所需的回油量。

蒸发器的回油总是会含有或多或少的液态制冷剂,这些液态制冷剂因未能与换热管接触而未能带走水的热量,并且它进入压缩机经过电机腔后被电机绕组的散热汽化后会占用部分蒸发器回气所应占有的压缩机吸气体积。因此,回油中所含制冷剂越多,机组的制冷能力损失越严重。也就是说,回油并非越多越好,即保证冷水机组的运行过程中不失油并且使回油所引起的制冷量损失最小的回油量应该等于压缩机排气经过油分后所携带的润滑油量。这样,根据质量守恒原理,不难推导出润滑油的质量平衡方程式而估算出实际所需的回油量。

1.2.2引射器回油

引射器是一种利用高压高速的驱动流(或称一次流)去引射、抽吸另一种流体(二次流)的流体机械装置,其外形如图3所示,引射器回油的冷水机组系统示意图如图4所示。由图4可知,自压缩机排气侧引出高压制冷剂蒸气进入引射器,由于引射器的特殊构造,此时即可将富含润滑油和液态制冷剂的混合液体从蒸发器的适当位置抽吸出来,再混合进入压缩机或吸气管。引射器回油的动力源即排气压力与吸气压力的压差产生的抽吸作用,这样蒸发器的位置就无需再提高。


图3 引射器结构示意图


图4 引射器回流的冷水机组系统示意图


由于该引射器一般利用压缩机排气作为驱动流,当外界温度较低时,主机开机较长时间高压也不易建立,此时引射器的驱动力就不足,引射效率就可能受影响,润滑油就很难回到压缩机,可能造成失油。而相同的问题也存在于重力回油系统,由于冬天气温较低,相对的液管温度也较低,尤其在低负荷的情况下,液管制冷剂流量也相应减小,此时回油中的液态制冷剂可能无法完全蒸发而被吸入压缩机,使得压缩机排气过热度降低,也容易失油。可利用旁通冷却水的方法维持一定的冷凝压力,从而克服上述困难。

采用引射器回油的冷水机组,除了在其动力源管路中设置电磁阀外,也可设一角阀,通过控制一次流流量调节所需的回油量。而在蒸发器的取油管路上,可设置一干燥过滤器防止蒸发器中可能存在的焊渣、铁锈随回油进入压缩机内部对压缩机造成损坏,另需设置视液镜以便观察回油状况。

引射器回油的动力源不但可用压缩机高压排气,而且可用冷凝器底部的高压液态制冷剂一次油分底部的高压润滑油,甚至还可用吸气作为引射动力源,具体接管方式与图4稍有不同,见图5。


以吸气为动力源的引射器回油示意图

它是利用蒸发器回气主管中内置的一个类似喷嘴的渐缩渐扩管实现的。当高速的蒸发器回气流经该渐缩渐扩管时,由于其流通截面积缩小,因而速度提升,此时回气部分静压转化为动压,静压降低,以致在喉部(渐缩渐扩管最窄处)产生一个比蒸发器内部压力更低的压力,由于回油取自蒸发器筒体内部,此时便有足够的压差将油-制冷剂混合物自蒸发器抽吸回来,然后混合物经过喉部与一次流混合后在渐扩管内减速,静压升高,至渐缩渐扩管出口时压力升至蒸发压力,因流动摩擦阻力和引射流体的影响,此混合流体的速度有所降低,但已足够将管内的混合物带到回气主管中,最后回到压缩机。但如果回油完全是从蒸发器内引出,回油中的液态制冷剂恐怕就更容易导致液压缩了。不过这种方法因避免了高压制冷剂的损失,因而可有效地提高冷水机组效率,也不失为一种比较新颖的应用。


1.3.3直接回油

直接回油,顾名思义,不像前述2种方式那样有驱动力,而是使制冷剂与润滑油的泡沫直接通过一些处理后吸入压缩机。因为压缩机一旦吸入过多泡沫将造成液压缩,因此回油量的控制尤其重要。这种作法国内已有厂家尝试过,国外也有厂家采用此方法。因为这种方法较上述2种方法简单,而且对机组的能力影响较少,因此也是一种比较有前途的回油方案。其系统示意图见图6,图6中有部分阀没有注明具体名称,也是因为这些阀有多种搭配方式。


图6 采用直接回油法的冷水机组系统示意图

基本上,与它配合的制冷剂流量控制方式节流孔板以及混合式节流等方式,但不管怎样,制冷剂的充注量及机组的冷凝器和蒸发器的相对位置都是比较重要的。以混合式节流为例,即在节流孔板之外再加一只电子膨胀阀,它直接检测压缩机的排气温度,当压缩机吸入过多液态制冷剂时,其排气温度会下降,此时即为液位太高,制冷剂供过于求。若排气温度高,则液位下降,应使蒸发器的供液量增加。这就是在节流孔板之外再加一套监控系统,更增加直接回油系统的可靠性。前2种方法都存在浪费本该用于制冷的液态制冷剂的问题,引射回油还要消耗高压制冷剂的能量,如果用直接回油法,则上述损失都不会发生,可把压缩机的排气完全用于制冷,若再辅之以中间补气口以及良好的换热器设计,机组的性能可有较大的提高。

直接回油的一大关键点就是要把过大的液滴隔离开,这需要对蒸发器包括挡液板在内的内部结构设计进行优化,在此不详细讨论。

干式蒸发器喷液位置

喷液位置在吸入口


喷液位置在中间



视液镜


带经济器的风冷热泵机组



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