两级压缩机用盘管式中冷高压换热管件

　　做两级压缩类流体设备的结构设计时，级间换热段的高压管路选型从来不是选个标准管接上去就完事的，尤其是带内置中冷结构的机型，高压侧的管路既要承担级间高压冷媒或者压缩空气的导通作用，还要兼顾一定的换热效能，很多刚入行的工程师容易在这里踩坑——要么直管段太长导致级间温降不够，二级进气温度超标拉低整机能效，要么管路弯折半径不合理，运行时振动应力集中在焊口位置，用个两三年就出现渗漏。

　　这次做的这款盘管式中冷高压管，就是针对小型两级活塞式压缩机、半封闭制冷压缩机组的级间中冷段设计的，整体采用紫铜材质盘制，紫铜的导热系数远高于普通碳钢和不锈钢，本身就能在输送高压介质的过程中，通过盘绕形成的大表面积把一级排气带出的多余热量散到中冷腔的冷却介质里，不用额外在管路上串接独立的换热翅片，能大幅压缩级间管路的占用空间。

　　结构上采用连续椭圆弯盘绕的形式，每一圈盘管的弯折半径都经过应力校核，避免弯管处出现壁厚减薄超差的问题——要知道高压管路弯制时如果弯折半径过小，外侧管壁的减薄量超过壁厚的10%，做1.5倍额定压力的水压试验时就很容易在弯位出现鼓包甚至破裂，这款盘管的弯位R值控制在管径的3.2倍，既保证了盘绕后的结构紧凑度，也把弯位壁厚减薄量控制在6%以内，满足高压工况的强度要求。底部的两个接头采用外螺纹黄铜接头，和紫铜管采用高频银钎焊连接，接头的螺纹规格匹配常规压缩机级间阀组的安装接口，安装时不需要额外做转接头，直接拧装即可，接头的密封面采用平垫密封结构，适配紫铜密封垫或者丁腈橡胶O圈，能在2.5MPa-4MPa的工作压力区间保持可靠密封，不会因为级间压力波动出现渗漏。

　　从安装边界来看，整个盘管的轴向高度控制在120mm以内，最大盘绕外径不超过85mm，两个底部接头的中心距为22mm，安装时只需要在中冷腔的下封板开两个对应中心距的安装孔，把接头穿出后用锁母固定即可，盘管整体悬空在中冷腔内部，周围预留不小于10mm的间隙，避免和腔体内壁出现碰磨，运行时压缩机产生的小幅振动可以通过盘管自身的弹性形变吸收，不会把振动应力直接传递到两端的焊口位置，能大幅提升管路的疲劳寿命。

　　实际应用场景里，这款高压管主要适配排量在0.3-0.8立方每分钟的两级空气压缩机，以及3-5匹的半封闭两级制冷压缩机，安装在一级排气和二级进气之间的中冷腔内部，一级排出的高温高压气体从一端接头进入盘管，在盘绕的流道里流动的过程中，热量通过紫铜管壁传递给中冷腔里的冷却空气或者冷却冷媒，温度降到设计区间后再从另一端接头进入二级压缩腔，能让二级进气温度控制在40摄氏度以内，相比采用直管连接的结构，整机能效可以提升8%左右，同时因为盘管本身的缓冲作用，一级排气的压力脉动会在盘绕流道里被大幅削弱，能降低级间管路的气流噪音，整机运行时的级间段噪音可以降低3-5分贝。

　　设计过程中也做过多轮迭代，最开始的方案是采用圆形盘管，但是圆形盘管的流道阻力偏大，会导致级间压力损失超过0.03MPa，后来把盘管的截面改成椭圆形态，在相同换热面积下流道的曲率变化更平缓，介质在管内流动时的局部阻力损失能降低40%，级间压力损失控制在0.01MPa以内，不会因为管路阻力导致一级排气背压过高。另外接头位置的焊口做了延伸处理，把焊口位置从盘管根部往下移了8mm，避免焊接时的高温影响盘管弯位的材质性能，之前有过类似结构的产品因为焊口离弯位太近，焊接时的余热让弯位的紫铜出现退火软化，运行时在压力脉动的冲击下出现开裂的问题，调整焊口位置后就彻底解决了这个隐患。

　　选型的时候需要注意，这款高压管的额定工作压力是4MPa，适用的介质包括压缩空气、氟利昂类冷媒以及无腐蚀性的高压气体，不能用于强酸强碱类的介质输送，如果是用于高压氧气工况的话，还需要提前对管路内部做脱脂处理，避免管内残留的油污在高压氧气环境下出现燃爆风险。安装时要注意两个接头的锁紧力矩控制在18-22N·m，力矩太大容易把黄铜接头拧裂，力矩太小又会出现密封不严的问题，安装完成后要先做气压试验，保压30分钟压力降不超过0.02MPa才算合格，才能投入正式运行。