冷水機(jī)組冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置性能的影響

      為了研究冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置的清洗效果，對同一臺(tái)冷水機(jī)組安裝冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置前后的污垢熱阻和制冷性能系數(shù)進(jìn)行了運(yùn)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(dòng)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(shí)間平均運(yùn)行費(fèi)用低為目標(biāo)函數(shù)，建立了佳清洗周期計(jì)算模型，通過優(yōu)化分析，確定了佳清洗周期，佳清洗時(shí)間間隔為28h,佳清洗持續(xù)時(shí)間為8h。在佳運(yùn)行模式下，單位時(shí)間運(yùn)行費(fèi)用與連續(xù)清洗運(yùn)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(jī)組的重要組成部分，是制冷劑與冷卻水進(jìn)行換熱的裝置，在換熱過程中，污垢的存在會(huì)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(shí)驗(yàn)觀察;2000年手冊指出當(dāng)冷水機(jī)組冷凝器有0.3mm厚的薄膜型水垢時(shí)，冷水機(jī)組會(huì)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(dòng)阻力及冷卻塔系統(tǒng)耗水量的影響進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)行除垢，具有安裝簡單、操作便捷、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢。通過對比同一臺(tái)冷水機(jī)組安裝冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置前后的污垢熱阻和COP,確定冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置的清洗效果，并從經(jīng)濟(jì)性角度提出了冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置的佳運(yùn)行模式。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

      冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置由發(fā)球裝置、收球裝置、控制器及相關(guān)附件組成。發(fā)球裝置將膠球從冷卻水進(jìn)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(jī)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(shí)間和清洗循環(huán)周期。

      為確定冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置的清洗效果，分別對同一臺(tái)冷水機(jī)組安裝膠球在線清洗裝置前后的污垢進(jìn)行檢測，用熱阻法進(jìn)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(jī)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(jì)，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(jì)，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(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      實(shí)驗(yàn)選取的測試機(jī)組為1臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組，機(jī)組參數(shù)見表1。

      為了獲得對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，先對冷凝器換熱管進(jìn)行機(jī)械通刷和化學(xué)清洗，使換熱管表面達(dá)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(jī)組連續(xù)運(yùn)行并對各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測試。然后停機(jī)，對冷凝器換熱管進(jìn)行機(jī)械通刷和化學(xué)清洗，當(dāng)換熱管表面達(dá)到清潔狀態(tài)后將冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置和冷水機(jī)組投入運(yùn)行，并對各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測試。

      由于污垢熱阻的形成需要一定的時(shí)間，為了突出污垢熱阻對換熱和能耗的影響，將2次對比實(shí)驗(yàn)的時(shí)間延長到430h;測試期間冷卻水泵和冷水泵均為工頻運(yùn)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(shè)定為7℃/12℃,并保持不變，因此，蒸發(fā)器的冷負(fù)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(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(dǎo)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?cái)?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(qiáng)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);μl為制冷劑的動(dòng)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1污垢熱阻

      將測得的冷卻水流量，進(jìn)、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(dòng)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(dòng)在線清洗裝置時(shí)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(shí)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(shí)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(dāng)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(dòng)在線清洗裝置未使用時(shí)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(shè)計(jì)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(dòng)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(jī)組COP等具有重要的作用。

2.2冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)

      在冷水機(jī)組的運(yùn)行過程中，理論上應(yīng)滿足如下能量平衡關(guān)系：Qc=Q0+W0(7)COP=(8)式(7),(8)中Q0為制冷量，W;W0為壓縮機(jī)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(jìn)水溫度，℃;t0,o為冷水出水溫度，℃。

      在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于壓縮機(jī)殼體表面會(huì)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(jī)功率之和。同時(shí)，測量過程中還會(huì)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(yīng)超過±10%。

      本實(shí)驗(yàn)測試是在一家電子工廠的空調(diào)用冷水機(jī)組上進(jìn)行的，冷水機(jī)組24h連續(xù)運(yùn)行，冷負(fù)荷需求穩(wěn)定。在測試過程中，冷水泵為工頻運(yùn)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(rèn)為是定值，因此，蒸發(fā)器的冷負(fù)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(jī)功耗和提高冷水機(jī)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(jī)組COP的變化

      從圖3可以看出：冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置使用前冷水機(jī)組的COP呈逐漸下降趨勢，平均值為3.98;使用后冷水機(jī)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(jī)組COP平均提高3.34%,輸入功率平均下降3.33%[7]。實(shí)驗(yàn)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(dòng)在線清洗裝置時(shí)的冷凝溫度要比未使用時(shí)降低2.64℃,據(jù)此推算，制冷機(jī)組的輸入功率平均可降低8.79%。

      實(shí)驗(yàn)過程中，冷水機(jī)組的輸入功率為199.5kW,24h連續(xù)運(yùn)行，使用冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置后輸入功率降低率平均按8.79%計(jì)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(dòng)在線清洗裝置時(shí)，由于COP呈逐漸下降的趨勢，為保證制冷量不變，壓縮機(jī)的輸入功率會(huì)有所增大；使用膠球在線清洗裝置時(shí)，機(jī)組COP和制冷量基本不變，所以壓縮機(jī)的輸入功率也基本保持不變。

2.3經(jīng)濟(jì)性分析

      使用冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置，會(huì)增加發(fā)球泵的能耗和膠球損耗費(fèi)用，但由于冷水機(jī)組能效的提高，整個(gè)冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗和費(fèi)用將逐漸下降。根據(jù)測試結(jié)果，當(dāng)機(jī)組COP達(dá)到4.37后，機(jī)組運(yùn)行能耗將不再下降，此時(shí)關(guān)閉冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置，減少發(fā)球泵能耗和膠球損耗，整體運(yùn)行費(fèi)用將有所下降。

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

      該冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性可通過動(dòng)態(tài)投資回收期來進(jìn)行評價(jià)，動(dòng)態(tài)投資回收期的計(jì)算公式為P=Pt-1+(10)式中P為動(dòng)態(tài)投資回收期，a;Pt為累計(jì)折現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)，a;a為上年累計(jì)折現(xiàn)值，元；b為當(dāng)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(jì)，初投資為10萬元。若以佳運(yùn)行周期模式運(yùn)行，使用冷凝器膠球自動(dòng)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(yùn)行費(fèi)用／（元/h) 年運(yùn)行

時(shí)間/h 平均負(fù)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(dòng)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(jì)算動(dòng)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(dòng)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(jì)效益的同時(shí)，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(dòng)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(shí)測結(jié)果表明：機(jī)組使用冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置后污垢熱阻平均降低74.38%,機(jī)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(jī)組平均COP穩(wěn)定在4.43左右。當(dāng)未使用膠球在線清洗裝置時(shí)，污垢熱阻會(huì)隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加而增加，在實(shí)驗(yàn)期間增長了37.99%,機(jī)組COP下降了4.16%。

      2)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)性分析，確立了佳清洗間隔時(shí)間為28h,清洗時(shí)長為8h,即佳運(yùn)行周期為36h,該運(yùn)行模式下單位周期內(nèi)的平均運(yùn)行費(fèi)用低，為194.40元/h,比連續(xù)運(yùn)行時(shí)的費(fèi)用低3.76%。

      3)在優(yōu)化運(yùn)行周期的基礎(chǔ)上，使用冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置每年可節(jié)省41840.64元，動(dòng)態(tài)投資回收期為2.6a。動(dòng)態(tài)投資回收期短，表明冷凝器膠球自動(dòng)在線清洗裝置的經(jīng)濟(jì)性較好。