從冷凝器端差的變化分析污垢熱阻對冷水機組性能的影響

從冷凝器端差的變化分析污垢熱阻對冷水機組性能的影響
劉金平 1 、 倪永剛 張亞軍 2
1、華南理工大學電力學院  2、 深圳市勤達富節能技術有限公司
 摘要： 本文通過對逆卡諾循環、蒸氣壓縮理論制冷循環的性能計算、典型冷水機組的性能指標、ARI標準和采暖通風與空氣調節設計規范的分析可知冷凝溫度每增加 1℃ ，壓縮機單位制冷量的功耗約增加3％～4％。當冷凝器冷卻水側的換熱表面有污垢形成后，導致冷凝器的對數平均傳熱溫差和端差增加，使冷水機組的冷凝溫度升高，冷水機組的性能下降。分析了水處理和清洗等應對污垢的措施，得出了橡膠海綿球清洗法是目前為止使冷凝器冷卻水管始終保持在清潔狀態的最為有效的方法。
關鍵詞： 冷凝器端差；污垢熱阻；冷水機組；橡膠海綿球清洗法
 1）、冷凝溫度對冷水機組性能的影響
 冷水機組的運行效率受蒸發溫度和冷凝溫度的影響，蒸發溫度一定時，冷凝溫度越高，其運行效率越差。
逆卡諾循環的制冷系數為：
(1)
式中： －為逆卡諾循環的制冷系數        －為制冷量，W；        －為耗功率，W；
－為蒸發溫度，K；
－為冷凝溫度，K。
 根據目前空調工況冷水機組的設計參數，假設逆卡諾循環的低溫熱源（蒸發）溫度為 5.5℃ ，冷凝溫度為 36.5℃ ，此時的制冷系數為8.99。表1顯示了冷凝溫度對逆卡諾循環制冷系數的影響，冷凝溫度升高 1℃ ，則制冷系數降低2.94%～2.33%，且冷凝溫度越低，影響越顯著。
表1. 冷凝溫度對逆卡諾循環制冷系數的影響

冷凝溫度（℃）  36.5  37.5  38.5  39.5  40.5  41.5  42.5
制冷系數  8.99  8.71  8.44  8.20  7.96  7.74  7.53
相對冷凝溫度為 36.5℃ 時制冷系數的降低百分數(%)   3.13  6.06  8.83  11.43  13.89  16.22
冷凝溫度升高 1℃ 制冷系數降低百分數(%)    2.94  2.76  2.60  2.46  2.33
 對圖1所示的蒸氣壓縮理論制冷循環進行計算，制冷劑為R 134a ，根據目前空調工況冷水機組的設計參數，設蒸發溫度為 5.5℃ ，冷凝溫度為 36.5℃ ，進壓縮機前的制冷劑蒸氣過熱度為 0℃ ，冷凝器出口制冷劑液體的過冷度為 0℃ ，取壓縮過程的等熵絕熱效率為0.9，此時的理論制冷系數為6.83，表2顯示了冷凝溫度對理論制冷循環制冷系數的影響，冷凝溫度升高 1℃ ，則制冷系數降低2.93%～3.66%，且冷凝溫度越低，影響越顯著。
表2. 冷凝溫度對理論制冷循環制冷系數的影響
冷凝溫度（℃）  36.5  37.5  38.5  39.5  40.5  41.5  42.5
制冷系數  6.83  6.58  6.33  6.11  5.89  5.69  5.49
相對冷凝溫度為 36.5℃ 時制冷系數降低百分數(%)  3.66  7.32  10.54  13.76  16.69  19.62
冷凝溫度升高 1℃ 制冷系數降低百分數(%)    3.66  3.22  3.22  2.93  2.93
 表3為麥克維爾（McQuay）PFS330.3型單螺桿冷水機組的性能指標。隨冷卻水進出水溫度升高，冷水機組的COP下降，冷卻水進出水溫度升高 1℃ ，則COP降低3.24%～3.35%，且冷卻水進出水溫度越低，影響越顯著。
表3 麥克維爾（McQuay）PFS330.3型單螺桿冷水機組性能指標
冷卻水進出水溫度  30 ～ 35 ℃  32 ～ 37 ℃  35 ～ 40 ℃
COP  5.52  5.15  4.65
冷凝溫度升高 1℃ 制冷系數降低百分數(%)   3.35  3.24
注：制冷劑：HFC 134a ；冷凍水進出水溫度： 12 ～ 7 ℃
 表4為特靈（TRANE）CVHG-780型離心式冷水機組的性能指標。隨冷卻水進出水溫度升高，冷水機組的能耗系數（每制取1冷噸冷量所消耗的電功率）增加，冷卻水進出水溫度每升高 1℃ ，則能耗系數增加3.14%～3.46%。
 表4 特靈（TRANE）RTHB 450L 型水冷螺桿冷水機組性能指標
冷卻水進出水溫度  25 ～ 30 ℃  28 ～ 33 ℃  30 ～ 35 ℃ 32 ～ 37 ℃ 35 ～ 40 ℃
制冷量 ton  402  398  393  387  379
輸入功率 KW  216  234  246  259  279
能耗系數 y(kW/ton)  0.537  0.588  0.626  0.669  0.736
冷卻水進出水溫度升高 1℃ 能耗系數升高 百分數(%)   3.14  3.23  3.46  3.33
注：制冷劑：HCFC22；冷凍水進出水溫度： 12 ～ 7 ℃
 美國空調制冷學會 (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 條指出 ： 換熱器水側的污垢熱阻對空調和制冷設備的性能有顯著影響 ， 例如水冷式冷水機組滿負荷運行時 ， 換熱管管壁為清潔狀態 ， 冷凍水的出水溫度為 7 ℃ ， 冷卻水的出冷水機組的溫度為 35 ℃ ， 冷水機組的制冷劑的冷凝溫度為 36 ℃ ， 蒸發溫度為 6 ℃ ， 其能耗系數為 0.60kW/ton 。如果冷凝器和蒸發器水側的污垢熱阻均為4.4，則制冷劑的冷凝溫度升高為 37℃ ，蒸發溫度降低為 5℃ ，其能耗系數為0.65kW/ton，即運行費用增加了8.3%。實際的影響由于冷凝器和蒸發器換熱管的形式不同可能會有些許不同。根據對制冷循環的性能計算可知蒸發溫度降低 1℃ 使冷水機組性能降低的數值比冷凝溫度升高 1℃ 使冷水機組性能降低的數值高10％。因此可以認為，冷凝溫度升高 1℃ ，冷水機組效率約降低4％。
 根據國家標準 GBJ19-87 （2001年版）（中國計劃出版社2001年）《采暖通風與空氣調節設計規范－條文說明》中第 7.2.3 條：冷凝溫度越低，制冷系數越大，可減少壓縮機的耗電。例如，當蒸發溫度一定時，冷凝溫度每增加 1℃ ，壓縮機單位制冷量的功耗率約增加3％～4％
 綜上所述，實際運行的水冷式冷水機組的冷凝溫度每增加 1℃ ，壓縮機單位制冷量的功耗率約增加4％。
2）、污垢熱阻對冷凝器換熱的影響
 冷卻水溫度升高會使冷水機組的冷凝溫度升高。此外在冷卻水溫度不變時若冷凝器的換熱條件惡化，同樣會使冷水機組的冷凝溫度升高，COP下降。
 冷卻水系統中由于補充水的水質和系統內的機械雜質等因素，尤其是開式冷卻水系統與空氣大量接觸，造成水質不穩定，產生和積累大量水垢、污垢、微生物等，在冷凝器的換熱管表面形成污垢，使冷凝器的傳熱惡化、效率降低，污垢一般為熱的不良導體，其導熱系數只有碳鋼的十分之一，而與銅等熱的良導體相比，導熱率相差更大。且隨著強化傳熱技術的廣泛應用，污垢熱阻對傳熱過程的影響更加明顯。在能源價格不斷上漲的情況下，各種強化傳熱措施被普遍采用來增大傳熱系數的同時，污垢對換熱器的影響也更加顯著了。
 水冷式冷水機組實際運行時可直接觀察到的是制冷劑的冷凝溫度與冷卻水出口溫度之差，即冷凝器端差。 對水冷式冷凝器:
(2)
式中： ：為冷凝器的放熱量， kW       ：為冷卻水的比熱， kJ/kg. ℃       ：為冷卻水的流量， kg/s       ：為冷卻水的進出口溫差，℃
 由上式可以看出，在機組滿負荷運行時，冷凝器的放熱量可近似不變，冷卻水的進出口溫差即可近似不變。考慮到冷凝器的換熱過程中，壓縮機的排氣從過熱蒸氣被冷卻到飽和溫度段，溫差較大，但換熱系數較低，將此段的換熱過程近似于冷凝換熱段，即制冷劑的在冷凝器內的溫度均近似為冷凝溫度。由于冷卻水的比熱為定值，冷卻水的平均溫度可以表示為冷卻水的出口溫度減去冷卻水的進出口溫差的一半：
 由上式可以看出，在機組滿負荷運行時，冷凝器的放熱量可近似不變，冷卻水的進出口溫差即可近似不變。考慮到冷凝器的換熱過程中，壓縮機的排氣從過熱蒸氣被冷卻到飽和溫度段，溫差較大，但換熱系數較低，將此段的換熱過程近似于冷凝換熱段，即制冷劑的在冷凝器內的溫度均近似為冷凝溫度。由于冷卻水的比熱為定值，冷卻水的平均溫度可以表示為冷卻水的出口溫度減去冷卻水的進出口溫差的一半：
(3)
式中： ：為冷卻水的平均溫度，℃
：為冷卻水的出口溫度，℃
冷凝器的換熱溫差即為制冷劑的冷凝溫度與冷卻水的平均溫度之差：
(4)
式中： ：為冷凝器的對數平均溫差，℃
：為制冷劑的冷凝溫度，℃
：為冷凝器的端差，即制冷劑的冷凝溫度與冷卻水出口溫度之差，℃
因此機組滿負荷運行時，冷凝器的對數平均溫差的變化量等于冷凝器端差的變化量。

 當換熱器的表面有污垢形成后，換熱器的總傳熱熱阻增大，導致了對數平均傳熱溫差增加，即冷凝溫度升高。假設冷凝器的冷卻水進出水溫差為 5℃ ，冷凝器端差為 1℃ ，即傳熱溫差為 3.5℃ ，圖2顯示了在的傳熱系數 不同的時污垢熱阻對端差的影響， 越大，污垢熱阻對端差的影響越顯著。圖3顯示了在不同的 時污垢熱阻對傳熱溫差的影響， 越大，污垢熱阻對傳熱溫差的影響越顯著。
 此外，負荷率對冷凝器的端差也有影響，機組滿負荷運行時，冷凝器的放熱量也達到滿負荷，冷凝器清潔狀態時有下式
(5)
式中： ：機組滿負荷運行時冷凝器的放熱量， W
：機組滿負荷運行及冷凝器清潔狀態時的總傳熱系數， W/m 2. ℃
F ：冷凝器的換熱面積， m 2
： 機組滿負荷運行及冷凝器清潔狀態時的傳熱溫差，℃
實際運行時，有下式：
(6)
式中： ：機組實際運行工況時冷凝器的放熱量， W
：機組滿實際運行工況時的總傳熱系數， W/m 2. ℃
： 機組實際運行工況時的傳熱溫差，℃
由式（5）和（6）得：
（7）
由式（2）得：
（8）
經推導得：
（9）
由（9）式可知冷凝器端差與負荷率成正比，即負荷率越低，冷凝器端差越小。
 因此在冷水機組的實際運行過程中應密切注視冷凝器端差的變化，及時采取相應措施，使冷水機組保持較高的運行效率。3）、污垢的應對措施
 目前針對冷水機組冷凝器冷卻水側的污垢所采取的應對措施有化學水處理法和橡膠海綿球清洗法
3.1 化學水處理法 
 傳統的化學水處理法是加入3種不同作用的水處理藥劑:緩蝕劑、阻垢劑及殺菌滅藻劑。緩蝕劑可在金屬表面形成皮膜,防止腐蝕;阻垢劑作用于形成垢的成分碳酸鈣等的結晶體,使其扭曲、錯位、變形,以此來妨礙垢的生長;殺菌滅藻劑對藻類和細菌有抑制作用,防止其繁殖。理論上化學水處理法可以達到較好的效果，前提是有效的水質穩定劑、專業的操作和管理人員，但定期排污,對環境有一定的污染。由于以上特點，化學水處理的成本較高，而在中央空調界的現實是甲方管理人員由于所學專業原因無法判斷和檢測水處理公司服務的質量水平，競爭時大部分是看價格，致使該行業不能得到合理的利潤回報，行業人才流失嚴重，服務質量與理論相差甚遠。所以目前大部分空調冷卻水系統即使采取了化學水處理方法，同時還要每年冬季停機保養時采用毛刷捅炮清洗冷凝器

3.2橡膠海綿球清洗法

 是一套全面性利用流體、水力機械以及微電腦等多種技術來達到最簡單的清洗解決方案，在冷水機組冷凝器冷卻水的進出管安裝發球機和收球機，用特殊配方和結構的橡膠海綿球按一定的循環流成程序，在水力的作用下通過冷凝器換熱管擦去管壁上一點一滴的沉積物，由于循環過程是不停車在線、自動的，時間間隔短，沉積物在形成初期就被擦掉，使管壁永保潔凈，始終保持冷凝器的換熱效率處于最高值。克服由于污垢的產生而引起冷水主機制冷效率下降，從而降低能耗，節省能源。消除冷凝器列管腐蝕根源，延長列管使用壽命，減少維護費用和化學藥劑的使用，減少冷卻水濃水的排放量，降低環境污染。這是目前為止使冷凝器列管始終保持在清潔狀態的最為有效的方法。

4）、結論
 綜上所述僅用 傳統的化學水處理法只能解決中央空調冷卻循環水系統的部分問題，再加上橡膠海綿球清洗法才能從根本上解決冷水機組長期保持高效運行的問題。