冷媒换热不锈钢材质蒸发器的研究

周蓉

摘要：随着社会发展，各具特色的压缩空气净化设备产业群体已在我国初步形成，以往传统的压缩空气净化设备如冷冻式干燥机，发生巨大变化，其中的关键换热部件-蒸发器的材质还是一直停留在紫铜管胀接铝箔的基础上。冷媒换热器从结构运用在制冷设备上工艺简单，技术成熟，已积累丰富经验，但从行业发展的角度上，已不能满足客户的使用要求。因此，某些特殊的气体行业也在传统的技术水平上寻求着创新。

关键词：不锈钢；蒸发器；干式壳管式；冷媒换热器

1、研究的目的和意义

1.1抗腐蚀要求

目前常规的紫铜管套铝翅片蒸发器由壁厚0.4-0.5mm的紫铜管和壁厚0.15mm的铝箔胀接而成，在压缩空气无污染的场合使用无多大的问题，但在一些特殊场合，由于压缩空气中有酸性气体、氨等腐蚀性气体夹杂时，蒸发器特别容易被腐蚀。蒸发器的使用寿命较短，有的甚至几个月就出现蒸发器泄露的情况，给公司带来损失。

1.2客户需求

从工作当中的一些评审来看，客户会在询价文件中明确要求蒸发器材质不锈钢，以满足用户单位的使用需求。碰到这些要求，由于没有任何设计经验，专工在评审及设计时都较被动。

1.3高承压性能

某些冷干机，客户压缩空气压力较高，常规的结构蒸发器即使铜换热管壁厚加厚也不一定能满足承受外压要求，给使用带来一定的危险性。

2、研究的方案

2.1不锈钢翅片管式蒸发器

虽然各行各业对换热器的要求各不相同，但应用在我公司设备上主要是冷却空气型的蒸发器，管内制冷剂沸腾换热，管外空气强迫对流换热。由于气侧的和制冷剂侧的换热系数相差较大，在换热系数小的一侧加上翅片，可扩大换热面表面积并促进流体的扰动减小传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加传热量。所以我们在设计空气-冷媒蒸发器中，往往通过在空气侧增加翅片来强化传热。通过对市场现有的换热管形式进行了解，结合我们单位空气换热的需要，基本确立了2种比较可行的翅片式蒸发器用管结构方案。

高频焊翅片管：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片接触产生高温，在10μm左右的深度范围内使两者熔化，再加压使翅片与管子连为一体。无焊剂，也无焊料，制造简单，传热及机械性能优良。由于高频焊实为一种固相焊接。它与镶嵌、钎焊（或整体热镀锌）等方法相比，无论是在产品质量（翅片的焊合率高，可达95%），还是生产率及自动化程度上，都是更为先进。套片式换热管：用在空调行业有多年的使用经验，国内的冷干机行业也一直在使用着此种结构的蒸发器。它是用0.15毫米左右的薄铝片，按管组排列形式冲褶边孔，由套片机将铝片套在管组上，而后进行高压胀管形成的。这种蒸发器的管子一般为错排，相邻管距为等边三角形。由于它传热面积大、结构紧凑，被广泛应用在各种制冷装置上。从图1中可以看出此种蒸发器结构与我们公司目前的结构相同，但已将常规的铜材质换热管及进出管全部换成不锈钢材质。铝翅片也换成了不锈钢翅片，因此抗腐蚀性能大大提高。从而可以用于含有腐蚀性气体的场所。

2.1.1设计制造的难点

（1）不锈钢翅片的冲褶边孔工艺

由于不锈钢翅片的硬度相对于铝翅片来讲要硬的多，因此冲孔后翻边有一定的几率开裂，所以加工难度较高，翅片间距尽量控制在3.0mm以下。

（2）液压扩管工艺

不锈钢翅片套在不锈钢换热管外配合是非常松散的，此时由于间隙的存在，换热效率即使增加了翅片，效果也是非常低的。与厂家研发时强调一定要按正常工艺使用液压扩张器来扩管，因此从换热管的选材出发，选用0态的不锈钢换热管（既软态不锈钢管），该换热管具有一定的延展性，可以使用液压来进行胀管，达到与翅片的过盈配合，减少接触热阻。目前需正常扩管的可使用φ15.88×0.8mm的不锈钢换热管。如高压设备要使用更厚的换热管，需考虑无法胀管所带来的换热效果的下降。

（3）换热系数K的取值

由于制冷蒸发器换热系数的计算非常复杂，且不锈钢套不锈钢翅片的结构在某些细节上还是与常规的铜管套铝翅片蒸发器有一定的差距，在行业当中也无使用案例，因此目前现阶段只能参考常规蒸发器的K值按一定的比列缩小来进行计算。现阶段在计算时不锈钢套不锈钢翅片的K值取值在24～26W/（m2.K）。

（4）不锈钢列管式蒸发器

不锈钢列管式蒸发器型式与水冷冷凝器基本相似，同样具有圆筒形的壳体和固接于两端管板上的直管管束，管束两端加有端盖。根据制冷剂在壳体内或传热管内的流动，分为满液式壳管蒸发器、干式壳管式蒸发器。

2.2干式壳管式蒸发器

干式壳管式蒸发器主要用于氟利昂制冷系统中。这种蒸发器的制冷剂液体走管程，制冷剂液体经节流后从蒸发器一端端盖的下方进口进入管程内，经2～4个流程吸热后由同侧端盖上方出口引出。制冷剂在壳管式干式蒸发器内的流动有单进单出、双进单出、双进双出等不同形式。载冷剂走壳程，为保证载冷剂横向流过换热管束时具有一定的流速，壳程内换热管束上装有多块缺口上下错开布置的弓形折流板。目前干式壳管式蒸发器广泛应用在冷水机组行业，我们可以利用这一蒸发器的结构来加以改进使之能使用与我们气体换热器及特殊气体冷凝液化器中，如图2所示，干式蒸发器。

2.2.1设计制造的难点

（1）液体制冷剂在进口处的分布

干式壳管式蒸发器一般有多路制冷剂的吸入通道，要求每一通道分到的制冷剂无论在量上和质上都尽量相等，因此干式壳管式蒸发器都要求在制冷剂进口腔里加装制冷剂分布装置。

（2）冷冻油在蒸发器的流动问题

相比于传统的冷水机组，冷却气体型干式蒸发器由于需要布置更多的面积，从而需要排布更多数量的换热管。这会导致一个问题的产生，制冷剂在换热管内部的流动过慢，从而无法将冷冻油带回至制冷压缩机，因此干式蒸发器换热管流程的排布非常关键，常规的四流程排布方法。

有时可能由于制冷剂的流速不够，因此需要排布多流程，参考常规换热器的排布，得出另外种六流程排布方法。

（3）换热管的选取

不锈钢列管式换热器为了满足不同气体的使用需求，可以采用光管或者低翅片管。

（4）换热系数K的取值

目前在一些设备上已有一些使用不锈钢换热管的先例，得出以下结论：采用φ12×1.2mm的不锈钢光管换热器使用在冷干机和空气预冷机组蒸发器上K的取值可以在80～100W/（m2.K）。

3、研究的效果

通过工作当中的研究和总结，目前以上两种蒸发器结构型式均已在公司设备中有生产制作，比较有特点的有以下2台。此台设备为苏州制氧机通过意大利中间商出口尼日利亚的预冷机不锈钢蒸发器。客户在签订协议前明确要求使用环境为化肥工厂，空气中含有氨气成分，设备压缩空气通道严禁有铜材质，在分析了各种结构及材质的蒸发器结构后，确定了采用了不锈钢套不锈钢片的蒸发器结构型式。另外设备为福斯达公司出口伊拉克的预冷机蒸发器。客户在订货时明确要求采用不锈钢换热管。且有个特殊要求，在蒸发器中空气通道需只有1个，但必须有2个制冷剂通道，且另外一个制冷剂通道需为预留通道，按此要求则必须保证2个制冷剂通道之间不能相互串气。结合各户的各个要求及考虑换热器的紧凑性，设计了以上双通道不锈钢列管式蒸发器。采用了φ12×1.2mm不锈钢低翅外螺纹管。

4、结论

通过对传统的蒸发器结构进行研究总结，开发各种适用于特殊使用环境和特殊要求结构的蒸发器对公司来说非常有必要。首先可以满足客户的使用要求，再者可以丰富公司的产品线，给公司带来更多的效益。

参考文献：

[1]T.Kuppan，钱颂文，廖景娱，邓先和，马小明.换热器设计手册[M]]中国石化出版社，2004