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性能時多采用套管式氣冷器。目套管式氣冷器有很多種型式：常規的套管、大管內套多根小管、一體式套管等。研究方向主要集中在如何提高換熱性能進而提高系統性能上，包括管內徑和外徑、不同盤旋方式等。P. Neks等和C. Baek等均研究了采用常規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行參數對系統性能的影響。J. Sarkar等利用模擬的方法研究了同軸套管式氣冷器，結果表明，在排氣壓力下，氣冷器與蒸發器的面積比在1.6~1.9時系統COP。挪威SINTEF能源研究部設計了一種三段逆流氣冷器，結構如圖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，機組獲得較高的COP。呂靜等利用Fluent軟件對直管、矩形螺旋和圓形螺旋3種套管式氣冷器進行了對比研究，結果表明，矩形螺旋管內的單位壓降換熱量，綜合性能。上海理工大學利用模擬和試驗研究了CO2熱泵熱水器用套管式氣冷器的設計參數對系統性能的影響。
管殼式氣冷器在CO2制冷系統中的應用較多，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，在熱泵熱水器的應用上存在一些困難，目對其研究較少。G. R. Zakeri等制造了示范性工業用CO2熱泵熱水器，將管殼式換熱器用于蒸發器。C. Zilio等設計了4種管型的管殼式氣冷器（光滑管、內部開槽管、波紋管、內部開槽的波紋管，如圖8所示），并進行了試驗和模擬分析，結果表明，在10 MPa壓力下，進水流量對換熱量的影響程度降低，其中光滑管和內部開槽的波紋管的換熱量相對較高，且差別不大；在接近臨界壓力范圍內，外波紋管能夠改善換熱性能。諶盈盈等設計了一種全逆流管殼式氣冷器（如圖9所示，每個殼中有4根管，制冷劑沿管程流動，水沿殼程流動），并利用分段模擬法進行了仿真分析。
B. M. Fronk等設計研究了一種交叉流板式微通道氣冷器，用試驗方法研究了5個水流通道和7個水流通道的換熱器在不同進水流量和進水溫度下的換熱及壓降特性，研究表明，微通道氣冷器要優于套管式氣冷器。C. Goodman等在Brian試驗系統的基礎上增加了微通道回熱器，并對系統性能進行了模擬和試驗分析。李蒙等對CO2熱泵熱水器的微通道氣冷器（基于扁管而設計，扁管內開有11個直徑為0.79 mm的微孔）進行模擬研究，分析了微通道內CO2和水側的流動和換熱性能。
2.5 管殼式蒸發器
管殼式蒸發器分為干式蒸發器和滿液式蒸發器。干式蒸發器的理論研究和技術較成熟，其結構如圖10所示，兩相制冷劑在換熱管內保持流動并不斷汽化吸熱，載冷劑走殼程經過放熱過程實現冷卻。干式蒸發器的主要優勢在于：①制冷劑利用率較高，所需制冷劑充注量相比滿液式蒸發器可降低2/3；②回油穩定方便，換熱管內制冷劑的流速較高，潤滑油可隨氣態制冷劑返回壓縮機，基本不需要回油系統；③換熱管不易發生凍結，隨著大量載冷劑在換熱管外流動和沖擊，可減少換熱管凍結脹裂的情況發生。
滿液式蒸發器結構如圖11所示，管程為載冷劑、殼程為制冷劑，制冷劑液體從蒸發器殼體下側流入，經沸騰蒸發后的制冷劑蒸氣從殼體上側排出，通過對流傳熱吸收載冷劑的熱量并降低其溫度。蒸發器的底部應設置矩形分液板，以液相制冷劑在殼體內均勻分布和流動；殼程制冷劑沸騰時蒸氣會夾帶大量液滴，應將氣液分離器設于蒸發器上部出口位置，避免壓縮機吸氣帶液的情況發生。滿液式蒸發器的特點是蒸發管浸沒在制冷劑中，其內外表面均為液體潤濕，故對流傳熱系數較大、傳熱性能優良，此外還有整體結構簡單、體積緊湊、造價低、管程污垢易于清洗等優點。
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（k）3種途徑實現強化換熱。在實際應用中，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k成為強化傳熱技術研究的重點。管殼式換熱器的強化傳熱方式根據研究對象分為管程強化和殼程強化2個方面。
目管殼式換熱器的強化傳熱技術已較為成熟，主要通過增大傳熱面積和提高傳熱系數強化傳熱。管程強化傳熱的主要方向是通過調整換熱管形狀增大傳熱面積和管內流體湍流強度，典型的有螺旋槽管、螺旋扁管、波紋管、翅片管和管內插物等。
換熱器殼程內的管束支撐結構可影響流體的流型和流速，因此殼程強化傳熱的主要途徑是改變殼程支管間的支撐物結構，縮小殼程流體的流動死區，進而充分利用傳熱面積和提高換熱效率。傳統的單弓形折流板會在殼體內形成Z字形流道，導致流動和傳熱死區的產生，具有傳熱系數低、壓降大、抗振能力差等缺點。常用支撐結構有螺旋折流板、雙弓形折流板、折流桿和折流片等。為了增強傳熱效果，通過在殼程安裝密封裝置改進管殼式換熱器，試驗結果表明，改進后的換熱器殼側傳熱系數增大了18.2%~25.5%，傳熱系數增大了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。Dong C.等比較了管殼式換熱器采用三段式螺旋擋板與傳統分段式擋板的差異，結果表明，所提出的三段式螺旋擋板的傳熱性能和綜合性能評價指標優于分段式擋板。
2.6 氨制冷板式換熱器
氨作為制冷劑已被使用達100多年，其ODP為零，GWP也為零，標準沸騰溫度低，在冷凝器和蒸發器中的壓力適中，單位容積制冷量大，并且其熱導率大，蒸發潛熱也大，節流損失小，能溶解于水，價格低。但是，氨作為制冷劑，其絕熱指數較高，具有一定的毒性、可燃性和易爆性，并且對鋅、銅、銅合金有腐蝕作用等，這些限制了它的使用。
氨冷凝器和蒸發器都采用鋼管、鋼片，其體積大、質量大，而且氨的充注量大，在使用中具有一定的危險性。近年來，制冷空調行業為發揮氨的優點和減小其危害性做了大量的研究和開發工作。
氨制冷系統通常采用蛇管式蒸發器、螺旋管式蒸發器、直立管式蒸發器和滿液式管殼式蒸發器等。但當系統需要大量的冷水時，采用上述傳統的氨蒸發器制取冷水需要占用很大的容器和空間，造成浪費。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，其傳熱系數比列管式換熱器高3~5倍，同時結構緊湊，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造和特點，并著重講述了如何將半激光焊式板式換熱器應用于氨制冷系統及應注意的問題：根據冰水的成分選用不同的板材，設計管道時要考慮流體對管道的沖擊，要設置低位排污處，要考慮吹污過程對設備的損傷。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的研究，并總結了其經驗關聯式。
原創作者：江蘇良一冷卻設備有限公司
