蘇 培 劉 波 黃麗萍

(1．西安航天建設(shè)監(jiān)理公司，陜西 西安 710025; 2．航天四院401所，陜西 西安 710025)

1 概述

冷凝器是制冷系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備，在系統(tǒng)熱力循環(huán)中起冷源的作用，將壓縮機(jī)排出的過熱制冷介質(zhì)蒸汽冷卻成為液態(tài)，把系統(tǒng)中的熱量帶走。管殼式冷凝器中，若水管內(nèi)壁結(jié)垢，傳熱熱阻增大，長期運(yùn)轉(zhuǎn)，造成冷凝壓力升高，致使制冷系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。有資料顯示，冷凝器水側(cè)表面1．5 mm的水垢，會(huì)造成冷凝器溫度升高約2．8℃，使冷凝功耗增加9%～10%，結(jié)垢還會(huì)使管路腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命。

2 冷凝器污垢的產(chǎn)生

1)由于水中機(jī)械混合物的沉淀而使銅管變臟。懸浮顆粒是冷卻水帶入凝汽器中的沙石、木屑、小貝殼以及其他碎末;

2)由于鹽類沉積而變臟。水中溶有的無機(jī)鹽在一定的條件下沉積下來附著于管壁污臟受熱面。這種沉淀物主要是鈣鹽、鎂鹽所組成的水垢在管子上積聚的結(jié)果;

3)由于微生物沉積生長而變臟。微生物在凝汽器中水溫穩(wěn)定的條件下會(huì)迅速繁殖，并形成粘膜，水中其他混合物就很容易粘附在這種粘膜上，凝汽器的冷卻面就在這種過程中迅速變臟。

污垢的導(dǎo)熱系數(shù)約為金屬的10%，當(dāng)冷凝器長時(shí)間工作導(dǎo)致結(jié)垢越來越嚴(yán)重時(shí)，污垢不僅堵塞管道，使機(jī)組流量減小，而且可使換熱系數(shù)降低，冷凝器的傳熱性能惡化，導(dǎo)致機(jī)組耗能增大，可能使機(jī)組過熱出現(xiàn)故障，由此可見，污垢對(duì)冷凝器的工作性能影響極大。

3 污垢厚度的計(jì)算模型

3．1 冷凝器水內(nèi)結(jié)垢的計(jì)算分析

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，冷凝器的總傳熱量可由式(1)計(jì)算:

其中，F(xiàn)為傳熱面積，m2;K為冷凝器的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。由公式計(jì)算:

其中，Ri為冷凝器管內(nèi)水側(cè)的熱阻;Rw為管壁的熱阻;Ro為管壁外蒸汽側(cè)的熱阻;Rf為污垢熱阻;Δt為對(duì)數(shù)平均溫度，℃。

其中，tin，tout分別為冷凝器管內(nèi)入口水溫、出口水溫，℃;tsat為管內(nèi)水壓力下的飽和溫度，℃。

由式(1)可看出冷凝器的熱負(fù)荷，當(dāng)傳熱系數(shù)K越大，傳熱效果越好，換熱面積F越大，傳熱量越大，在制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，冷凝器水管壁上會(huì)增加一層厚度為δ2的結(jié)垢，隨著系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的加長，冷凝器內(nèi)的結(jié)垢厚度δ2不斷增厚，以下公式給出無結(jié)垢與結(jié)垢時(shí)的計(jì)算方法。

無結(jié)垢時(shí)的傳熱系數(shù)為:

結(jié)垢時(shí)的傳熱系數(shù)為:

其中，α內(nèi)，α外分別為冷凝器水管內(nèi)、外放熱系數(shù)，kcal/(m·h·℃);δ1，δ2分別為管壁、水垢層的厚度，m; λ1，λ2分別為管壁、水垢層的導(dǎo)熱系數(shù)，λ1=40 kcal/(m·h·℃)，λ2=0．3 kcal/(m·h·℃)。

冷凝器水管結(jié)垢后，從式(3)可以看出傳熱系數(shù)K的分母中多一項(xiàng)δ2/λ2，冷凝器總換熱量會(huì)隨著K值的迅速減小而不斷降低，冷凝器換熱效率也會(huì)較大降低。

3．2 冷凝器的熱負(fù)荷Qk計(jì)算

冷凝器中制冷劑放出的熱量等于制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)因蒸發(fā)而吸收的熱量與壓縮機(jī)所消耗的指示功的熱當(dāng)量之和。即Qk=Qv+Ql。

3．2．1 蒸發(fā)器吸收熱量

其中，K為蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/(m2·h·K);Δtm為蒸發(fā)器傳熱的對(duì)數(shù)平均溫差，Δtm=(t1－t2)/ln［(t1－t0)/(t2－t0)］，t1為試驗(yàn)箱當(dāng)前溫度，t2為試驗(yàn)箱初溫，t0為蒸發(fā)器溫度。

3．2．2 壓縮機(jī)工作發(fā)熱當(dāng)量Q1

壓縮機(jī)有用功W=P·t·η(kW)，得壓縮機(jī)工作發(fā)熱當(dāng)量:

其中，P為功率，kW;t為工作時(shí)間，s;η為工作效率。

3．3 污垢厚度與冷凝器傳熱系數(shù)關(guān)系

根據(jù)式(4)，式(5)及工作時(shí)間、溫度采集值等已知條件，就可計(jì)算出Q值。由式(1)求得K結(jié)垢，由式(2)，式(3)得，即:

隨著污垢程度的惡化，將出現(xiàn)冷凝溫度、冷凝壓力升高，壓縮機(jī)負(fù)荷增大。水管內(nèi)結(jié)垢厚度與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系見表1，在冷卻水的水量、水溫一定的情況下，冷凝溫度、冷凝壓力的升高直接與冷凝器水管內(nèi)結(jié)垢有關(guān)。

表1 結(jié)垢厚度與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

3．4 冷凝器水管內(nèi)的水垢清除臨界厚度確定

由式(1)～式(6)可看出污垢厚度與冷凝傳熱系數(shù)具有近似線性關(guān)系。研究表明冷凝溫度在25℃ ～40℃之間，每升高10℃，增加耗電量3．2%左右。水管內(nèi)壁結(jié)垢大大影響了水管內(nèi)外的傳熱效果，冷凝器水管內(nèi)的水垢必須及時(shí)清除。若冷凝溫度差長期超高6℃，污垢厚度大于3 mm，已嚴(yán)重影響安全運(yùn)行，必須進(jìn)行停機(jī)，清洗污垢。

4 冷凝器水管內(nèi)結(jié)垢厚度與能耗計(jì)算

能耗計(jì)算:以長期運(yùn)行的某高低溫試驗(yàn)箱為例，該系統(tǒng)為雙機(jī)系統(tǒng)，單組的技術(shù)指標(biāo)，壓縮機(jī)——德國谷輪半封閉壓縮機(jī):功率:22匹;額定電壓:380 V;額定電流:35 A;額定轉(zhuǎn)速:1 440 r/min，2組制冷壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，見表2。

表2 冷凝器水管內(nèi)結(jié)垢厚度與能耗計(jì)算

5 冷凝器污垢清洗

當(dāng)冷凝器結(jié)垢到一定程度，影響整個(gè)機(jī)組的正常工作，必須停機(jī)清洗，恢復(fù)傳熱性能。在保證清洗效果良好，成本低，不損傷冷凝器的前提下，針對(duì)不同的結(jié)垢原因和結(jié)垢機(jī)理，采用相應(yīng)的清洗方法。冷凝器的通用清洗方法基本分為:機(jī)械式清洗、化學(xué)清洗等。

1)人工清洗。

人工使用鋼絲刷等工具進(jìn)行清洗，但清洗一次，耗時(shí)費(fèi)工，清洗不徹底，只能清洗較松軟的污垢，最為關(guān)鍵的是，人工用力不均，易損傷冷凝器，對(duì)設(shè)備造成安全隱患。

2)高壓水射流清洗。

此法適用于清洗金屬銹泥、污垢及堵塞物，但對(duì)于結(jié)垢嚴(yán)重的冷凝器管道還是不能達(dá)到理想的效果，且此法容易傷到冷凝器管道，發(fā)生變形。

3)化學(xué)清洗。

化學(xué)清洗采用化學(xué)清洗劑，使冷凝器傳熱管表面的污垢和其他雜質(zhì)溶解，脫落，剝離，此法清洗時(shí)間短，除垢徹底，是目前應(yīng)用較為廣泛的清洗方法。

4)電子除垢。

電子除垢是利用電子儀器產(chǎn)生高頻電子信號(hào)，使水分子的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在受熱管壁上無法結(jié)垢，從而起到防垢的目的，經(jīng)過處理的水可以抑制鐵銹生存，切斷微生物的氧氣來源，達(dá)到防腐阻蝕的作用。

6 結(jié)語

冷凝器水管內(nèi)結(jié)垢狀態(tài)直接影響制冷系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)制冷系統(tǒng)結(jié)垢故障的診斷具有重要技術(shù)價(jià)值，選擇合適的冷凝器除污清洗的方法，平時(shí)工作中解決冷凝器管道結(jié)垢問題可以從以下幾個(gè)方面出發(fā):1)依據(jù)計(jì)算水垢清除臨界厚度，工作中多觀察冷凝器的運(yùn)行情況，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)解決;2)定期對(duì)冷凝器進(jìn)行清洗，采用較為普遍的化學(xué)清洗，也可以采用化學(xué)清洗與電子防垢相結(jié)合的方法;3)對(duì)循環(huán)冷卻水嚴(yán)格把關(guān)，增加過濾網(wǎng)，定期更換，定期清理冷卻塔里的雜物，使冷凝器的結(jié)垢降到最低限度。

［1］樊紹勝．冷凝器污垢清洗的智能測(cè)量與控制方法研究［D］．長沙:湖南大學(xué)博士學(xué)位論文，2006:1-4．

［2］廖旭東，張雅蘭．冷凝器水管內(nèi)的水垢必須及時(shí)清除［J］．制冷與空調(diào)，2001，1(3):63-65．

［3］閻昌琪，孫中寧．冷凝器強(qiáng)化傳熱特性分析［J］．核科學(xué)與工程，2001，21(4):23．

［4］東莞泰利測(cè)試設(shè)備有限公司．可程式恒溫恒濕室(MHW-4LjUa-0-MDw)說明書［Z］．2004:23．

［5］邵 莉，許之初．循環(huán)冷卻水水質(zhì)對(duì)冷凝器性能影響的研究［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2001，16(4):518-519．

［6］沈?qū)W明．冷庫制冷系統(tǒng)冷凝器結(jié)垢成因及清洗方法［J］．清洗世界，2009，25(2):29-33．