中央空调冷凝器自动清洗装置节能运行分析

中央空调冷凝器自动清洗装置节能运行分析

【摘要】污垢对中央空调机组的性能有重要影响。本文以广州某黄埔中药有限公司空调系统进行节能改造作为课题研究背景，对空调的系统安装冷凝器自动清洗装置，从理论上和实践上对节能改造工程进行验证。分析了污垢热阻对空调系统冷水机组的性能影响，获得了冷凝器端差温度对污垢热阻和冷水机组性能影响的关系，并结合实际对节能改造进行经济性分析。结果表明，端差温度每升高1℃，机组性能下降为2.84%～2.94%;随着污垢热阻的增大，冷凝器端差也随之增大;单独使用冷凝器自动在线清洗装置时的投资回收期为1.5年，即在两年之内可以回收全部投资。

【关键词】中央空调冷凝器清洗

0、前言

污垢是一种极为普遍的现象，它广泛存在于各种传热过程中，是许多换热设备经常遇到的问题。根据Steinhagen对新西兰1100家企业的3000台各种类型换热器的调查表明，90%以上的换热都存在不同程度的污垢问题。纵观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的，据美、英、新西兰的调查，换热设备污垢给工业发达国家所造成的损失平均占国民生产总值的0.3%，据Garrett-Price1985年的估计，美国在换热起的污垢方面蒙受的经济损失每年达80亿～100亿美元。对我国这样的发展中国家，由于许多换热设备相对比较落后，污垢造成的实际损失还可能更高些。污垢所带来的危害如此强烈，所以备受科学界和工程技术人员的广泛关注，是涉及国民经济众多产业和部门的一个急需解决的问题。

对中央空调制冷机组而言，冷凝温度越低，制冷机的制冷系数就越高。要降低冷凝温度，一要降低冷却水回水温度，二要保持管道清洁。由于冷却水系统为开式系统，冷却塔、冷凝器使用一段时间后，应及时检修清洗，以保持冷凝器良好的换热效果。

由于冷却循环水是一个敞开式的循环水系统，冷却循环水系统长期处于高温、高湿的环境中，为菌藻类繁殖提供了可生长的环境，菌藻的滋生会导致水质的恶化影响冷却塔的正常工作，并形成生物粘泥，在热换器表面沉积，最终形成生物垢，影响换热效率。

冷凝器自动在线清洗装置通过对污垢热阻的监测，可以实现对冷凝器换热性能的评估，污垢的实时监测，并且可以根据需要设定清洗周期，避免了停机人工清洗，从而保证冷水机组的高效和连续运行以及满足生产工艺要求。

因此我们结合广州市白云山和记黄埔中药有限公司中央空调改造工程实例，对冷凝器的污垢热阻进行理论分析和预测，分析冷凝器端差温度对冷凝器换热及冷水机组运行性能的影响，并对冷凝器自动在线清洗装置的节能潜力进行进行定量计算和分析。该公司空调系统的特点是粉尘大、粉尘中90%为糖，导致循环冷却水系统中含有粉尘，在冷凝器的冷却水侧形成污垢热阻，导致冷凝器的换热温差大，冷凝温度偏高，目前冷凝器的端差为2.5～5℃，达到5℃后再进行停机人工清洗。

1、污垢热阻与冷凝器端差的关系

污垢在换热管道中的积聚能减少流通面积，增大流动压降，最终恶化流动换热。但是，因为污垢对流通面积的影响难以直接测量，而对压降的影响的可测量的准确性也不高，所以选用通过测量温度、流量等宏观参量来计算污垢热阻值的传热学法为在线测量方法。

水冷式冷水机组实际运行时可直接观察到的使制冷剂冷凝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:Qc=cp⋅G⋅∆twtd(1)式中：cp：为冷却水的比热，℃G：为冷却水的流量，kg/s∆twtd：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，压缩机的排气到冷却到饱和温度段，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，冷凝器的对数平均温差与冷凝器端差的关系可近似为：∆Tmc=∆tltd+∆twtd12(2)式中：∆Tmc：为冷凝器的对数平均温差，℃∆tltd：为冷凝器的端差，℃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。由传热学法测量污垢热阻Rf，即fiicfzoiiwRAAlAAAK=++0+,ln211ααπλ(3)Ki=Qk/(Ai⋅∆tm)(4)于是，Rf=⎜⎜⎝⎛1/Ki-1/αw-1/ταc,fz-2πλAillnAA0i其中，τ是比表面积，τ=A0Ai在忽略管壁导热热阻的情况下，原理的实质就是通过计算冷凝器换热管两侧的换热系数和总的传热系数，从中分离出污垢热阻。由于试验中的冷凝器的换热管的外管是有螺纹的肋管，因此在计算制冷剂在换热管的冷凝放热系数的时候要考虑管束的布置(三角形错排时管束修正系数εz)以及肋管效率(肋管修正系数εf)带来的影响。本试验中管外侧流动的是制冷剂R22。R22的冷凝换热系数αc,fz为：αc,fz=αc×εf×εz(6)αc=0.65×()β×Ai/Qk×d01/3(7)µλρβgr32=(8)εz=()0.6×n0.5-0.167(9)其中=1.3εf在换热管内侧流动的冷却水处于旺盛的紊流状态，其对流换热系数与该侧流体的状态参数、物性参数和换热管的结构参数有关，通过测量流体流速、进出口温度就可以由经验公式计算出相应条件下的换热系数。

冷却水在管内的强制对流换热系数αw[3]为：α=β(10)-β=1430+22t(11)2Tcw,inTcw,outt+=-(12)冷凝器总的传热系数Ki可以由其总的换热量、换热面积和对数平均温差计算得出。在这里，对数平均温差∆tm的计算中所考虑的管外温度是常数值，由对应的冷凝压力换算得出。依据污垢热阻的计算模型，对本工程所使用的冷凝器污垢热阻进行分析。其中，冷凝器工作压力为2.1M，机组使用R22工质，冷凝器管长3m，外径19mm，内径8-10mm，数量226根，冷凝器在清洁状态下的传热热阻为4000m·K/kW。将已知数据代入上述公式，最后得到污垢热阻与冷凝器温差的关系如式(13)：Rf=0.06866(∆t-0.80657)(13)其中Rf为冷凝器污垢热阻，∆t为冷凝器端差温度。

2、冷凝器端差对机组性能的影响

清华同方人工环境有限公司的SL*****型水冷螺杆式冷水机组在冷冻水温度不变时，机组性能随冷却水进水温度的变化，由此可知：冷却水进水温度每升高1℃，机组性能下降为2.84%～2.97%。对冷凝器而言，传热方程为：Qc=KcA·∆Tmc(14)式中：Qc：为冷凝器的放热量，W∆Tmc：为冷凝器的对数平均温差，℃A：冷凝器的换热面积，m2对水冷式冷凝器:Qc=cp⋅G⋅∆twtd(15)式中：cp：为冷却水的比热，℃G：为冷却水的流量，kg/s∆twtdc：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，压缩机的排气到冷却到饱和温度段，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，冷凝器的对数平均温差可近似为：∆Tmc=∆tltd+∆twtd12(16)式中：∆tltdc：为冷凝器的端差，℃∆twtdc：为冷却水的进出口温差，℃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，即冷凝器端差每增加1℃，机组性能下降为2.84%～2.94%。在机组部分负荷运行时，冷凝器的放热量可近似认为和负荷率成正比，冷却水的进出口温差即近似认为和负荷率成正比，若冷凝器的换热性能不变，由式(14)、(15)和式(16)可得：0cltdltd∆t=∆t(17)0cQQ式中：∆tltd0：为满负荷时冷凝器的端差，℃c0cQQ：为负荷率即冷凝器的换热性能不变时，冷凝器的端差与其负荷率与满负荷时的端差的乘积。若在机组部分负荷运行时，冷凝器的端差比上述得出的数值大，说明冷凝器冷却水侧的换热表面产生污垢，影响冷凝器的换热性能，使冷凝温度升高，冷凝器的对数平均温差及冷凝器的端差增大。则冷凝器的端差与冷凝器的对数平均温差可近似为：0012ccmcltdwtdQQ∆T=∆t+∆t(18)由式可知，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，即冷凝器端差每增加1℃，机组性能下降为2.84%～2.97%。以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、冷凝器自动在线清洗装置

目前已经有胶球清洗、化学清洗、电磁处理、水处理药剂等技术，然而防止污垢仍然是热学和节能技术中尚未得到根本解决的世界性难题之一。冷凝器自动在线清洗装置HCTCS可以在不停机的情况下，用特殊的清洗球定期清洗换热管内壁，清洗频率根据水质、环境、运行工况可预先设定，使得换热管内壁保持干净，极大程度地减小污垢热阻，使得冷凝器内制冷剂冷凝压力降低，冷水机组的效率提高，起到节能的作用。其原理:安装于冷凝器进水口的发球机通过水的流动输送海绵胶球进入冷凝器，反冲洗海绵胶球吸附的污垢;使用视镜可直接观测运行状态;在线更换海绵胶球。

不同的清洗球适用于不同冷凝器换热管的需要，采用海绵，橡胶等成分，按冷却水密度特殊设计，使其进入管中如流体般滑动以清洗换热管内表面的污垢和微生物细菌粘膜。HCTCS主机PLC中预设污垢热阻计算程序，通过人机界面输入冷却水温度、流量和冷媒温度可知道该状态下冷凝器的污垢热阻，污垢热阻趋势图反映冷凝器运行中污垢热阻的变化趋势，根据污垢热阻的变化趋势可以充分了解冷凝器的运行状态并确定HCTCS在线清洗装置的清洗频率。

4、冷凝器自动清洗装置的节能评估

本系统采用2台螺杆式冷水机组，一般情况下，只开一台机组，而另一台机组作为备用或者扩产用。螺杆式压缩机调节具有螺杆压缩机的特点是COP较高，而且对制冷剂中含有大量的润滑油不敏感，有良好的输气量调节特性。其EER百分比与负荷率关系随着负荷率的降低，其EER是不断减小的，也就是说，随着负荷率的降低，主机耗电量并不是随着线型减小的[8]。拟和公式如下：EER=7.04545+1.58652η-0.00674η2(19)其中EER为螺杆机性能系数百分比，η为螺杆机负荷率。对本工程中使用的螺杆式压缩机，其制冷量为1111kW，而其额定耗功为214kW，则其在部分负荷下耗功。拟和公式如下：Peer=100.85908+0.95344η+0.00147η2(20)其中，Peer为在部分负荷下的耗电量。为选取每个月中的一天代表12个月中污垢热阻变化情况，可以看到污垢热阻在全年中的变化情况，在5月1日和10月1日分别进行停机清洗，清洗过后的污垢热阻明显变小，而在其他未清洗的时刻，污垢迅速增长并变得很大，这样是不利于机组的运行的。

采用冷凝器在线自动清洗装置后，其冷凝器端差温度变得更低，而冷凝器端差温度的减小也反映了污垢清洗的好坏程度，从而影响机组的冷凝温度，一般而言，冷凝器端差温度为2.5～5℃，而采用冷凝器自动在线清洗装置后，其冷凝器端差温度降低。为选取2006年12个月中每个月的一天的运行数据，可见，在实际运行中，冷凝器的端差温度在4.5℃左右。，而当采用冷凝器自动在线清洗装置时，其冷凝器端差温度的平均值约为1.5℃左右。按照冷凝器端差比传统冷凝器端差高3℃，冷凝器端差温度每升高1℃机组性能下降为3%计算，则其节电量可以按照如下公式进行计算：=×3×3%PηPtotal(21)其中，Ptotal为满负荷下机组的耗电量。如使用冷凝器自动在线清洗装置时，比传统的采用停机清洗节省能量。负荷率越大，节省的能量是越多的，而且在8月份时达到最大，可达17.98kW。

从全年来看，由于空调系统的负荷率在不断变化，而冷凝器端差温度也是随着污垢热阻的变化而变化的，因而全年的节电量与空调的开机次数，负荷率，以及冷凝器端差温度有关。冷凝器自动在线清洗装置对污垢的清洗程度直接决定了主机的节电量。由于工艺要求，冷水机组是全年运行的，全年开机天数约为330天，一天24小时运行，从已有的运行数据看，冷水机组大部分时间处于部分负荷运行状态，设在负荷率为90%、60%、20%时的运行时间百分比分别15%、50%、35%。

其中主机耗电量按照工程给出的结果为1480000kWh。则其节电量可以计算如下;P=∑P(η)n(22)其中，P(η)为在对应部分负荷下机组耗电量，n为在对应负荷下机组运行的小时数。计算结果如表2，结果表明，冷凝器自动在线清洗装置的节能百分比为7%。每台机组进行冷凝器自动在线清洗和变水温调节的初投资为10万元，投资回收期可按照下式进行计算：N=(fin-fop)/fin(23)其中，fin为初投资，fop为年运行费用，N为投资回收期。则实际投资回收期与理论计算投资回收期，也就是说，在1年半内可以回收所有初投资。

5、结论

通过结合节能工程改造实例进行理论和实践分析，可以得到以下结论：;随着污垢热阻的增大，冷凝器端差也随之增大，冷凝器端差温度每升高1℃，机组性能下降为2.84%～2.94%。单独使用冷凝器自动在线清洗装置时的投资回收期为1.5年，即在两年之内可以回收全部投资。