从冷凝器端差的变化分析污垢热阻对冷水机组性能的影响

从冷凝器端差的变化分析污垢热阻对冷水机组性能的影响
刘金平 1 、 倪永刚 张亚军 2
1、华南理工大学电力学院  2、 深圳市勤达富节能技术有限公司
 摘要： 本文通过对逆卡诺循环、蒸气压缩理论制冷循环的性能计算、典型冷水机组的性能指标、ARI标准和采暖通风与空气调节设计规范的分析可知冷凝温度每增加 1℃ ，压缩机单位制冷量的功耗约增加3％～4％。当冷凝器冷却水侧的换热表面有污垢形成后，导致冷凝器的对数平均传热温差和端差增加，使冷水机组的冷凝温度升高，冷水机组的性能下降。分析了水处理和清洗等应对污垢的措施，得出了橡胶海绵球清洗法是目前为止使冷凝器冷却水管始终保持在清洁状态的最为有效的方法。
关键词： 冷凝器端差；污垢热阻；冷水机组；橡胶海绵球清洗法
 1）、冷凝温度对冷水机组性能的影响
 冷水机组的运行效率受蒸发温度和冷凝温度的影响，蒸发温度一定时，冷凝温度越高，其运行效率越差。
逆卡诺循环的制冷系数为：
(1)
式中： －为逆卡诺循环的制冷系数        －为制冷量，W；        －为耗功率，W；
－为蒸发温度，K；
－为冷凝温度，K。
 根据目前空调工况冷水机组的设计参数，假设逆卡诺循环的低温热源（蒸发）温度为 5.5℃ ，冷凝温度为 36.5℃ ，此时的制冷系数为8.99。表1显示了冷凝温度对逆卡诺循环制冷系数的影响，冷凝温度升高 1℃ ，则制冷系数降低2.94%～2.33%，且冷凝温度越低，影响越显著。
表1. 冷凝温度对逆卡诺循环制冷系数的影响

冷凝温度（℃）  36.5  37.5  38.5  39.5  40.5  41.5  42.5
制冷系数  8.99  8.71  8.44  8.20  7.96  7.74  7.53
相对冷凝温度为 36.5℃ 时制冷系数的降低百分数(%)   3.13  6.06  8.83  11.43  13.89  16.22
冷凝温度升高 1℃ 制冷系数降低百分数(%)    2.94  2.76  2.60  2.46  2.33
 对图1所示的蒸气压缩理论制冷循环进行计算，制冷剂为R 134a ，根据目前空调工况冷水机组的设计参数，设蒸发温度为 5.5℃ ，冷凝温度为 36.5℃ ，进压缩机前的制冷剂蒸气过热度为 0℃ ，冷凝器出口制冷剂液体的过冷度为 0℃ ，取压缩过程的等熵绝热效率为0.9，此时的理论制冷系数为6.83，表2显示了冷凝温度对理论制冷循环制冷系数的影响，冷凝温度升高 1℃ ，则制冷系数降低2.93%～3.66%，且冷凝温度越低，影响越显著。
表2. 冷凝温度对理论制冷循环制冷系数的影响
冷凝温度（℃）  36.5  37.5  38.5  39.5  40.5  41.5  42.5
制冷系数  6.83  6.58  6.33  6.11  5.89  5.69  5.49
相对冷凝温度为 36.5℃ 时制冷系数降低百分数(%)  3.66  7.32  10.54  13.76  16.69  19.62
冷凝温度升高 1℃ 制冷系数降低百分数(%)    3.66  3.22  3.22  2.93  2.93
 表3为麦克维尔（McQuay）PFS330.3型单螺杆冷水机组的性能指标。随冷却水进出水温度升高，冷水机组的COP下降，冷却水进出水温度升高 1℃ ，则COP降低3.24%～3.35%，且冷却水进出水温度越低，影响越显著。
表3 麦克维尔（McQuay）PFS330.3型单螺杆冷水机组性能指标
冷却水进出水温度  30 ～ 35 ℃  32 ～ 37 ℃  35 ～ 40 ℃
COP  5.52  5.15  4.65
冷凝温度升高 1℃ 制冷系数降低百分数(%)   3.35  3.24
注：制冷剂：HFC 134a ；冷冻水进出水温度： 12 ～ 7 ℃
 表4为特灵（TRANE）CVHG-780型离心式冷水机组的性能指标。随冷却水进出水温度升高，冷水机组的能耗系数（每制取1冷吨冷量所消耗的电功率）增加，冷却水进出水温度每升高 1℃ ，则能耗系数增加3.14%～3.46%。
 表4 特灵（TRANE）RTHB 450L 型水冷螺杆冷水机组性能指标
冷却水进出水温度  25 ～ 30 ℃  28 ～ 33 ℃  30 ～ 35 ℃ 32 ～ 37 ℃ 35 ～ 40 ℃
制冷量 ton  402  398  393  387  379
输入功率 KW  216  234  246  259  279
能耗系数 y(kW/ton)  0.537  0.588  0.626  0.669  0.736
冷却水进出水温度升高 1℃ 能耗系数升高 百分数(%)   3.14  3.23  3.46  3.33
注：制冷剂：HCFC22；冷冻水进出水温度： 12 ～ 7 ℃
 美国空调制冷学会 (ARI) 的 1997 指南 E(1997 GUILINE for Fouling Factors: A survey of their application in today ' s air conditioning and refrigeration industry Guideline E) 的第 4.3 条指出 ： 换热器水侧的污垢热阻对空调和制冷设备的性能有显著影响 ， 例如水冷式冷水机组满负荷运行时 ， 换热管管壁为清洁状态 ， 冷冻水的出水温度为 7 ℃ ， 冷却水的出冷水机组的温度为 35 ℃ ， 冷水机组的制冷剂的冷凝温度为 36 ℃ ， 蒸发温度为 6 ℃ ， 其能耗系数为 0.60kW/ton 。如果冷凝器和蒸发器水侧的污垢热阻均为4.4，则制冷剂的冷凝温度升高为 37℃ ，蒸发温度降低为 5℃ ，其能耗系数为0.65kW/ton，即运行费用增加了8.3%。实际的影响由于冷凝器和蒸发器换热管的形式不同可能会有些许不同。根据对制冷循环的性能计算可知蒸发温度降低 1℃ 使冷水机组性能降低的数值比冷凝温度升高 1℃ 使冷水机组性能降低的数值高10％。因此可以认为，冷凝温度升高 1℃ ，冷水机组效率约降低4％。
 根据国家标准 GBJ19-87 （2001年版）（中国计划出版社2001年）《采暖通风与空气调节设计规范－条文说明》中第 7.2.3 条：冷凝温度越低，制冷系数越大，可减少压缩机的耗电。例如，当蒸发温度一定时，冷凝温度每增加 1℃ ，压缩机单位制冷量的功耗率约增加3％～4％
 综上所述，实际运行的水冷式冷水机组的冷凝温度每增加 1℃ ，压缩机单位制冷量的功耗率约增加4％。
2）、污垢热阻对冷凝器换热的影响
 冷却水温度升高会使冷水机组的冷凝温度升高。此外在冷却水温度不变时若冷凝器的换热条件恶化，同样会使冷水机组的冷凝温度升高，COP下降。
 冷却水系统中由于补充水的水质和系统内的机械杂质等因素，尤其是开式冷却水系统与空气大量接触，造成水质不稳定，产生和积累大量水垢、污垢、微生物等，在冷凝器的换热管表面形成污垢，使冷凝器的传热恶化、效率降低，污垢一般为热的不良导体，其导热系数只有碳钢的十分之一，而与铜等热的良导体相比，导热率相差更大。且随着强化传热技术的广泛应用，污垢热阻对传热过程的影响更加明显。在能源价格不断上涨的情况下，各种强化传热措施被普遍采用来增大传热系数的同时，污垢对换热器的影响也更加显著了。
 水冷式冷水机组实际运行时可直接观察到的是制冷剂的冷凝温度与冷却水出口温度之差，即冷凝器端差。 对水冷式冷凝器:
(2)
式中： ：为冷凝器的放热量， kW       ：为冷却水的比热， kJ/kg. ℃       ：为冷却水的流量， kg/s       ：为冷却水的进出口温差，℃
 由上式可以看出，在机组满负荷运行时，冷凝器的放热量可近似不变，冷却水的进出口温差即可近似不变。考虑到冷凝器的换热过程中，压缩机的排气从过热蒸气被冷却到饱和温度段，温差较大，但换热系数较低，将此段的换热过程近似于冷凝换热段，即制冷剂的在冷凝器内的温度均近似为冷凝温度。由于冷却水的比热为定值，冷却水的平均温度可以表示为冷却水的出口温度减去冷却水的进出口温差的一半：
 由上式可以看出，在机组满负荷运行时，冷凝器的放热量可近似不变，冷却水的进出口温差即可近似不变。考虑到冷凝器的换热过程中，压缩机的排气从过热蒸气被冷却到饱和温度段，温差较大，但换热系数较低，将此段的换热过程近似于冷凝换热段，即制冷剂的在冷凝器内的温度均近似为冷凝温度。由于冷却水的比热为定值，冷却水的平均温度可以表示为冷却水的出口温度减去冷却水的进出口温差的一半：
(3)
式中： ：为冷却水的平均温度，℃
：为冷却水的出口温度，℃
冷凝器的换热温差即为制冷剂的冷凝温度与冷却水的平均温度之差：
(4)
式中： ：为冷凝器的对数平均温差，℃
：为制冷剂的冷凝温度，℃
：为冷凝器的端差，即制冷剂的冷凝温度与冷却水出口温度之差，℃
因此机组满负荷运行时，冷凝器的对数平均温差的变化量等于冷凝器端差的变化量。

 当换热器的表面有污垢形成后，换热器的总传热热阻增大，导致了对数平均传热温差增加，即冷凝温度升高。假设冷凝器的冷却水进出水温差为 5℃ ，冷凝器端差为 1℃ ，即传热温差为 3.5℃ ，图2显示了在的传热系数 不同的时污垢热阻对端差的影响， 越大，污垢热阻对端差的影响越显著。图3显示了在不同的 时污垢热阻对传热温差的影响， 越大，污垢热阻对传热温差的影响越显著。
 此外，负荷率对冷凝器的端差也有影响，机组满负荷运行时，冷凝器的放热量也达到满负荷，冷凝器清洁状态时有下式
(5)
式中： ：机组满负荷运行时冷凝器的放热量， W
：机组满负荷运行及冷凝器清洁状态时的总传热系数， W/m 2. ℃
F ：冷凝器的换热面积， m 2
： 机组满负荷运行及冷凝器清洁状态时的传热温差，℃
实际运行时，有下式：
(6)
式中： ：机组实际运行工况时冷凝器的放热量， W
：机组满实际运行工况时的总传热系数， W/m 2. ℃
： 机组实际运行工况时的传热温差，℃
由式（5）和（6）得：
（7）
由式（2）得：
（8）
经推导得：
（9）
由（9）式可知冷凝器端差与负荷率成正比，即负荷率越低，冷凝器端差越小。
 因此在冷水机组的实际运行过程中应密切注视冷凝器端差的变化，及时采取相应措施，使冷水机组保持较高的运行效率。3）、污垢的应对措施
 目前针对冷水机组冷凝器冷却水侧的污垢所采取的应对措施有化学水处理法和橡胶海绵球清洗法
3.1 化学水处理法 
 传统的化学水处理法是加入3种不同作用的水处理药剂:缓蚀剂、阻垢剂及杀菌灭藻剂。缓蚀剂可在金属表面形成皮膜,防止腐蚀;阻垢剂作用于形成垢的成分碳酸钙等的结晶体,使其扭曲、错位、变形,以此来妨碍垢的生长;杀菌灭藻剂对藻类和细菌有抑制作用,防止其繁殖。理论上化学水处理法可以达到较好的效果，前提是有效的水质稳定剂、专业的操作和管理人员，但定期排污,对环境有一定的污染。由于以上特点，化学水处理的成本较高，而在中央空调界的现实是甲方管理人员由于所学专业原因无法判断和检测水处理公司服务的质量水平，竞争时大部分是看价格，致使该行业不能得到合理的利润回报，行业人才流失严重，服务质量与理论相差甚远。所以目前大部分空调冷却水系统即使采取了化学水处理方法，同时还要每年冬季停机保养时采用毛刷捅炮清洗冷凝器

3.2橡胶海绵球清洗法

 是一套全面性利用流体、水力机械以及微电脑等多种技术来达到最简单的清洗解决方案，在冷水机组冷凝器冷却水的进出管安装发球机和收球机，用特殊配方和结构的橡胶海绵球按一定的循环流成程序，在水力的作用下通过冷凝器换热管擦去管壁上一点一滴的沉积物，由于循环过程是不停车在线、自动的，时间间隔短，沉积物在形成初期就被擦掉，使管壁永保洁净，始终保持冷凝器的换热效率处于最高值。克服由于污垢的产生而引起冷水主机制冷效率下降，从而降低能耗，节省能源。消除冷凝器列管腐蚀根源，延长列管使用寿命，减少维护费用和化学药剂的使用，减少冷却水浓水的排放量，降低环境污染。这是目前为止使冷凝器列管始终保持在清洁状态的最为有效的方法。

4）、结论
 综上所述仅用 传统的化学水处理法只能解决中央空调冷却循环水系统的部分问题，再加上橡胶海绵球清洗法才能从根本上解决冷水机组长期保持高效运行的问题。