【原】【HETA】冷凝器的传热、结构、分类、性能

       冷凝器和蒸发器是制冷系统中重要的换热设备。冷凝器按冷却介质和冷却方式的不同可以分为水冷却式、空气冷却式和蒸发式等。蒸发器按冷却介质的不同，可分为冷却流体的蒸发器、冷却空气的蒸发器等。今天我们就一起来看一看制冷设备蒸发器和冷凝器的结构性能。

         冷凝器是一个制冷剂向系统外放热的热交换设备。冷凝过程三阶段：由过热蒸汽冷却为饱和蒸气；由饱和蒸汽凝结为饱和液体；由饱和液体冷却为过冷液体。

一： 冷凝器的传热分析

        制冷系统中所用的冷凝器，尽管结构形式多样，大多数仍属于表面式换热器。其特点是冷却介质和制冷剂蒸气两种流体同时在金属间壁的两侧流动，热量通过壁面由制冷剂蒸气传递给冷却介质（水或空气）。其传热过程包括制冷剂的冷凝放热、通过金属壁（及污垢）的导热、冷却介质的吸热过程。

        制冷剂在冷凝器中的凝结，一般为膜状凝结。当制冷剂蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，便凝结成一层液体薄膜，并在重力下向地面流动。液膜是冷凝器中制冷剂一侧的热阻，他的增厚将使制冷剂侧的热阻增大，放热系数降低。故要增大冷凝器的放热系数，必须尽可能的将液膜减小。

二： 影响制冷剂侧蒸汽凝结放热的因素

1.制冷剂蒸汽的流速和流向

        当蒸汽与凝结的液膜作同向运动时，气流能促使冷凝液膜减薄和较快地与冷却壁面脱开，使放热系数增大。而当汽流与液膜层流向相反时,放热系数的大小取决于制冷剂蒸汽的流速。

2.传热壁面粗糙度的影响

        壁面光滑、清洁，液膜流动阻力小，凝结的液体能较快流去，使液膜层减薄，放热系数相应增大。如果壁面粗糙，液膜的流动阻力增大，使液膜层增厚，放热系数也就降低，严重时放热系数下降20%～30%。因而对冷凝管表面应保持光滑和清洁，以保证有较大的凝结传热系数。

3.制冷剂蒸汽中含油时对凝结放热的影响

       制冷剂蒸汽中混有大量润滑油时，油将沉积在冷却壁面上形成导热系数很低的油膜，造成附加热阻，使制冷剂侧的传热系数降低。因而，油在制冷剂中的溶解量不得超过规定范围，否则，也会使传热系数降低。

        故在冷凝器的设计和运行中，应设置高效的油分离器，以减少制冷剂蒸汽中的含油量，从而降低其对凝结放热的不良影响。

4.制冷剂蒸汽中含有空气或其它不凝性气体的影响

       制冷系统中存在空气或其它不凝性气体是难以避免的。这些气体随制冷剂蒸汽进入冷凝器，附着在凝结液膜附近，使制冷剂蒸汽的分压力减低，不及时排除会使制冷剂放热系数大大下降，影响了制冷剂蒸汽的凝结放热。

5.冷凝器结构形式的影响

        无论何种结构的冷凝器，都应设法使冷凝液体迅速地从冷却壁面离开。

三： 影响冷却介质侧放热的因素

1、冷却介质

      通常采用水或空气，由于水的热容量大于空气的热容量，因此用水作冷却介质的冷凝器的传热性能要优于用空气作冷却介质的冷凝器。

2、冷却介质流速

        放热系数随着冷却介质流速的增加而增大。但是流速过大，会使热交换器中的冷却介质流动阻力增加，引起泵或风机的功耗增加。一般水流速度为0.8～1.2m/s，空气流速取2 ～4m/s。

3、冷却介质的纯净度

       用水冷却时，不管使用地下水或地表水。水中含有某些矿物质和泥沙之类的杂质，因此，使用一段时间后，在冷凝器的传热壁面上会逐步附着一层水垢，形成附加热阻，使传热系数显著下降。水垢层的厚度，取决冷却水质的好坏、冷凝器使用时间的长短及设备的操作管理情况等因素。

        用空气作为冷却的冷凝器，在长期使用后，其传热表面会被灰尘覆盖，也可能被锈蚀或沾有油污。所有这些污垢，都会增加传热热阻，使传热系数下降。因此，在制冷设备运转期间，应经常对冷凝器的各种污垢进行清除。

四： 冷凝器的种类、结构和工作原理

        按其冷却介质和冷却方式的不同，可以分为水冷却式、空气冷却式和蒸发式等三种类型。

1、水冷却式冷凝器

冷却介质为水——利用水吸收制冷剂放出的冷凝热量。

构造型式：壳管式、套管式、螺旋板式

外形型式：立式、卧式

分类：

立式壳管式水冷冷凝器

卧式壳管式水冷冷凝器

套管式水冷冷凝器

（1）卧式壳管式冷凝器

结构：它是一个由钢板卷制焊接成的圆柱形筒体，筒体两端焊有两块圆形的管板，两个管板钻有许多小孔，并在相对应的小孔中装入一根换热管，管子使用胀接或焊接在管板上。

工作过程：制冷剂蒸汽是在管外冷凝，冷却水在泵的作用下在管内流动。制冷剂蒸汽从上部进入筒体，凝结成液体后从下部流入贮液器。

氨用卧式壳管式冷凝器

1.放空气旋塞；2.平衡管接头；3.安全阀；4.压力表；5.放空气阀；

6.端盖；7.集油包；8.支座；9.放水旋塞；10.筒体

氟利昂用卧式壳管式冷凝器

1.换热管；2.管板；3.橡胶密封圈；4.端盖；5.筒体；6.支座

 

结构特征说明：

1、氨用冷凝器与氟用冷凝器的外部结构区别为:氨冷凝器通常在筒体下部焊有集油包，以便集存润滑油，并将油返回压缩机。而氟没有。（与制冷剂的溶油性有关）

2、冷凝器的进水通常为下进上出，以便冷凝器中的换热管内始终被水充满，以增强换热。

        在换热管选材方面，氨用卧式壳管式冷凝器内换热管多采用无缝钢管。氟利昂用卧式壳管式冷凝器内换热管则多采用铜管。为强化传热，可采用下图所示的滚轧低肋管或锯齿形管。

         卧式壳管式冷凝器结构紧凑，便于机组化，运行可靠，操作方便等优点；但对冷却水水质要求高、水温要低、清洗时要停止工作、卸下端盖才能进行等缺点。所以卧式壳管式冷凝器多用于水源丰富和水质较好的地区，以及船舶、室内、操作地方狭窄等场所。

（2）立式壳管式冷凝器

        立式壳管式冷凝器：是指换热管和壳体垂直放置，冷却水沿管子内壁呈膜状流下，与大气相通的冷凝器。现在只用于中型及大型的氨制冷装置中。（如下图）

工作原理：冷却水从上部进入分水箱中，再由导流管嘴进入换热管内，但冷却水并不充满钢管的整个断面，而只是呈膜状沿管内壁口从上往下流，最后排入水池中。气态制冷剂从冷凝器外壳的中部偏上处进入圆筒内的管外空间中冷凝，冷凝后的液体积在冷凝器底部，从出液管流出。

特点：可以安装在室外，节省机房面积，对冷却水要求不高，易于清洗。

缺点：用水量大，体积大，比较笨重，不利于实现机组化，冷凝器管内水流速度低（依靠重力自然流动），易于结水垢，需要经常清洗。

适用范围：水质差，水温较高而水量充足的大、中型氨制冷系统。

制作材料：外壳钢板；管子用无缝钢管

（3）套管式冷凝器

        它是由两种直径不同的无缝钢管和铜管所制成，通常其外管为f52mm×2mm的无缝钢管，管内套有一根或数根紫铜管或低肋铜管，它们套在一起并用弯管机弯制成圆形、U形或螺旋状。

        冷却水在内管中自下而上流动，高压氟利昂制冷剂蒸气则由上部进入外套管内，冷凝后的制冷剂液体从下部流出。

套管式冷凝器的优点是：结构简单，制造方便，能够比较理想地进行逆流式换热，传热效果好，其传热系数可达1200W/（m2·K），此外，它可以套放在压缩机的周围而不占用专门的位置，节省制冷机组的占地面积。

它的缺点是：单位传热面积的金属消耗量大，清洗水垢比较困难。它常用于制冷量小于40kW的小型氟利昂制冷系统中。

2、空气冷却式冷凝器

冷却介质为空气－－用空气将冷凝热量吸收

空气冷却式冷凝器：空气自然对流；空气强制对流。

工作原理：制冷剂蒸汽从冷凝器上端的分配器进入蛇形管盘管中，自上而下地通过管壁与管外的空气进行热交换，冷凝后的制冷剂液体从管下端流出。

钢丝盘管式冷凝器（家用冰箱） 

强制对流风冷冷凝器

1.液体集管；2.弯头；3.分配集管；4.上封板；5.换热管；6.肋片；7.螺钉；8.风机；9.前风板 

特点：

不需要冷却水，对供水困难的地方比较适用。

冷凝器的冷却介质是空气，制冷剂的冷凝温度和压力都会比以水为冷却介质的冷凝器要高。

制造材料：

采用铜管弯制成蛇形盘管，管外套铜或铝片作肋片。

         对于冷凝负荷较大的风冷冷凝器，其外形除像上图单面进风外，还可以布置成为V形、 U形、W形或倒M形。右图为V形布置，空气从机组两侧进入冷凝器，由引风机向上排出。在保证很大迎风面积的情况下，可使制冷机组更紧凑。

3、空气与水联合冷却式冷凝器－蒸发式冷凝器

        蒸发式冷凝器是利用空气强制循环和水分的蒸发将制冷剂凝结热带走的冷凝器。为了强化蒸发式冷凝器内空气的流动，及时带走蒸发的水蒸气，要安装通风机吹风或吸风，根据通风机在箱体中的安装位置，蒸发式冷却冷凝器可分为吸风式、鼓风式等类型。

       蒸发式冷凝器主要是利用冷却水汽化的潜热来吸收制冷剂的热量，所以消耗水量很小，其耗水量仅是水冷式冷凝器的5％～10％。空气的流量也不大，通过蛇形盘管间的风速一般为3～5m/s。蒸发式冷凝器每1kW的热负荷所需的风量为85～160m3/h，冷却水量为50～80kg/h，补水量约为循环水量的5％～10％。

蒸发式冷凝器的缺点是：冷却水不断循环使用，水垢层增长较快，需要使用经过软化处理的水。蒸发式冷凝器进口空气相对湿度对换热量影响很大。进口空气相对湿度越小，在同样的冷凝温度和风量情况下，冷却水蒸发量大，冷凝效果好。蒸发式冷凝器特别适合用于缺水和气候干燥的地区。

五： 冷凝器的选用

       冷凝器的选用取决于当地的水温、水质、水量、气候等自然条件和制冷剂的种类。在实际工程中要根据工艺要求和各种类型冷凝器的特点及适用范围，综合比较衡量后来决定。

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