冷凝器

冷凝器(Condenser)，是将压缩机排出的高温、高压制冷剂过热蒸气冷却及冷凝成液体，并将制冷剂放出的热量由冷却介质(水或空气) 带走的制冷系统机件，是常见的热交换器。在各领域制冷系统中应用广泛。^[5][6][7][3]

冷凝器1771年由瑞典裔德国化学家Christian Weigel在实验室发明。通常分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三种类型。冷凝器主要由散热管、散热片和风扇等辅助散热装置组成。^[2][5][8]

为适应节能减排的战略需求，冷凝器行业不断更新原材料，改进生产工艺，以节能增效为持续的发展目标。^[5][9]

最早的冷凝器叫“ Gegenstromkühler ”（逆流冷凝器），于 1771年由瑞典裔德国化学家Christian Weigel在实验室发明。^[2]

到了 19 世纪中叶，德国化学家贾斯特斯·冯·李比希（Justus von Liebig）对韦格尔（Christian Weigel）之前的设计进行了改进，改进后的装置被称为李比希冷凝器（Liebig condenser）。^[10]

20世纪20年代出现板式冷凝器，以板代管，结构紧凑，传热效果好，并应用于食品工业。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎qiān焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。^[7]

1960年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的冷凝器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式冷凝器。^[7]

20世纪80年代后，大量的强化传热元件被推向市场，如折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等高效冷凝器。^[7]

21世纪以来，需要运用冷凝器的行业不断增多，推动冷凝器行业研发创新能力、技术工艺水平快速进步。现在，冷凝器主要分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三种类型，在节能减排战略背景下，冷凝器行业不断更新原材料，改进生产工艺，以降低产品的能耗、生产成本、运行成本，提高冷却效果，高效化、节能化成为冷凝器行业的发展趋势。^[9][5]

冷凝器利用冷却介质将气体或蒸汽冷却成液体，当气体或蒸汽进入冷凝器后，通过冷却介质的冷却作用，温度逐渐降低，压力也逐渐降低，最终形成液体，是常见的热交换器，根据需求不同，其尺寸和设计也有所不同，其应用非常广泛，在空调系统、工业化学程序、发电厂以及其他热交换系统中都有用到，是制冷系统中不可缺少的部分。^[6][11]

一个完整的制冷系统通常包含四个部分：蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀，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。^[6]

1、压缩机；2、冷凝器；3、节流阀；4、蒸发器^[4]

冷凝器是散热机件，尽管根据不同的分类标准分为不同的类型，不同的类型又有各自对应的结构，但在总体结构上有相同性。相同内容包含：将压缩机吸入的热交换气体流入一根长长的管子（通常盘成螺线管），让热量散失到四周的空气或水等介质中。因为铜之类的金属导热性能强，常用于输送热交换气体。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加热传导性能优异的散热片，往往加大散热面积，以加速散热，并通过风机等辅助装置加快空气等介质的对流，尽快把热量带走，并最终将热交换气体或蒸汽冷却成液体。^[8][5]

冷凝器按其冷却介质和冷却方式，可以分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三种类型。^[5][12]

水冷式冷凝器，冷凝器中制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以一次流过，也可以循环使用。当循环使用时需设置冷却塔或冷却水池。水冷式冷凝器分为壳管式、套管式、板式等几种类型。^[5][12]空气冷却式冷凝器，冷凝器中制冷剂放出的热量被空气带走，制冷剂在管内冷凝。这类冷凝器中有自然对流空气冷却式冷凝器和强制对流空气冷却式冷凝器。通常，空气冷却式冷凝器也叫风冷冷凝器。^[5][12]蒸发式冷凝器，冷凝器中制冷剂放出的热量同时由冷却水和空气带走，冷却水在管外喷淋蒸发时，吸收汽化潜热，使管内制冷剂冷却和冷凝，因此耗水量少。这类冷凝器中有淋水式冷凝器和慕发式冷醒器两种类型。^[5][12]

用水作为冷却介质，使高温、高压的气态制冷剂冷凝的设备称为水冷式冷凝器。由于自然界中水温一般比较低，因此水冷式冷凝器的冷凝温度较低，这对压缩机的制冷能力和运行经济性都比较有利。目前制冷装置中大多采用水冷式冷凝器，所用的冷却水可以一次流过，也可以循环使用。当使用循环水时，需建有冷却水塔或冷却水池，使离开冷凝器的水再冷却，以便重复使用。^[13]

常用的水冷式冷凝器有立式壳管式冷凝器、卧式壳管式冷凝器及套管式冷凝器等形式。^[13][14]

这种冷凝器直立安装，只用于大、中型氨制冷装置，其结构如图所示。其外壳是由钢板卷焊而成的大圆筒，上下两端各焊一块多孔管板，板上用胀管法或接法固定着许多无缝钢管。冷凝器顶部装有配水箱，箱中设有均水板。冷却水自顶部进入水箱后，被均匀地分配到各个管口，每端装有一个带的导嘴，如图。冷却水通过斜槽沿切线方向流入管中，并以螺旋线状沿管内壁向下流动，在管内壁形成一层水膜，这样可使冷却水充分吸收制冷剂的热量而节省水量。沿管壁顺流而下的冷却水流入冷凝器下部的钢筋混凝土水池内。通常在冷凝器的一侧需装设扶梯，便于攀登到配水箱进行检查和清除污垢。^[13][14]

高温高压的氨气从冷凝器上部管接头进入管束外部空间，凝结成的高压液体从下部管接头排至贮液器。此外，在冷凝器的外壳上还设有液面指示器、压力表、安全阀、放空气管、平衡管(即均压管)管和放混合气(即凝性体)等管接头，以便与相应的设备和管路相连接。^[13][14]

1、出液管接头；2、压力表接头；3、进气管接头；4、配水箱；5、安全阀接头；6、均管接头；7、放空气管接头；8、放油管接头^[13][14]

立式壳管式冷凝器的优点是，可装在室外，垂直安装，占地面积小，无冻结危险，传热管容易清除水垢，而且清洗时不必停止制冷系统的运行，对冷却水水质要求不高。主要缺点是耗水量大、体积较卧式大、笨重、搬运不方便，制冷剂在管里泄漏不易发现。^[13][14]

卧式壳管式冷凝器简称为卧式冷凝器。卧式壳管式冷凝器的结构如图所示。这种冷凝器一般应用在大、中、小型制冷装置中，特别是压缩式冷凝机组中使用最为广泛。^[13][14]

卧式壳管式冷凝器简体由无缝钢管割制而成或由钢板卷制后焊接而成，壳体内装有许多根无缝钢管，用焊接或胀接法固定在筒体两端的管板上，两端管板的外面用带有隔板的封盖封闭，使冷却水在简内分成几个流程。冷却水在管内流动，从一端封盖的下部进人按顺序通过每个管组，最后从同一端盖上部流出。这样可以提高冷却水的流动速度，增强传热效果。^[13][14]

高压高温的氨气从上部进人冷凝器管间，与管内冷却水充分发生热量交换后，氨气冷凝为氨液从下部排至贮液器。简体上设有安全阀、平衡管、放空气管和压力表、冷却水进出口等管接头。此外，在封盖上还设有放空气阀和放水阀，在冷凝器开始运转时，可打开放空气阀，以排除冷却水管内的空气，冷凝器检修或停止运转时，可利用放水阀将其冷却水排出。卧式壳管式冷凝器主要优点是传热效果比立式壳管式冷凝器好，耗水量较少，操作管理方便，容易小型化，容易和其他设备组装;缺点是冷却水质要求高，冷却管容易腐蚀清洗水垢时不太方便，需要停止冷凝器的工作。^[13][14]

氟利昂用卧式壳管式冷凝器与氨用卧式壳管式冷凝器不同之处在于用铜管代替无缝钢管。由于氟fú利昂侧放热系数较低，所以在铜管外表面轧成肋片状;此外，由于利昂能和润滑油相溶解，润滑油随氟利昂一起在整个系统内循环，所以不需要设放油管接头。^[13][14]

冷凝器的下侧还设有一个安全塞，它是用易熔合金制成，当遇火灾或严重缺水时，熔塞自行熔化，氟利昂能自动地从冷凝器排出，避免发生爆炸。^[13][14]

套管式冷凝器主要用于小型氟利昂空调机组，例如柜式空调机、恒温恒湿机组等，且单机制冷量一般小于 25kW。其构造见附图。它的外管采用ø50 无缝钢管，内管套有一根或几根铜管或低肋铜管，内外管套在一起后，用弯管机弯成圆螺旋形。^[13][14]

冷却水在内管流动，流向为下进上出;制冷剂在大管内小管外的管间流动，制冷剂由上部进入，凝结后的制冷剂液体从下面流出。制冷剂与冷却水的流动方向相反，呈逆流换热，因此，它的热传效果好。^[13][14]

套管式冷凝器可以套放在压缩机的周围，所以它的优点是占地面积少，体积小，结构简单，制造方便，传热系数较高;缺点是冷却水流动阻力大，清洗水垢不方便，单位传热面积的金属消耗最大。^[13][14]

风冷式冷凝器又称空冷式冷凝器。它是用空气作为冷却介质，使制冷剂蒸气冷凝为液体。根据空气流动的方式可分为自然对流式和强迫对流式。自然对流冷却的空冷式冷凝器传热效果差，只用在电冰箱或微型制冷机中，强迫对流冷却的冷凝器广泛应用于中小型氟利昂制冷和空调装置。空气冷却式冷凝器一般多为蛇管式，制冷剂蒸气在管内冷凝，空气在管外流过。^[15][16]

自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂冷凝放出的热量带走。上图为几种不同结构形式的自然对流空气冷却式冷凝器，其冷凝管多为管或表面铜的钢管，管外通常做有各形式的肋片。管子外径一般为5~ 8mm。这种冷器的换热系数很小，约为5~10W/ (m·K2)，为此将传热管胶合在冰箱体面上，形成平板式冷凝器;有的将金属丝环绕在管外，形成百叶窗式或钢丝式冷凝器，以增强传热效果。它主要用于家用冰箱和微型制冷装置。^[15][16]

1、蒸气集管；2、翅片管组；3、液体集管；4、风机扩散器^[15][16]

上图为强迫对流空气冷式冷凝器的结构图。它是由几组蛇形盘管组成。在盘管外加肋片，以增大空气侧换热面积，同时采用风机加速空气的流动。氟利昂蒸气从上部的分配集管进入每根蛇管中，凝结成液体沿蛇管流下，汇于液体集管中，然后流出冷凝器。空气在风机的作用下从管外流过。^[15]

沿空气流动方向，蛇管的排数与风机形式有关，小型冷凝器一般为 3~6 排。蛇管一般用直径较小的钢管 (ø10×1 ~ ø16×1)制成。管外肋片多为套片式，肋片多用0.2~0.3mm的铜片或铝片制成，肋间距2~4mm。每根的长度不宜过长否则管的后部被液体充满，影响换热效果。^[15][16]

这种冷凝器的换热系数不高，当迎面风速为 2~3m/s 时，按全部外表面计算的换热系数约24~29 W/(m2·K)。空冷式冷凝器和水冷式冷凝器相比较，其优点是可以不用水，使冷却系统变得十分简单，因此它特别适宜于缺水地区或用水不适合的场所 (如冰箱、冷藏车等)。一情况下它不受污染空气的影响(即一般不会产生腐蚀);而水式冷凝用冷却塔的循环水时则水有被污染的可能，进而腐蚀设备。^[15][16]

这种冷凝器的冷凝温度受环境温度影响很大。夏季的冷凝温度可高达 50摄氏度左右，而冬季的冷凝温度就很低。太低的冷凝压力会导致膨胀阀的液体通过量减小，使蒸发器缺液而制冷量下降。因此，应注意防止空冷式冷凝器冬季运行时压力过低，也可采用减少风量或停止风机运行等措施弥补。^[15][16]

1、风机；2、淋水装置；3、盘管；4、挡水板；5、水泵；6、水箱；7、浮球阀补水^[17]

在蒸发式冷凝器中是以水和空气作为冷却介质。它是利用冷却水喷淋时蒸发吸热，吸收高压制冷剂蒸气的热量，同时利用轴流风机使空气由下而上通过蛇形管使管内制冷剂气体冷凝为液体。根据蒸发冷凝器中轴流风机安装的位置不同可分为吸入式和压送式，风机设在盘管上部称为吸式;设在盘下部者，为送式。其构造见上图，由热盘管、供水喷淋系统和风机三部分组成。^[17][18]

换热盘管部分是由光管或肋管组成的蛇形组，每列蛇形管垂直布置，上端与进气集管相接，下端与出液集管相连。整个管组是安装在一立式箱体内的上半部，制冷剂蒸气由上部的进气管分配给每一根蛇形管，与冷却介质换热后制冷剂冷凝为液体经出液集管流人贮液器。^[17][18]

供水系统包括水箱、循环水泵、喷淋器和挡水板以及水管。水泵将水箱中的冷却水打到管组的上方，经喷嘴喷淋到管组的表面，使其形成均匀的水膜向下流动，最后落入箱体底部的水箱中，如此循环。上部挡水板的作用是降低冷却水随气流的飞散损耗这两种形式的冷凝器都是蛇形盘管的传热面，管内走制冷剂，臂外喷淋循环水，水吸收高压高温制冷剂蒸气的热量而蒸发，而空气自下而上掠过盘管，并带走蒸发的水分，上部的挡水板，防止未蒸发的水滴被空气带走。吸人式蒸发式冷凝器由于空气均匀地通过冷凝盘管，所以传热效果好，但风机电动机的工作条件恶劣，在高温高湿条件下运行，易发生故障。压送式蒸发式冷凝器风机电动机的工作条件好，但空气通过冷凝盘管不太均匀。^[17][18]

蒸发式冷凝器的优点是:

与水冷式冷凝器相比，循环水量和耗水量减少。水冷式冷凝器水的温升带走制冷的热量，1kg水大约带走2535kJ (温升6~8摄氏度)的热量，1kg水大约带走2450kJ的热量，所以理论上燕发式冷凝器耗水量只是水冷式耗水量的 1% (质量分数)。实际上由于漏水和空气中夹带水滴等的耗水，补水量约为水冷式冷凝耗水的5%~10% (质量分数)。此外，蒸发式冷凝器中循环水量以能够形成管外水膜为度，水量不需要很大,所以，降低了水泵的耗功率。^[17][18]与风冷式冷凝器相比，其冷凝温度低，尤其是干燥地区更明显。^[17][18]

蒸发式冷凝器的缺点是:

蛇形管容易腐蚀，管外易结垢，且维修困难。^[17][18]既消耗水泵功率，又消耗风机功率。风机和水泵的电耗不是很大，对于每1kW的热负荷，循环水量为0.014~0.019kg/s，空气流量为0.024~0048m3/s，而水泵和风机的耗电量为0.02-0.03kW。^[17][18]

蒸发式冷凝器适用于缺水地区，可以露天安装，广泛应用于中小型氨制冷系统。淋激式冷凝器的工作原理与蒸发式冷凝器相同，只是没有风机，冷却水在管外气化产生的水蒸气被自由运动的空气带走，换热效果较差。由于金属耗量大，占地面积大，所以淋激式冷凝器目前已很少使用和生产。^[17][18]

通过工作原理章节内容可以得知，在制冷装置中，必须要有工质在其中进行状态变化并完成热力循环过程，制冷装置才能连续、稳定地向外界供冷，该循环工质即称制冷剂。目前，可用作制冷剂的物质有几十种，但在普通制冷范围 (5 ~-120℃) 所用的制冷剂只有十儿种，而在一般空调制冷系统中所用的制冷剂仅有几种。^[19]

CF2Cl2

氟里昂12(CF2Cl2)代号R12 氟里昂12是一种无色、无臭、透明、几乎无毒性的制冷剂，但空气中含量超过80%时会引起人的窒息。氟里昂12不会燃烧也不会爆炸，当与明火接触或温度达到400℃以上时，能分解出对人体有害的氟化氢、氯化氢和光气(CoCl2)。 R12是应用较广泛的中温制冷剂，适用于中小型制冷系统，如电冰箱、冰柜等。R12能溶解多种有机物，所以不能使用一般的橡皮垫片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡胶或丁睛橡胶片或密封圈。^[8]

CHF2Cl

氟里昂22(CHF2Cl)代号R22 R22不燃烧也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解度虽比R12大，但仍可能使制冷系统发生“冰塞”现象。R22能部分地与润滑油互相溶解，其溶解度随着润滑油的种类及温度而改变，故采用R22的制冷系统必须有回油措施。^[8]

R22在标准大气压力下的对应蒸发温度为-40.8℃，常温下冷凝压力不超过15.68×105 Pa，单位容积制冷量与比R12大60%以上。在空调设备中，大都选用R22制冷剂。^[8]

CHF2F3

四氟乙烷R134a（ch2fcf3)代号R13是一种无毒无污染安全性最高的制冷剂。TLV 1000pm,GWP 1300，广泛应用于制冷设备中。特别是对制冷剂要求高的仪器中。^[8]

目前冷凝器市场主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、制冷空调、机械、食品、制药等领域。^[20][9][7]

空调和制冷系统

冷凝器是空调和制冷系统中必不可少的部分。冷凝器用于将蒸汽或气体转变为液体状态，从而实现冷却。这样可以使空调和制冷系统保持良好的工作状态，并确保它们能够持续地工作。^[20][9][7]

发电厂

冷凝器在发电厂中也有着重要的作用。在这些系统中，冷凝器用于将蒸汽转变为液体状态。这样可以使发电厂的热能转化为电能，并确保发电机的正常工作。^[20][9][7]

化工工业

在化工工业中，冷凝器用于控制化学反应的温度。当化学反应过程中产生的热量过多时，冷凝器可以将多余的热量从反应器中移除，从而确保反应的稳定性。^[20][9][7]

石油和天然气行业

在石油和天然气行业中，冷凝器用于将天然气中的液态烃分离出来。这些烃类物质可以被用于制造化学品或作为燃料。^[20][9][7]

食品加工行业

在食品加工行业中，冷凝器用于将蒸汽转变为液体状态，从而冷却或凝固食品。这可以使食品保持新鲜，并确保其味道和口感。^[20][9][7]

除上面举例介绍以外，在冶金、船舶、机械、医药等领域，冷凝器也有广泛应用。^[20][9][7]

冷凝器下游可应用范围广泛，市场需求不断增长。凡是在生产工艺过程中有加热、冷却或冷凝需求的行业，都需要用到冷凝器。冷凝器于20世纪20年代开始发展，60年代之后，随着科学发展、技术进步，冷凝器制造工艺不断完善，应用领域不断拓宽。21世纪，需要运用冷凝器的行业不断增多，推动冷凝器行业研发创新能力、技术工艺水平快速进步。^[9][21]

我国冷凝器行业主要面临的挑战有：

市场竞争激烈，厂商利润单薄行业结构不合理^[9][21]

现阶段，在节能减排战略背景下，冷凝器行业的发展方向为：

更新原材料，改进生产工艺降低产品的能耗、生产成本、运行成本提高冷却效果，效率提高专业水平创新商业模式^[9][21]

QC/T 1177-2022，行业标准《汽车空调用冷凝器》，主管部门为工业和信息化部。^[22]JB/T 11967-2014，行业标准《冷冻空调设备冷凝器用微通道热交换器》由全国冷冻空调设备标准化技术委员会归口上报，主管部门为工业和信息化部。^[22]JB/T 11419-2013，行业标准《蒸发式冷凝器冷却风机 技术条件》由全国风机标准化技术委员会归口上报，主管部门为工业和信息化部。^[22]JB/T 7659.2-2011，行业标准《氟代烃类制冷装置用辅助设备 第2部分：管壳式水冷冷凝器》由全国冷冻空调设备标准化技术委员会归口上报，主管部门为工业和信息化部。^[22]GB/T 3625-2007，国家标准《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》 由TC243（全国有色金属标准化技术委员会）归口，TC243SC3（全国有色金属标准化技术委员会稀有金属分会）执行 ，主管部门为中国有色金属工业协会。^[22]JB/T 7658.17-2006，行业标准《氨制冷装置用辅助设备 第17部分：立式冷凝器》由全国冷冻空调设备标准化技术委员会归口上报，主管部门为国家发展和改革委员会。^[22]JB/T 7658.18-2006，行业标准《氨制冷装置用辅助设备 第18部分：卧式冷凝器》由全国冷冻空调设备标准化技术委员会归口上报，主管部门为国家发展和改革委员会。^[22]JB/T 7658.5-2006，行业标准《氨制冷装置用辅助设备 第5部分：蒸发式冷凝器》由全国冷冻空调设备标准化技术委员会归口上报，主管部门为国家发展和改革委员会。^[22]JB/T 4339-1991，行业标准《氨制冷装置用蒸发式冷凝器技术条件》，主管部门为机械电子工业部。^[22]JB/T 3337-1991，行业标准《氨制冷装置用蒸发式冷凝器型式与基本参数》，主管部门为机械电子工业部。^[22]JB/T 5444-1991，行业标准《单元式空气调节机组用冷凝器 型式与基本参数》，主管部门为机械电子工业部。^[22]

DIN EN 15218,Air conditioners and liquid chilling packages with evaporatively cooled condenser and with electrically driven compressors for space cooling - Terms, definitions, test conditions, test methods and requirements^[23]DIN EN 13487,Heat exchanger - Forced convection air cooled refrigerant condensers and dry coolers - Sound measurement^[23]NF E38-333*NF EN 13487:2019,Heat exchanger - Forced convection air cooled refrigerant condensers and dry coolers - Sound measurement^[23]UNE-EN 327:2015,Heat exchangers - Forced convection air cooled refrigerant condensers - Test procedures for establishing performance^[23]UNE-EN 13487:2004,Heat exchangers - Forced convection air cooled refrigerant condensers and dry coolers - Sound measurement^[23]UNE-EN 1117:1999,Heat exchangers - Liquid cooled refrigerant condensers - Test procedures for establishing the performance^[23]NF E38-328*NF EN 1117:1998,Heat exchangers - liquid cooled refrigerant condensers - Test procedures for establishing the performance^[23]