冷冻机蒸发器换热管破裂原因及技术分析

章 萍

(南京五洲制冷集团有限公司，江苏 南京 211100)

冷冻机蒸发器换热管破裂原因及技术分析

章 萍

(南京五洲制冷集团有限公司，江苏 南京 211100)

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。

干式蒸发器；换热管破裂；原因分析；技术改进

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。

1 冷冻机制冷工艺流程及干式蒸发器结构分析

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。

图1 机组制冷系统的工艺流程图

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。

图2 干式蒸发器

2 干式蒸发器换热管破裂的原因分析

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。

图3 换热管振动示意图

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：

Q=CρVΔt

(1)

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 技术改进方案研究

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。

4 结语

本文主要对干式蒸发器换热管劈裂的原因进行了简要分析，然后提出了相应的技术改进措施，提高了换热管的技术工艺，延长了其使用寿命，满足了制冷系统的实际需要。这些技术的改进为冷冻机系统的制冷效果提供了可靠的依据，可对这些工艺技术进行推广，应用在更多的换热器生产中。

[1] 郑贤德．制冷原理与装置[M]．2版．北京：机械工业出版社，2008.

[2] 郑贤德．制冷原理与装置[M]．北京：机械工业出版社，2008.

[3] 王海峰,马凤丽,桑芝富.先胀后焊连接中焊接对胀接连接强度的影响[J].压力容器,2010,27 (12):13-20.

责任编辑马彤

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,工程师，主要从事空调制冷技术等方面的研究。

2015-01-12