由于套管式氣冷器加工方便、成本較低，很多研究者在研究系統(tǒng)性能時(shí)多采用套管式氣冷器。目套管式氣冷器有很多種型式：常規(guī)的套管、大管內(nèi)套多根小管、一體式套管等。研究方向主要集中在如何提高換熱性能進(jìn)而提高系統(tǒng)性能上，包括管內(nèi)徑和外徑、不同盤旋方式等。P. Neks�z等和C. Baek等均研究了采用常規(guī)同軸套管式氣冷器的CO₂熱泵熱水器，主要研究了氣冷器的運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。J. Sarkar等利用模擬的方法研究了同軸套管式氣冷器，結(jié)果表明，在排氣壓力下，氣冷器與蒸發(fā)器的面積比在1.6~1.9時(shí)系統(tǒng)COP。挪威SINTEF能源研究部設(shè)計(jì)了一種三段逆流氣冷器，結(jié)構(gòu)如圖7所示，能夠更好地與跨臨界CO₂流體冷卻過程的溫度滑移相匹配，機(jī)組獲得較高的COP。呂靜等利用Fluent軟件對(duì)直管、矩形螺旋和圓形螺旋3種套管式氣冷器進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，矩形螺旋管內(nèi)的單位壓降換熱量，綜合性能。上海理工大學(xué)利用模擬和試驗(yàn)研究了CO₂熱泵熱水器用套管式氣冷器的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

管殼式氣冷器在CO₂制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用較多，但是由于其體積較大，偏離家用熱泵熱水器的緊湊型要求。因此，在熱泵熱水器的應(yīng)用上存在一些困難，目對(duì)其研究較少。G. R. Zakeri等制造了示范性工業(yè)用CO₂熱泵熱水器，將管殼式換熱器用于蒸發(fā)器。C. Zilio等設(shè)計(jì)了4種管型的管殼式氣冷器（光滑管、內(nèi)部開槽管、波紋管、內(nèi)部開槽的波紋管，如圖8所示），并進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬分析，結(jié)果表明，在10 MPa壓力下，進(jìn)水流量對(duì)換熱量的影響程度降低，其中光滑管和內(nèi)部開槽的波紋管的換熱量相對(duì)較高，且差別不大；在接近臨界壓力范圍內(nèi)，外波紋管能夠改善換熱性能。諶盈盈等設(shè)計(jì)了一種全逆流管殼式氣冷器（如圖9所示，每個(gè)殼中有4根管，制冷劑沿管程流動(dòng)，水沿殼程流動(dòng)），并利用分段模擬法進(jìn)行了仿真分析。

B. M. Fronk等設(shè)計(jì)研究了一種交叉流板式微通道氣冷器，用試驗(yàn)方法研究了5個(gè)水流通道和7個(gè)水流通道的換熱器在不同進(jìn)水流量和進(jìn)水溫度下的換熱及壓降特性，研究表明，微通道氣冷器要優(yōu)于套管式氣冷器。C. Goodman等在Brian試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了微通道回?zé)崞鳎�并�?duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)分析。李蒙等對(duì)CO₂熱泵熱水器的微通道氣冷器（基于扁管而設(shè)計(jì)，扁管內(nèi)開有11個(gè)直徑為0.79 mm的微孔）進(jìn)行模擬研究，分析了微通道內(nèi)CO₂和水側(cè)的流動(dòng)和換熱性能。

2.5  管殼式蒸發(fā)器

管殼式蒸發(fā)器分為干式蒸發(fā)器和滿液式蒸發(fā)器。干式蒸發(fā)器的理論研究和技術(shù)較成熟，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，兩相制冷劑在換熱管內(nèi)保持流動(dòng)并不斷汽化吸熱，載冷劑走殼程經(jīng)過放熱過程實(shí)現(xiàn)冷卻。干式蒸發(fā)器的主要優(yōu)勢(shì)在于：①制冷劑利用率較高，所需制冷劑充注量相比滿液式蒸發(fā)器可降低2/3；②回油穩(wěn)定方便，換熱管內(nèi)制冷劑的流速較高，潤滑油可隨氣態(tài)制冷劑返回壓縮機(jī)，基本不需要回油系統(tǒng)；③換熱管不易發(fā)生凍結(jié)，隨著大量載冷劑在換熱管外流動(dòng)和沖擊，可減少換熱管凍結(jié)脹裂的情況發(fā)生。

滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖11所示，管程為載冷劑、殼程為制冷劑，制冷劑液體從蒸發(fā)器殼體下側(cè)流入，經(jīng)沸騰蒸發(fā)后的制冷劑蒸氣從殼體上側(cè)排出，通過對(duì)流傳熱吸收載冷劑的熱量并降低其溫度。蒸發(fā)器的底部應(yīng)設(shè)置矩形分液板，以液相制冷劑在殼體內(nèi)均勻分布和流動(dòng)；殼程制冷劑沸騰時(shí)蒸氣會(huì)夾帶大量液滴，應(yīng)將氣液分離器設(shè)于蒸發(fā)器上部出口位置，避免壓縮機(jī)吸氣帶液的情況發(fā)生。滿液式蒸發(fā)器的特點(diǎn)是蒸發(fā)管浸沒在制冷劑中，其內(nèi)外表面均為液體潤濕，故對(duì)流傳熱系數(shù)較大、傳熱性能優(yōu)良，此外還有整體結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、造價(jià)低、管程污垢易于清洗等優(yōu)點(diǎn)。

管殼式換熱器是以管束壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。由公式Q=kAΔTm可知，可以通過增大傳熱面積（A）、平均傳熱溫差（ΔTm）和提高傳熱系數(shù)（k）3種途徑實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。在實(shí)際應(yīng)用中，換熱器的傳熱面積與傳熱溫差往往有所制約，提高傳熱系數(shù)k成為強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究的重點(diǎn)。管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱方式根據(jù)研究對(duì)象分為管程強(qiáng)化和殼程強(qiáng)化2個(gè)方面。

目管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)已較為成熟，主要通過增大傳熱面積和提高傳熱系數(shù)強(qiáng)化傳熱。管程強(qiáng)化傳熱的主要方向是通過調(diào)整換熱管形狀增大傳熱面積和管內(nèi)流體湍流強(qiáng)度，典型的有螺旋槽管、螺旋扁管、波紋管、翅片管和管內(nèi)插物等。

換熱器殼程內(nèi)的管束支撐結(jié)構(gòu)可影響流體的流型和流速，因此殼程強(qiáng)化傳熱的主要途徑是改變殼程支管間的支撐物結(jié)構(gòu)，縮小殼程流體的流動(dòng)死區(qū)，進(jìn)而充分利用傳熱面積和提高換熱效率。傳統(tǒng)的單弓形折流板會(huì)在殼體內(nèi)形成Z字形流道，導(dǎo)致流動(dòng)和傳熱死區(qū)的產(chǎn)生，具有傳熱系數(shù)低、壓降大、抗振能力差等缺點(diǎn)。常用支撐結(jié)構(gòu)有螺旋折流板、雙弓形折流板、折流桿和折流片等。為了增強(qiáng)傳熱效果，通過在殼程安裝密封裝置改進(jìn)管殼式換熱器，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)增大了18.2%~25.5%，傳熱系數(shù)增大了15.6%~19.7%，效率增大了12.9%~14.1%。安裝密封器后，壓力損失增大了44.6%~48.8%，但與換熱量的增幅相比，所需泵功率的增量可以忽略不計(jì)。Dong C.等比較了管殼式換熱器采用三段式螺旋擋板與傳統(tǒng)分段式擋板的差異，結(jié)果表明，所提出的三段式螺旋擋板的傳熱性能和綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于分段式擋板。

2.6  氨制冷板式換熱器

氨作為制冷劑已被使用達(dá)100多年，其ODP為零，GWP也為零，標(biāo)準(zhǔn)沸騰溫度低，在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中，單位容積制冷量大，并且其熱導(dǎo)率大，蒸發(fā)潛熱也大，節(jié)流損失小，能溶解于水，價(jià)格低。但是，氨作為制冷劑，其絕熱指數(shù)較高，具有一定的毒性、可燃性和易爆性，并且對(duì)鋅、銅、銅合金有腐蝕作用等，這些限制了它的使用。

氨冷凝器和蒸發(fā)器都采用鋼管、鋼片，其體積大、質(zhì)量大，而且氨的充注量大，在使用中具有一定的危險(xiǎn)性。近年來，制冷空調(diào)行業(yè)為發(fā)揮氨的優(yōu)點(diǎn)和減小其危害性做了大量的研究和開發(fā)工作。

氨制冷系統(tǒng)通常采用蛇管式蒸發(fā)器、螺旋管式蒸發(fā)器、直立管式蒸發(fā)器和滿液式管殼式蒸發(fā)器等。但當(dāng)系統(tǒng)需要大量的冷水時(shí)，采用上述傳統(tǒng)的氨蒸發(fā)器制取冷水需要占用很大的容器和空間，造成浪費(fèi)。采用板式換熱器可以有效提高換熱效率、減少熱損失，在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比列管式換熱器高3~5倍，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，避免列管腐蝕，且占地面積為列管式換熱器的三分。沈異夫介紹了半激光焊式板式換熱器的構(gòu)造和特點(diǎn)，并著重講述了如何將半激光焊式板式換熱器應(yīng)用于氨制冷系統(tǒng)及應(yīng)注意的問題：根據(jù)冰水的成分選用不同的板材，設(shè)計(jì)管道時(shí)要考慮流體對(duì)管道的沖擊，要設(shè)置低位排污處，要考慮吹污過程對(duì)設(shè)備的損傷。Z. Ayub等介紹了各種波紋板換熱器在不同飽和度下的二氧化碳冷凝和氨蒸發(fā)的研究，并總結(jié)了其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

原創(chuàng)作者：江蘇良一冷卻設(shè)備有限公司