太阳能制冷器冷凝器研究与开发

徐国强

【摘 要】本文介绍了一种新型的管壳式冷凝器，它是太阳能吸收式制冷机的重要换热设备之一，其主要作用是将发生器排出的过热制冷剂蒸汽冷凝成为饱和液体，经U形管节流后进入蒸发器吸热蒸发，达到制冷目的。与传统的冷凝器相比，它采用了外螺纹强化换热管，具有换热系数大、体积小、不易结垢等优点。并加装了折流板，增加了气体与管壁的接触时间，从而增强了换热效果。本文介绍了冷凝器的原理、结构、功能，并进行了设计计算和校核。最后，利用Solid works的三维造型功能来设计冷凝器的模型。

【关键词】管壳式冷凝器；吸收式制冷机；强化换热；换热系数；Solid works

1.绪论

1.1本课题研究的背景及意义

世界性的能源紧张，牵制着世界经济的可持续发展。能源消耗主要由工业耗能、交通耗能和建筑耗能组成，而建筑耗能占总能耗的70%，在电力高峰负荷中，电力空调所占的比重已达到50%。大量的二氧化碳的排放，使大面积的植被遭破坏。加快了北方荒漠化的进程，沙漠的最前端距天安门广场只有70km。

化石能源经过数百年的消耗，已经不可逆转的走向枯竭。据测算，化石燃料将在2030～2040年之间达到生产和消耗的峰值。因此，大力开发利用可再生能源已成当务之急。据文献资料介绍，地球大气层上界接收到的太阳辐射功率约为1.73×1017W，其中有23%的太阳辐射能达到地球表面，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。太阳能是各种可再生能源的首选。

研究与推广太阳能空调，解决了耗电高的问题，用环保型的制冷剂代替氟里昂。对节约常规能源。保护自然环境都具有十分重要的意义。

1.2 研究冷凝器的重要性

冷凝器是空调系统中的重要换热器，冷凝器对机组的性能有很大影响，对其工作性能的研究有助于制冷系统的改善和整机性能的提高。因此，冷凝器的研究成为当前太阳能空调研究的重点。

对冷凝器的优化设计，提高其冷凝换热系数，不仅可以降低压冷凝压力，提高机组的性能，还能减少冷凝器的换热面积，节省材料，降低成本。在能源问题从原来的民生问题转变为战略问题的今天，节能环保问题倍受关注，研究开发高效节能的热交换装置，是各国在节约能源和保护环境方面重点解决途径之一。

2.冷凝器的设计原理与思路

冷凝器的作用是将发生器排出的高温过热制冷剂蒸汽冷凝成为冷凝温度下的饱和液体。经U形管节流后进入蒸发器吸热汽化，达到制冷目的。在冷凝器里，制冷剂蒸汽把热量传递给周围的介质—水或空气。本文介绍的是管壳式水冷冷凝器，其中冷凝管采用外螺纹式强化换热管，并在壳体内加装了折流板，能有效地增强换热效果[1]。

3.冷凝器的设计计算

3.1热力计算及传热计算

热力计算是根据用户对制冷量和冷媒水温度等的要求，合理的选择某些设计参数（传热温差、冷却水温度、溶液温度等），然后对循环加以计算，其中包括设备热负荷的计算、热平衡计算、泵的流量计算等等，为随后的传热计算提供计算和设计基础[2]。

3.1.1设计参数的选定

（1）已知参数。

1）制冷量：它是根据生产工艺或空调要求，同时考虑到冷损、制造条件以及经济性等因素而提出。此处取3KW（考虑到热量损失，实际计算时按3.3KW）。

2）冷媒水出机温度tl2：它是根据生产工艺或空调要求提出的。对于溴化锂吸收式制冷机，用水作制冷剂，故一般tl2大于5℃。这里取tl2=10℃，冷媒水进蒸发器温度tl1=14℃。

3）冷却水进口温度tw1：根据当地的自然条件决定。需要指出的是，尽管降低tw1能使冷凝压力下降，吸收效果增强，但考虑到溴化锂结晶问题，并不是tw1愈低愈好，而是有一定的合理范围。取tw1=32℃。

（2）选定参数

1）吸收器出口冷却水温度tw2和冷凝器出口冷却水温度tw3：冷却水的总温升一般取7～9℃。考虑到吸收器的热负荷Qa较冷凝器的热负荷Qk大，通过吸收器的温升△tw1比通过冷凝器的温升 2高。冷却水的总温升△tw2为 。当采取串联方式时

2）冷凝温度tk及冷凝器压力Pk：冷凝温度一般比冷却水出口温度高2～5℃，即

根据tk=42℃，查饱和水蒸气表得Pk=8.198KPa（61.49mmHg）

3）蒸发温度 及蒸发压力 ：蒸发温度一般比冷媒水出水温度低2～4℃。即

根据t0=8℃，查饱和水蒸气表得P0=1.072KPa（8.04mmHg）

4）吸收器内溶液最低温度t2（出口温度）：吸收器内稀溶液的出口温度t2一般比冷却水出口温度高3～5℃，取传热温差为4℃，得：t2=tw2+4℃=40℃（3-5）

5）吸收器压力Pa：吸收器压力因蒸汽流经挡水板时的阻力损失而低于蒸发压力。一般取△P0=（10-70）Pa，此处取△P0=0.03KPa，得：

6）稀溶液浓度ζa：根据P0和t2从h-ε图查得ζa=56.5%

7）浓溶液浓度ζr：为了保证循环的经济性和安全可行性，希望循环的放气范围（ζr-ζa）在0.03～0.06之间，因而可以取（ζr-ζa）=0.05，得：ζr= ζa+0.05=61.5% （3-7）

8）发生器内溶液最高温度：根据ζr、 Pk从h-ε图查得t4= 92℃

9）溶液热交换器出口温度t7与t8：浓溶液出口温度t8由热交换器冷端的温差确定，如果温差较小，热效率虽较高，要求的传热面积仍会较大。为防止浓溶液的结晶，t8应比ζr浓度所对应的结晶温度高10℃以上，因此冷端温差取15～25℃，即

如果忽略溶液与环境介质的热交换，稀溶液的出口温度t7可根据溶液交换的热平衡式确定，即

式中a—循环倍率。它是吸收1kg冷剂水蒸气需补充稀溶液的公斤数。

将数值代入公式（3-10）得h7=（88.2-74）+6=78.05Kcal/kg

再由h7和ξ在h-ξ图上确定，t7=44℃

3.1.2热负荷计算

设备的热负荷根据设备的热平衡式求出。

1.设备单位热负荷

（1）蒸发器：q0=h1-h3=700-141.8=558.2kcal/kg （3-12）

（2）发生器：

qh=h3+（a-1）h4-ah7=715.7+（12.3-1）×88.2-12.3×78.05=752.35kcal/kg （3-13）

（3）冷凝器：qk=h3-h3=715.7-141.8=573.9kcal/kg （3-14）

（4）吸收器：

qa=h1+（a-1）hq-ah2=700+（12.3-1）×74-12.3×65=736.7kcal/kg（3-15）

（5）热交换器：q1=a（h1-h2）=12.3×（78.05-65）=160.52kcal/kg（3-16）

2.设备的热负荷

（1）冷剂水的循环量D==5.08kg/h （3-17）

（2）发生器的热负荷Q=Dqh=5.08×752.35=3821.94kcal/h （3-18）

（3）冷凝器的热负荷Qk=Dqk=5.08×573.9=2915.41kcal/h （3-19）

（1）吸收器的热负荷Qa=Dqa=5.08×736.7=3742.44kcal/h （3-20）

（2）热交换器的热负荷Qt=Dqt=5.08×160.52=815.44kcal/h（3-21）

3.1.3装置的热平衡式、热力系数

（1）热平衡。

若忽略泵消耗功率带给系统的热量以及系统与周围环境交换的热量，整个装置的热平衡式应为：Q0+Qh=Qk+Qa （3-22）

系统吸收的热量为Q0+Qh=2837.49+4446.78=7284.27（Kcal/h）

系统放出的热量为Qk+Qa=2915.41+4367.28=7282.69（Kcal/h）

两者相差很小，故可认为是平衡的。

（2）热力系数。热力系数用ξ表示，它反映消耗单位蒸汽加热量所获得的制冷量，用于评价装置的经济性。单效溴化锂吸收式制冷机的ξ一般为0.65～0.75，双效溴化锂吸收式制冷机的ξ通常在1.0以上。按定义ε===074 （3-23）

3.1.4 泵的流量及传热面积的计算

（1）冷冻水泵的消耗量

VL===0.709m/h（3-24）

（2）冷却水泵的流量

吸收器：Vw1===1.09m/h （3-25）

冷凝器：Vw2===1.08m/h （3-26）

二者基本相等，这说明冷却水温升的分配是合理的

（3）蒸发器泵的流量Vo===0.051m/h （3-27）

f-蒸发器冷剂水再循环倍率

（4）发生器泵的流量 Vo===0.038m/h （3-28）

ρ-稀溶液密度

（5）吸收器泵的流量

V==0.184m/h （3-29）

f—吸收器中稀溶液再循环倍率；ρp—喷淋溶液密度

（6）冷凝器传热面积Fk的计算[3]

简化的溴化锂吸收式制冷，机的传热计算公式如下，

F=m （3-30）

式中F--传热面积，m；

Q-传热量，w ；

△-热交换器中的最大温差，即热流体进口和冷流体进口温度之差，℃；

a，b-常数，它与换热器内流体流动的方式有关，具体数据见GB151-1999表格；

△t-流体a在换热过程中温度变化，℃；

△t-流体b在换热过程中的温度变化，℃。

采用公式（3-30）时，要求△t<△t

进入冷凝器的冷剂水蒸气为过热蒸汽，故计算时仍按饱和冷凝温度tk进行计算。由于冷剂水蒸气在换热过程中发生相变，故△t=0，即

Kk-冷凝器传热系数，取Kk=2500kcal/m2h0C

在以上各设备的传热面积计算公式中，除传热数外，其他参数均已在热力计算中确定。在设计计算时常根据同类型机器的试验数据作为选取K值的依据。

3.2 结构设计计算及强度校核

3.2.1冷凝管及其排列方式的设计

（1）外径及根数计算。

首先按光管计算，换热管常用尺寸有12mm，14mm，19mm，25mm等几种。根据强度要求，选用外径d=14mm不锈钢换热管，由GB13296-1991知，14mm换热管壁厚可取1mm，换热管有效长度取390mm。则可由换热面积计算所需根数：

n==≈16 （3-31）

为增强换热效果及排列合理，这里用18根换热管。

实际设计是选用外螺纹管代替钢管，能够取得更好的换热效果[4]，所选外螺纹管具体参数如下（mm）：冷凝管总长：410。冷凝管外径：14。冷凝管内径：12。冷凝螺旋螺纹长度：390。螺距：4。螺纹高度：0.5

（2）管束分程。

在管内流动的流体从管子一端流到另一端，称为一个管程。需加大换热面积时，可采用增加管长或者管数的方法。但前者受到加工、运输、安装等的限制。增加管数可以增加换热面积，但介质在管束中的流速随着管束的增加而下降，反而使流体的传热系数降低，故不能仅采用增加管数的方法来达到提高换热系数的目的。为解决这个问题，本设计将管束分成两个程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体流速，提高传热系数。此时冷凝管内冷却水流速

v==≈0.3m/s（3-32）

符合对于管内冷却水流速的要求。

（3）换热管中心距。

由GB151-1999知，换热管中心距S最小应为管子外径的1.25倍，用于冷凝时可适当增大中心距，所以此处取S=30mm。分程隔板两侧相邻管中心距Sn=40mm

（4）冷凝管排列型式。

冷凝管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形四种。

为提高流速，便于清洗选用转角正方形排列方式。

又因为最外层冷凝管外表面至壳体内壁最短距离b3=0.25d且不小于8mm，所以可取 b3=15mm。则冷凝管在管板上的排列方式见后图4-9

3.2.2 壳体的设计

（1）由换热管中心距和排列方式等数据，可计算冷凝器壳体内直径：

D=2[+7+15]≈175mm （3-33）

（2）由GB150-1998（钢制压力容器）查表得，壳体厚度取5mm，则壳体外径D0=185mm。

（3）壳体强度校核。

①计算临界长度：

Lcr=1.17D=1.17×185×=1316.6mm （3-34）

t-壳体厚度，mm。因为壳体计算长度约为400mm

②计算受均布外压作用的短圆筒的许用外压[P]

由==37>20可知，壳体属于薄壁圆筒。

又=≈2.162

由、的值从图3-4查得系数A=2.7

圆筒材料为碳素钢，根据系数A的值和设计温度从外压圆筒刚度设计图可查得B=38

则圆筒许用外压可按下式计算：[P]= （3-35）

代入数值算得[P]==1.027MPa

因为冷凝器内部为真空，所以设计外压即为大气压力。设计外压=0.1MPa<[p]，因此壳体的设计合理。

3.2.3 管箱和封头的设计

（1）冷却水管管径r：单程冷凝管截面积总和=9×π×0.0062

由πr2=9×π×0.0062得r=20

为了减小冷却水流动阻力，取内径=26mm，外径=30mm

冷却水管采用插入式焊接结构，一般要求接管不得凸出于壳体内表面[5]

（2）确定管箱深度：管箱深度L不能大于由H查表得到的Lmax的值：H≈175×sin20°=164mm；由H查表得Lmax=270mm

这里取管箱深度为90mm符合要求，管箱的厚度及内外径与壳体相同

（3）分程隔板。

分程隔板连续焊接在管箱壁上，其高度应当贯穿整个管箱高度，隔板的最小厚度与管箱直径有关。根据管箱直径，由TEMA标准查得隔板最小厚度为9.53mm，所以取10mm。

3.2.4 管板和法兰

（1）管板是管壳式冷凝器的一个重要元件，它除了与管子和壳体连接外，还是换热器中的一个主要受压元件，当管板与冷凝管采用胀接结构时，其厚度应满足GB151-1999胀接时管板最小厚度的要求。

于是由冷凝管直径可求得管板厚度为10mm，本设计采用的是固定式管板期延长部分兼作法兰，由法兰标准知，法兰厚度取5mm。

（2）冷凝管外伸长度：胀接时接管最小外伸长度应满足GB151-1999换热管外伸长度要求，取接管外伸长度为3mm。

3.2.5接管最小位置的计算

壳程接管最小尺寸L1≥+（b-4）+Cmm（3-36）

L1-壳程接管最小位置尺寸，d-接管外径，b-管板厚度，C-管外壁至管板与壳体连接焊缝之间的距离。这里取C≥4S（S为壳体厚度）且≥30mm。

因为本设计中4S=20mm<30mm，所以C=30mm。

（1）进气孔最小位置的计算[6]

首先计算进气孔大小：

①计算冷剂蒸汽密度

由克拉伯龙方程式PV=nRT得：PV=mRT/M（3-37）?PM=ρRT（3-38）?ρ=RT/PM （3-39）

P-压强，Pa

V-气体体积，m3

n-气体摩尔数，mol

M-气体摩尔质量，g/mol

ρ-气体的密度，kg/m3

R-气体常数，m3/（mol·K）

T-绝对温度，K

代入数值，得ρ=≈0.02kg/m3

②由蒸汽的合理流速计算进气孔半径r

已知冷剂蒸汽循环量D=5.08kg/h，又知冷凝器中气体合理流速为（3～15）m/s，取流速v=15m/s，由=πr2v （3-40）

代入数值算得 r=0.015m=15mm

由公式（3-36）得L1≥+（10-4）+30=51mm

（2）岀液孔最小位置的计算

出液孔接U形管，其外径为10mm，内径为8mm

由公式（3-36）得：最小位置≥+（10-4）+30=41mm

管箱接管最小位置可按下列公式计算L2≥+hf+C （3-41）

L2-管箱接管位置最小尺寸，mm；hf-管箱法兰厚度，mm

由公式（3-41）得：L2≥+5+30=50

3.2.6 折流板的设计

折流板的形式有弓形折流板、圆盘-圆环形折流板和矩形折流板。弓形折流板有单弓形双弓形和三弓形，本设计中采用上下排列的单弓形折流板

（1）管孔尺寸计算

由GB151-1999查表得管孔径d1应比冷凝管外径d大0.7mm

d1=d+0.7mm=14.7mm （3-42）

（2）弓形缺口高度h

折流板弓形缺口的高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。实验证明当h=20%Di时，在给定的压力降情况下，能提供最高的传热速率，所以认为它是最佳折流板缺口高度[7]

则h=20%Di=20%×175=35mm

冷凝器中的折流板还应在最低处开通液孔，以保证全部冷剂水能顺利进入蒸发器

（3）折流板厚度。

折流板最小厚度按GB151-1999折流板最小厚度表选取，根据公称直径，由表查得最小厚度为3mm。

（4）折流板的布置。

折流板的布置一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管，其余折流板按等间距布置，靠近管板的折流板与管板件的距离如图3-12所示，其尺寸可按下式计算：

l=（L1+）-（b-4） （3-43）

L1按照公式（3-36）计算； B2-防冲板长度，当无防冲板时，可取B2=di，di为接管内径。

1—折流板；2—防冲板

图3-1 折流板与管板间距

由公式（3-43）计算进气孔一侧折流板与管板距离：

l1=（L1+）-（b-4）=（51+）-（10-4）=60mm

出液孔一侧折流板与管板距离：l2=（L1+）-（b-4）=（41+）-（10-4）=39mm

其余的折流板按等间距布置，设其间距为x，则由几何知识得：l1+ l2+4t1+3x=410mm （3-44）

t1-折流板厚度，mm

由公式（3-44）得：x= （3-45）=≈100mm

（6）折流板外径d0的确定。

折流板的外直径应当与壳体内径保持适当的间隙，间隙过小装配困难，间隙过大则会影响传热效果，间隙的大小应符合GB151-1999折流板外径及允许偏差表格规定。

由表知，折流板外直径：d0=Di-2.5mm（3-46）=175mm-2.5mm=172.5mm

3.2.7 拉杆的设计

（1）拉杆的结构型式

折流板一般用拉杆和定距管连接在一起，当冷凝管外径小于或等于14mm时，采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管，如图3-2所示。

图3-2 拉杆的点焊结构

（2）拉杆的直径：因为采用点焊结构，所以拉杆的直径dn应与冷凝管外径d相等，即

dn=d=14mm

（3）拉杆的数量及布置：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，且每个折流板应不少于3个支撑点，所以选取拉杆数量为四根。

4.冷凝器的三维模型

根据以上计算，可设计出卧式管壳式水冷冷凝器。该系统将管壳式冷凝器和外螺纹强化换热冷凝管结合起来，充分结合了两者的优点，即换热面积大，冷却效果好。

4.1总体结构

管壳式冷凝器主要由壳体，管板，折流板，冷凝管和端盖组成，壳体是用钢板卷焊成的圆柱体，壳体两端各焊一块管板，管板上胀接一系列的冷凝管束。两端盖通过法兰与壳体连接并用橡胶垫密封。工作时，高温高压的制冷剂蒸汽由进气管进入壳体和管束间的空隙，在管束外表面冷凝成液体后由壳体下部的U形管引出，经U形管节流后进入蒸发器蒸发吸热，达到制冷目的。冷却水由下部的进水管进入冷凝器，由于端盖上隔板的作用被分成两个流程按顺序流动，最后由端盖上部的出水管流出，并带走冷剂蒸汽放出的热量，冷却水流经螺旋盘管降温后重新由进水管进入，循环使用，以达到节水目的。

4.2 各主要部分的结构及作用

（1）端盖的结构如图4-3和图4-4所示

图4-3 左端盖 图4-4 右端盖

左端盖由壳体、一个冷却水进水管、出水管和隔板构成，冷却水由下部的进水管进入，从冷凝管中流过，然后由上部的出水管流出。当冷凝器所需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就要增大壳体直径，以排列较多的管子。此时可将管束分程，使流体依次流过各程管束。左端盖中隔板的作用就是将冷却水分为两个程数，从而提高了管程冷却水流速，增加了传热效果。右端盖相当于一个冷却水中转站，可保证流入各冷凝管的水量大体相等。

（2）折流板

为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，在壳体内加装了折流板，如图4-5所示，同时折流板对于卧式冷凝器的冷凝管具有一定的支撑作用，加装折流板有利于缓解冷凝管的受力状况和防止液体流动诱发振动。虽然设加装折流板也有一定的弊端，例如增大了气体流动的阻力，能产生换热死角等，但是综合考虑，还是利大于弊。

图4-6 折流板的结构

这里采用的是单弓形折流板。折流板缺口上下布置，下折流板下部开有通液孔，以使全部制冷剂能顺利从出液孔流出，折流板的安装与定位是通过拉杆来实现的，折流板与拉杆点焊连接。

（3）U形管

U形管结构见图4-7。因为冷凝器与蒸发器之间要保证一定的压差，这里U形管就起节流降压的作用，保证整个制冷系统正常运行，另外U形管上还装有流量计和阀门，以控制冷剂水的流量。

图4-7U形管 图4-8外螺纹冷凝管

（4）冷凝管

为增强强化换热效果，这里采用外螺纹强化换热管，如图4-8所示，管外表面为螺纹，这样大大增加了传热面积，强化了管外传热；同时，外螺纹冷凝管还能对壳程气体流动产生一定的阻力，减小气体流动速度，增加换热时间，从而使传热效果进一步增强；另外，外螺纹管对污垢的防止和清除效果也比光管要好得多。

（6）管板

固定式冷凝器两块管板与壳程圆筒焊接在一起，其周边延伸作为法兰，这种管板的作用一是固定冷凝管和拉杆，二是将壳体与端盖连接起来。其结构如图4-9所示。

图4-9 固定式管板

【参考文献】

[1]彦启森.空气调节用制冷技术.北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2]朱聘冠.换热器原理及计算.北京：清华大学出版社，1985.

[3]溴化锂吸收式制冷技术及应用.机械工业出版社，1996.10.

[4]林宗虎.强化传热及应用.西安：西安交通大学出版社，1987.

[5]陈常青.低温换热器.北京：机械工业出版社，1986.

[6]中华人民共和国国家标准.管壳式换热器.GB151-1999.北京：中国标准出版社，2000.

[7]中华人民共和国国家标准.钢制压力容器.GB150-1998.北京：中国标准出版社，1998.