曹凡
武汉麦克维尔空调制冷（武汉）有限公司 430000
摘要：
制冷系统中蒸发器是其重要组成部分，蒸发器效果的好坏影响整个系统的换热效率。根据不同工况，不同需求合理正确选择蒸发器型式，是制冷系统设计的重要一环。随着行业发展，各种型式的蒸发器在结构性能方面均有改善。但仍有些不足之处，需要继续探讨。
在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。
在制冷循环中，蒸发器的作用是通过制冷剂蒸发，吸收载冷剂的热量，从而达到制冷目的。在实际设计过程中需要注意设计工况、工作介质、结构型式等方面。按制冷剂的供液方式，蒸发器可分为满液式、干式、循环式及淋激式四种类型。这里主要讨论满液式蒸发器和干式蒸发器。
一、结构型式
在设计和制造方面，干式蒸发器比满液式蒸发器复杂。主要体现在筒体内筒体与折流板或支撑板间的间隙、管箱或水盖与管板的密封以及制冷剂的均液三个个方面。
干式蒸发器内的折流板作用是增加载冷剂扰动，增加液体横掠管束的流速，以增强换热。在设计过程中，需要考虑筒体与折流板之间的间隙产生的流路损失、折流板管孔与换热管间的流路损失、最外边缘换热管与筒体内壁的流路损失等，多流程的还需考虑流程间的损失。而满液式蒸发器内的支撑板主要作用是对换热管的支撑。基于以上考虑，干式蒸发器的折流板外圆与筒体内壁的间距相比满液式蒸发器更小，公差要求更严；干式蒸发器折流板管孔外径公差同样严格规定；这无疑增加了制造过程中的难度。考虑到现场工艺实际情况，又需要对设计参数进行严格控制。另外，干式蒸发器折流板还需要考虑防流程间短路的防短路设计，增加挡流管。一般，干式蒸发器内折流板数量较多，而满液式蒸发器内支撑板数量较少，因此干式蒸发器折流板组拼装时，需要工装保证其圆度及直线度，增加了制造困难。
满液式蒸发器采用水盖与管板密封，干式蒸发器的管箱分别与管板、平盖密封。两者比较干式蒸发器密封面较多。考虑到两者介质不同，采用密封垫材料也不相同，满液式蒸发器的密封垫用一般工业橡胶板，采用宽面法兰密封型式即能满足密封要求；小型干式蒸发器用耐油无石棉橡胶板，平面密封型式，大型的蒸发器由于密封垫片厚度1.5mm，在管板与筒体焊接变形较大时无法完全密封，有泄漏风险，需要考虑聚四氟乙烯垫片并更改为凹槽密封型式。干式蒸发器在设计时还需要考虑将管板、管箱两端、平盖三者的密封面加工至粗糙精度6.3，以保证密封效果。
二、设计工况
为了安全、经济、合理地选型，压力容器应按其使用要求各自分类，任何一类压力容器使用的范围应考虑：腐蚀性、介质温度和压力、使用目的、工作环境等因素。本文要讨论的制冷装置用蒸发器一般属于Ⅱ类压力容器。
在设计选材时需要注意介质对制冷装置用蒸发器的腐蚀性。例如，无论干式蒸发器还是满液式蒸发器，换热管均与两种介质接触，在设计时要全面考虑。如干式蒸发器中，制冷剂走管程，可选用黄铜管；若壳程载冷剂为氯化钙溶液，则应考虑氯化钙溶液对于黄铜管的腐蚀，而改用镍铜管等。
若选用不锈钢作为壳程材料时，设计干式蒸发器时还需注明载冷剂中氯离子含量超过一定限量。
在选取蒸发器设计温度与设计压力时，首先要确认设计标准。GB151《热交换器》与NB/T47012《制冷装置用压力容器》中对于低压侧设计温度的选取是不一样的。GB151中规定，设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高 温度，对于0 ℃ 以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度 。而NB/T47012中规定低压侧若满足“低温低应力工况”，设计温度则按使用温度加50℃选取，且不低于38℃。设计压力则根据设计温度下制冷剂的饱和蒸汽压力选取，不低于其设计温度下的饱和蒸汽压力。同时，这两个标准对于气压试验的系数值也不一样，在应用时需注意，GB151中此系数取1.1，而NB/T47012中取值1.15。对于水侧设计压力，满液式蒸发器应注意，小于1.0MPa时水盖可用翻遍封头，大于1.0Mpa时，则必须用法兰加封头型式。
三、工作介质
满液式蒸发器壳程走制冷剂，管程走载冷剂，载冷剂一般为水。壳程充满液态制冷剂，可使传热面与液态制冷剂充分接触，因此，沸腾换热系数更高；但是，这种蒸发器需充入大量制冷剂，而且，若采用能溶于润滑油的制冷剂，则润滑油难以返回压缩机。
干式蒸发器管程走制冷剂，壳程走载冷剂，载冷剂一般为乙二醇溶液、氯化钙溶液等。蒸发器内制冷剂处于气液共存状态，克服了满液式蒸发器的缺点，但是，有较多的传热面与气态制冷剂接触，所以传热效果不如满液式蒸发器。
在设计蒸发器时需注意管壳层介质，当蒸发器为多流程时，干式蒸发器是增加制冷剂侧流程数，制冷剂在换热管内逐步气化，增加水侧换热有利于整体效果，；满液式蒸发器是增加水侧流程数，制冷剂在管簇外面蒸发，所以传热面基本上都是与液体制冷剂接触。
当采用多流程时，干式蒸发器气、液两相制冷剂在端盖内转向时会出现分离，从而造成了下一流程中各管子中制冷剂流量分配不均匀的不利现象。含气量越多，分配越不均匀，甚至会使有些管内无液体或液体很少，从而使这些管子失去了蒸发冷却的作用。而满液式蒸发器不存在这个问题，满液式蒸发器的管箱内设有分程隔板，将换热管按一定的数量和流向分隔成多个流程，使载冷剂按规定的流速和流向在换热管内往返流动。制冷剂按一定的充装高度充灌在壳体内，在管间吸收载冷剂的热量而汽化，使载冷剂降温。
四、两种蒸发器在换热系统内的优缺点
满液式蒸发器的最大特点就是靠液态制冷剂淹没大量换热管束，并且在管束表面从而使冷冻水降温。采用表面高度强化的满液式蒸发管，蒸发管完全浸泡在制冷剂中，所以传热效率高；而且制冷剂蒸汽无需过热度，从而使蒸发温度可以大幅度提升。但是满液式蒸发器需要注入大量的制冷剂，并且在采用氟利昂时，回油也是一个问题。
干式蒸发器当采用多流程时，会造成下一流程换热管中制冷剂分配不均，含气量越多，分配越不均，甚至会使有些管内无液体或者液体很少，从而使这些管子市区了蒸发冷却的作用。另外，水侧漏流点比较多，降低了水侧换热效果。但是，干式蒸发器相比满液式蒸发器，制冷剂的充注量很少，也无需回油装置将润滑油带回压缩机。
五、总结
综上所诉，满液式蒸发器与干式蒸发器的明显区别在于制冷剂流程的不同。满液式蒸发器制冷剂走壳程，制冷剂从壳体下部进入，在换热管外流动并受热沸腾，蒸汽从壳体上部排出。干式蒸发器中制冷剂走管程，即制冷剂从平盖下部进入管束，在管内流动，受热蒸发，蒸汽从平盖上部排出。制冷装置用到的这两种蒸发器各有优缺点，应根据实际情况选择，结合设计条件及工艺制造水平选择最合适的结构型式。
参考文献
[1] 刘殿宇. 蒸发器工艺设计计算及应用. 化学工业出版社.
[2] 解国珍、姜守忠、罗勇. 制冷技术. 机械工业出版社.2008.
[3] GB151《热交换器》.2014.
[4] NB/T47012《制冷装置用压力容器》.2010