冷水機組冷凝器膠球自動在線清洗裝置性能的影響

      為了研究冷凝器膠球自動在線清洗裝置的清洗效果，對同一臺冷水機組安裝冷凝器膠球自動在線清洗裝置前后的污垢熱阻和制冷性能系數(shù)進行了運行測試和對比分析。結(jié)果表明：膠球在線清洗裝置具有良好的除垢效果，采用冷凝器膠球自動在線清洗裝置后冷凝器的污垢熱阻平均降低了74.38%,制冷性能系數(shù)平均提高了11.31%。以單位時間平均運行費用低為目標函數(shù)，建立了佳清洗周期計算模型，通過優(yōu)化分析，確定了佳清洗周期，佳清洗時間間隔為28h,佳清洗持續(xù)時間為8h。在佳運行模式下，單位時間運行費用與連續(xù)清洗運行模式相比減少了3.76%,投資回收期為2.6a。

      冷凝器是冷水機組的重要組成部分，是制冷劑與冷卻水進行換熱的裝置，在換熱過程中，污垢的存在會降低冷凝器的換熱效率。針對污垢對蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)換熱器性能的影響作了實驗觀察;2000年手冊指出當冷水機組冷凝器有0.3mm厚的薄膜型水垢時，冷水機組會增加12.4%的能耗;指出水側(cè)表面的結(jié)垢降低了冷凝器的熱效率;就污垢對冷凝器傳熱性能、流動阻力及冷卻塔系統(tǒng)耗水量的影響進行了研究;對用海水冷卻的換熱器的不同防污處理措施的效果進行了評估和比較。

      因而尋找一種行之有效的除垢方式對節(jié)能、提高經(jīng)濟效益有重要作用。與其他除垢方式相比，采用膠球在線清洗裝置對冷凝器進行除垢，具有安裝簡單、操作便捷、適用性強等優(yōu)勢。通過對比同一臺冷水機組安裝冷凝器膠球自動在線清洗裝置前后的污垢熱阻和COP,確定冷凝器膠球自動在線清洗裝置的清洗效果，并從經(jīng)濟性角度提出了冷凝器膠球自動在線清洗裝置的佳運行模式。

1實驗

1.1實驗裝置

      冷凝器膠球自動在線清洗裝置由發(fā)球裝置、收球裝置、控制器及相關附件組成。發(fā)球裝置將膠球從冷卻水進水側(cè)送入冷凝器，膠球依靠水壓差擦洗掉換熱管內(nèi)壁的污垢，在冷卻水出水側(cè)通過收球器回收膠球，形成清洗循環(huán)。發(fā)球裝置主要包括膠球收集罐和水泵，用于存放和發(fā)射膠球；收球裝置安裝在機組冷凝器冷卻水出水管路上，用于收集膠球；控制器為可編程邏輯控制器PLC,控制在線清洗的發(fā)球時間和清洗循環(huán)周期。

      為確定冷凝器膠球自動在線清洗裝置的清洗效果，分別對同一臺冷水機組安裝膠球在線清洗裝置前后的污垢進行檢測，用熱阻法進行污垢檢測。測試系統(tǒng)主要測試溫度、流量和輸入功率。測試參數(shù)包括：冷卻水供回水溫度和流量、冷凝壓力、冷水供回水溫度和流量、冷水機組輸入電功率等。為保證測量精度，溫度測量使用A級Pt100鉑電阻溫度計，精度為±(0.15℃+0.002t)（其中t為測量溫度）；流量測量使用超聲波流量計，精度為±1%;輸入電功率測量使用電度表，精度為±0.5%。

采用的實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示。

1.2實驗設計

      實驗選取的測試機組為1臺水冷螺桿式冷水機組，機組參數(shù)見表1。

      為了獲得對比實驗數(shù)據(jù)，先對冷凝器換熱管進行機械通刷和化學清洗，使換熱管表面達到清潔狀態(tài)，在未安裝膠球在線清洗裝置的情況下，冷水機組連續(xù)運行并對各種運行參數(shù)進行測試。然后停機，對冷凝器換熱管進行機械通刷和化學清洗，當換熱管表面達到清潔狀態(tài)后將冷凝器膠球自動在線清洗裝置和冷水機組投入運行，并對各種運行參數(shù)進行測試。

      由于污垢熱阻的形成需要一定的時間，為了突出污垢熱阻對換熱和能耗的影響，將2次對比實驗的時間延長到430h;測試期間冷卻水泵和冷水泵均為工頻運行，水泵流量保持不變；每2h記錄一次冷卻水和冷水的供回水溫度、冷凝壓力、輸入功率等參數(shù)；測試期間流過蒸發(fā)器的冷水流量保持不變，冷水的供回水溫度設定為7℃/12℃,并保持不變，因此，蒸發(fā)器的冷負荷也保持不變；冷卻水水質(zhì)符合GB50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》的要求。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，分析冷凝器膠球自動在線清洗裝置的清洗效果，測試原理如下。

      冷凝器的換熱量Qc為Qc=mccp(tc,o-tc,i)(1)式中mc為冷卻水流量，kg/s;cp為水的比定壓熱容，J/(kg·℃);tc,i為冷卻水進水溫度，℃;tc,o為冷卻水出水溫度，℃。冷凝器的傳熱系數(shù)K為K=(2)式中Ai為換熱管總內(nèi)表面積，m2;Δtm為冷卻水與制冷劑的對數(shù)平均傳熱溫差，℃,可由下式求得：tc,o-tc,ilntk-tc,itk-tc,o式中tk為制冷劑的冷凝溫度，℃。冷卻水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，冷卻水側(cè)對流換熱系數(shù)hw為hw=0.023Re.8Pr.4(4)式中λ為冷卻水的導熱系數(shù)，W/(m·℃);di為換熱管內(nèi)徑，m;Ref為冷卻水的雷諾數(shù)；Prf為冷卻水的普朗特數(shù)。制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)hk為hk=0.728φεv0.25(5)式中φ為增強系數(shù)，為1.384;εv為管束修正系數(shù)，為0.81;g為自由落體加速度，m/s2;r為汽化潛熱，kJ/kg;ρl為制冷劑的密度，kg/m3;λl為制冷劑的導熱系數(shù)，W/(m·℃);μl為制冷劑的動力黏度，N·s/m2;nm為豎直方向上平均管排數(shù)；do為換熱管外徑，m;tw為壁面溫度，℃。冷凝器的污垢熱阻Rf可由下式求得：Rf=-++式中δ為換熱管管壁厚度，m;λp為換熱管的導熱系數(shù)，W/(m·℃);A為換熱管的平均面積，m2;Ao為換熱管的總外表面積，m2。

2實驗結(jié)果

2.1污垢熱阻

      將測得的冷卻水流量，進、出水溫度等數(shù)據(jù)代入式(1)~(6),可得到使用膠球在線清洗裝置前后冷凝器污垢熱阻的變化情況，如圖2所示。

圖2使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置前后冷凝器污垢熱阻的變化

      由圖2可以看出：未使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置時的污垢熱阻明顯大于使用后，并呈上升狀態(tài)，而使用膠球在線清洗裝置后污垢熱阻則沒有明顯變化；2種工況下開始測試時的污垢熱阻幾乎相同，表明2次清洗后換熱管表面的清潔程度基本相同，未使用膠球在線清洗裝置時，隨著機組運行時間的增加，換熱管表面的污垢不斷積累，污垢熱阻不斷增大；當使用膠球在線清洗裝置后，由于膠球?qū)�換熱管表面的清洗作用，阻止了污垢熱阻的增大，污垢熱阻基本保持在1.04×10-4m2·℃/W左右。

      根據(jù)測試結(jié)果，冷凝器膠球自動在線清洗裝置未使用時的平均污垢熱阻為4.07×10-4m2·℃/W,比GB50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》規(guī)定的限值3.44×10-4m2·℃/W高18.31%;使用膠球在線清洗裝置后，平均污垢熱阻基本保持在1.04×10-4m2·℃/W,比國家規(guī)定的限值低69.77%。由此可見，冷凝器膠球自動在線清洗裝置對于阻止冷凝器換熱管內(nèi)表面污垢的沉積、改善換熱性能和提高冷水機組COP等具有重要的作用。

2.2冷水機組制冷性能系數(shù)

      在冷水機組的運行過程中，理論上應滿足如下能量平衡關系：Qc=Q0+W0(7)COP=(8)式(7),(8)中Q0為制冷量，W;W0為壓縮機功率，W。蒸發(fā)器的制冷量Q0為Q0=m0cp(t0,i-t0,o)(9)式中m0為冷水的質(zhì)量流量，kg/s;t0,i為冷水進水溫度，℃;t0,o為冷水出水溫度，℃。

      在實際運行過程中，由于壓縮機殼體表面會有散熱，因而冷凝器放出的熱量并不等同于制冷量與壓縮機功率之和。同時，測量過程中還會因測量儀器等引起一定的測量誤差，但漏熱和儀器引起的相對誤差不應超過±10%。

      本實驗測試是在一家電子工廠的空調(diào)用冷水機組上進行的，冷水機組24h連續(xù)運行，冷負荷需求穩(wěn)定。在測試過程中，冷水泵為工頻運行，流量保持不變，冷水供回水溫度保持為7℃/12℃不變，比定壓熱容也認為是定值，因此，蒸發(fā)器的冷負荷也保持不變。

      減小冷凝器污垢熱阻，可改善冷凝器換熱性能、降低冷凝溫度、減小壓縮機功耗和提高冷水機組的COP。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，膠球在線清洗裝置使用前后COP的變化情況如圖3所示。

圖3機組COP的變化

      從圖3可以看出：冷凝器膠球自動在線清洗裝置使用前冷水機組的COP呈逐漸下降趨勢，平均值為3.98;使用后冷水機組的COP基本保持不變，平均值為4.43,提高了11.31%。

      在蒸發(fā)溫度不變的情況下，冷凝溫度每升高1℃,機組COP平均提高3.34%,輸入功率平均下降3.33%[7]。實驗過程中膠球在線清洗裝置使用前后的平均冷凝溫度分別為37.90℃和35.26℃,使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置時的冷凝溫度要比未使用時降低2.64℃,據(jù)此推算，制冷機組的輸入功率平均可降低8.79%。

      實驗過程中，冷水機組的輸入功率為199.5kW,24h連續(xù)運行，使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置后輸入功率降低率平均按8.79%計算，則每天可節(jié)省電量564.97kW·h,節(jié)電效果顯著。

      未使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置時，由于COP呈逐漸下降的趨勢，為保證制冷量不變，壓縮機的輸入功率會有所增大；使用膠球在線清洗裝置時，機組COP和制冷量基本不變，所以壓縮機的輸入功率也基本保持不變。

2.3經(jīng)濟性分析

      使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置，會增加發(fā)球泵的能耗和膠球損耗費用，但由于冷水機組能效的提高，整個冷水機組的運行能耗和費用將逐漸下降。根據(jù)測試結(jié)果，當機組COP達到4.37后，機組運行能耗將不再下降，此時關閉冷凝器膠球自動在線清洗裝置，減少發(fā)球泵能耗和膠球損耗，整體運行費用將有所下降。

      通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著清洗間隔時間的增加，單位時間內(nèi)的平均運行費用呈下降趨勢，當清洗間隔時間為28h時，單位時間內(nèi)平均運行費用達到小值，為194.40元/h;隨著清洗間隔時間的繼續(xù)增加，運行費用逐漸上升。

      該冷凝器膠球自動在線清洗裝置技術(shù)的經(jīng)濟性可通過動態(tài)投資回收期來進行評價，動態(tài)投資回收期的計算公式為P=Pt-1+(10)式中P為動態(tài)投資回收期，a;Pt為累計折現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)，a;a為上年累計折現(xiàn)值，元；b為當年凈現(xiàn)金流量的折現(xiàn)值，元。膠球在線清洗裝置的使用壽命按10a計，初投資為10萬元。若以佳運行周期模式運行，使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置前后的能耗成本如表2所示。

表2能耗成本

平均運行費用／（元/h) 年運行

時間/h 平均負荷率/% 年總能耗成本／元

使用前 212.56 2880 80 489738.24

使用后 194.40 2880 80 447897.60

      使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置后，年節(jié)省能源成本41840.64元。根據(jù)式(10)可計算動態(tài)投資回收期為2.6a,即全部投資可在3a內(nèi)收回，在以后的7a內(nèi)，完全處于盈利狀態(tài)，每年可獲得3萬元的折現(xiàn)值，在冷凝器膠球自動在線清洗裝置的全壽命周期內(nèi)可獲得21萬元收益。且在提高經(jīng)濟效益的同時，還可減少二氧化碳、氮氧化物等的排放，具有一定的環(huán)境效益。

3結(jié)論

      1)冷凝器膠球自動在線清洗裝置能夠有效清除冷凝器換熱管內(nèi)的污垢，改善換熱效果，降低制冷電耗。實測結(jié)果表明：機組使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置后污垢熱阻平均降低74.38%,機組COP平均提高11.31%。測試期間，污垢熱阻基本穩(wěn)定在1.04×10-4m2·℃/W左右，機組平均COP穩(wěn)定在4.43左右。當未使用膠球在線清洗裝置時，污垢熱阻會隨實驗時間的增加而增加，在實驗期間增長了37.99%,機組COP下降了4.16%。

      2)基于實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)濟性分析，確立了佳清洗間隔時間為28h,清洗時長為8h,即佳運行周期為36h,該運行模式下單位周期內(nèi)的平均運行費用低，為194.40元/h,比連續(xù)運行時的費用低3.76%。

      3)在優(yōu)化運行周期的基礎上，使用冷凝器膠球自動在線清洗裝置每年可節(jié)省41840.64元，動態(tài)投資回收期為2.6a。動態(tài)投資回收期短，表明冷凝器膠球自動在線清洗裝置的經(jīng)濟性較好。