王申英，閆傳強

（1.山東省魯商冰輪建筑設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.聯(lián)化科技（德州）有限公司，山東 德州 253100）

1 前言

蒸發(fā)式冷凝器作為一種高效的換熱設(shè)備，因其一次性投資少、運行費用低、布置緊湊等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。大多數(shù)蒸發(fā)式冷凝器采用管程數(shù)較多的蛇形盤管設(shè)計，高溫高壓的過熱蒸汽通過盤管并在盤管內(nèi)進(jìn)行冷凝，變成飽和液體。這種較長的流程通常會產(chǎn)生壓降，會給整個制冷系統(tǒng)的正常運行帶來較大的影響。因此，對蒸發(fā)式冷凝器的管道設(shè)置及安裝，有著特殊的要求。

較大型號的蒸發(fā)式冷凝器，具有多組蛇形盤管。多臺較大型號的蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)使用時，為了獲得最大的排熱量，為了確保制冷系統(tǒng)在各種負(fù)荷和工作環(huán)境下都能夠正常穩(wěn)定地運行，在設(shè)計階段就必須對并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器的管路進(jìn)行合理的布置和選型計算。

2 并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器管道設(shè)置

2.1 進(jìn)氣管道設(shè)置

高溫高壓的過熱制冷劑蒸汽通過蒸發(fā)式冷凝器冷凝后，飽和液體是在重力的作用下自由流入貯液器。在工程實際中，蒸發(fā)式冷凝器一般布置于制冷機房對應(yīng)的屋面上（當(dāng)建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)形式時，也可布置在制冷機房附近單獨建造的蒸發(fā)冷平臺上）。在系統(tǒng)設(shè)計時，壓縮機的排氣管應(yīng)盡量對稱配置，使制冷劑蒸汽盡量均勻地進(jìn)入每臺蒸發(fā)式冷凝器。多臺蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)運行時，每臺蒸發(fā)式冷凝器的多組盤管是相對獨立的并聯(lián)運行的換熱單元，因此，每組盤管進(jìn)出口都應(yīng)設(shè)置檢修閥門，應(yīng)在每組盤管上設(shè)置一個安全閥、一個壓力表，在盤管進(jìn)氣最高處設(shè)置一個放空閥，此處放空閥為系統(tǒng)停機時放空使用；另外，還需在每組盤管的出液管水平管段上設(shè)置一個放空閥組，將系統(tǒng)的不凝性氣體接至自動空氣分離器，放空閥組為系統(tǒng)運行時使用。管道及閥門儀表的布置如圖1所示。

圖1 兩臺三組盤管的蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)管路布置

2.2 排液管道設(shè)置

多臺蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)使用，最重要的是蒸發(fā)式冷凝器到貯液器之間的排液管道配置，當(dāng)使用多臺蒸發(fā)式冷凝器或有多個平行換熱盤管時，為了保證相互之間的壓力平衡、保證制冷系統(tǒng)穩(wěn)定地運行以取得最佳的制冷效果，應(yīng)在每個出液管上都設(shè)置存液彎，并且存液彎上面的垂直段必需有足夠的高度。存液彎及其上面垂直段的主要作用是平衡各組蛇形換熱盤管之間的出口壓力，使各組盤管下液通暢，各臺蒸發(fā)式冷凝器均能高效、穩(wěn)定地運行。

進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的蛇形盤管后，制冷劑氣體開始液化，在盤管內(nèi)產(chǎn)生兩相流動，氣液兩相流具有單相流動所不存在的許多復(fù)雜因素，每組換熱盤管中的壓降是不相同的。主要有以下幾個方面的原因：（1）蛇形盤管管程數(shù)較多，長度較長，流體的壓力降本身比較復(fù)雜；（2）因為生產(chǎn)的差異性，就算是同一廠家的同種型號的蒸發(fā)式冷凝器之間甚至是同一臺蒸發(fā)式冷凝器的不同盤管之間，都有細(xì)微的區(qū)別；（3）因為管道系統(tǒng)的布置，每組盤管進(jìn)入的制冷劑氣體量，氣體流速會有細(xì)微差別。這3方面的壓力降，是在制冷系統(tǒng)滿載，所有蒸發(fā)式冷凝器全部運行時產(chǎn)生的壓力降，其數(shù)值比較小，這部分的壓力不平衡對整個制冷系統(tǒng)的影響不明顯。在冬季溫度低的環(huán)境條件下，蒸發(fā)式冷凝器的能力將有相當(dāng)增加，這種增加，有時允許關(guān)閉一臺或幾臺蒸發(fā)式冷凝器，余下的冷凝器就能滿足壓縮機的滿負(fù)荷運行。此外，結(jié)合實際，在部分生產(chǎn)負(fù)荷下，部分制冷設(shè)備會停止運行，也會出現(xiàn)一臺或幾臺蒸發(fā)式冷凝器停止運行的情況。這種情況下，工作與不工作的蒸發(fā)式冷凝器蛇形盤管中的壓力降差別明顯。

如圖2所示，有兩個蒸發(fā)式冷凝器，冷凝器A正在工作，冷凝器B停止工作。兩個蒸發(fā)式冷凝器有共同的進(jìn)氣口和出液口，因此通過的總壓降是相同的。圖2左側(cè)為不帶存液彎的排液管布置，蒸發(fā)式冷凝器B的盤管中沒有流體流過，所以沒有壓力降，排氣壓力到貯液器中平衡，而蒸發(fā)式冷凝器A在滿負(fù)荷下運行，有入口檢修閥和盤管兩部分壓力降。在這種情況下，制冷劑不可能有流動的條件：流體不可能從低壓處流往高壓處。因此，就形成了液柱壓頭，或者說液體被逼入工作中（壓力降最大或出口壓力最低）的蒸發(fā)式冷凝器，直接抵消了壓力差或損失。在圖2中，壓力差相當(dāng)于液柱高度h1，也就是說，運行中的蒸發(fā)式冷凝器要建立這樣高的液柱才能使制冷劑流動，這種液柱大大降低了冷凝器中有用的冷凝面積，使得系統(tǒng)感到制冷劑不足，排氣壓力降明顯升高。用手觸摸出液管道時，可能感覺有點涼，這是因為充滿液體的冷凝器起到了類似過冷器的作用。圖2右側(cè)為帶存液彎的排液管布置，水平液體總管的底部都設(shè)存液彎，而后再由水平總管將液體排入貯液器。在冷凝器A工作，冷凝器B停止工作的運行條件下，仍然需要建立液體壓頭來使液體流動。冷凝器A仍然有入口檢修閥和盤管兩部分壓力降，冷凝器B還是排氣壓力到貯液器中平衡，存液彎起到液封作用，使得壓力差h2只建立在垂直管段上而不在蒸發(fā)式冷凝器的蛇形盤管中。存液彎上面的垂直管段（圖1所示的h）須有足夠的高度以使液體壓頭等于冷凝器可能遇到的最大壓降。需注意，兩臺不同品牌相同排熱量的蒸發(fā)式冷凝器，或同一生產(chǎn)廠家不同型號的蒸發(fā)式冷凝器（在實際工程中，較少采取這種組合配置）之間的壓力降也可能會有相當(dāng)大的差別。垂直管段h根據(jù)制冷劑的物理特性可以估算出來，氨蒸發(fā)式冷凝器在運行時最大理論壓降通常約為3.4kPa，這是沒有運行和運行的蒸發(fā)式冷凝器之間的最大壓力差。對于氨制冷劑0.6m的液柱將彌補這一壓力差，但大多數(shù)國外產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的說明書建議，冷凝器出液管的垂直管段應(yīng)有1.2m的氨液柱高度（在我國這個高度通常建議在1.5～1.8m），氟利昂制冷劑的液柱高度為3.7m。這些尺寸是在“正?！痹O(shè)計條件下的合理范圍內(nèi)滿足運行的最小立管高度，當(dāng)出現(xiàn)極限工況時，即經(jīng)過檢測h的高度已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求時，可適當(dāng)增加h的數(shù)值，設(shè)計時應(yīng)充分考慮h所需的空間，并進(jìn)行預(yù)留。

圖2 蒸發(fā)式冷凝器排夜管布置

現(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)蒸發(fā)式冷凝器所提供的出口接口尺寸都是超大的。應(yīng)用時，出液管尺寸通常可小于出廠時配置的尺寸，但仍須符合一定準(zhǔn)則。建議在垂直管段上進(jìn)行變徑，設(shè)置檢修閥，如圖1所示的排液支管設(shè)計；縮小冷凝器出口管徑也可在水平管段上安裝偏心變徑管，保持管子底部平齊，這些設(shè)計都是為了避免機組是在液體回流到盤管底部排管的情況下工作，得到最佳排熱量和最低排氣壓力。

2.3 平衡管道設(shè)置

根據(jù)貯液器周圍的環(huán)境溫度，貯液器內(nèi)可能有液體閃發(fā)和潛在高壓，為了使液體能從冷凝器自由地流入貯液器，貯液器的壓力必須與上游某一段進(jìn)行平衡。平衡管就是從貯液器接到排向蒸發(fā)式冷凝器的排氣管中心位置上進(jìn)行平衡壓力的管道。任何情況下，都不能把平衡管接到多臺冷凝器的出液口上，否則，等于取消了存液彎，會把液體逼入出口壓力最低的冷凝器中。在實際工程中，經(jīng)常在壓縮機的排氣管道上設(shè)計熱回收器進(jìn)行熱量回收，以供冷庫地坪防凍，沖霜水加熱或是生產(chǎn)工藝、生活用水加熱等。此時，平衡管必須接至熱回收器后的排氣管路上。

2.4 放空管道設(shè)置

如前述所言，蒸發(fā)式冷凝器每組盤管進(jìn)氣最高處設(shè)置一個放空閥（系統(tǒng)停機時放空使用），每組盤管的出液管水平管段上設(shè)置一個放空閥組（系統(tǒng)運行時放空使用），正確設(shè)計并使用系統(tǒng)運行時的放空閥組，排除系統(tǒng)中的不凝性氣體，是蒸發(fā)式冷凝器和制冷系統(tǒng)獲得最低運行費用的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)運行時，不凝性氣體將經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器，高度集中在冷凝器出口處以及貯液器中。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時，不凝性氣體趨向于在系統(tǒng)的高處集結(jié)，通常是在靠近冷凝器進(jìn)氣口的排氣管上。應(yīng)當(dāng)在這些地方設(shè)15～20mm放空氣接口（見圖1）。每個放空氣接口必須單獨裝閥，而后可以連接到一根放氣管上。在運行中放空氣是最普遍的操作程序，并且一般認(rèn)為是最有效的。每次打開一個盤管出液口和貯液器上的放空氣閥，每個放一會兒。如果盤管出液口放空氣接口是交叉連接的，同一時間打開一個以上閥門，將會產(chǎn)生冷凝器出液口互相連接的結(jié)果。這將使存液彎失去作用，且可能使液體回流到冷凝器盤管中。在系統(tǒng)高點放空氣只有當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時才有效。

3 并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器管道簡化設(shè)計及其問題

隨著肉食品行業(yè)的發(fā)展，大體量的屠宰加工、物流冷鏈項目越來越多，一個項目用到多臺大型蒸發(fā)式冷凝器的情況已經(jīng)比較常見。有時會看到一些施工圖，將蒸發(fā)式冷凝器的管路閥門進(jìn)行簡化設(shè)置，如圖3所示。

圖3 大型蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)管道簡化設(shè)置

圖3中，沒有在每組盤管進(jìn)出口設(shè)置檢修閥門，只在每臺蒸發(fā)式冷凝器的進(jìn)出總管上設(shè)置檢修閥門，在進(jìn)氣總管上設(shè)置一個安全閥、一個壓力表、一個放空閥（系統(tǒng)停機時放空使用）；在每組盤管的出液管水平管段上，放空氣管經(jīng)檢修閥后接到一根放空氣總管上，在放空總管上設(shè)置一個放空閥組（系統(tǒng)運行時放空使用）。如前述所言，每組蛇形盤管出液口處的壓力是不一致的。如此設(shè)置，造成冷凝器出液口互相連接，使存液彎失去作用，可能使液體回流到冷凝器盤管中。放空效果不好，系統(tǒng)運行效率差。如此設(shè)計一般有兩個方面的因素：一方面是為了降低成本，簡化施工；另一方面，是受設(shè)備限制。簡化設(shè)置時，能減少很多閥門儀表，現(xiàn)場施工時，可降低焊接和探傷的工作量；而一般設(shè)備廠家生產(chǎn)的空氣分離器，是有最大模數(shù)（放空點數(shù)）限制的，如冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的KFZ型系列，最大型號為KFZ24，有24個放空點數(shù)。圖3中所示冷凝器為此公司生產(chǎn)的LNZ3200蒸發(fā)式冷凝器，每臺有7組蛇形盤管。一個大的項目能用到6～7臺，甚至是10臺這種冷凝器，加上系統(tǒng)貯液器，整個系統(tǒng)的放空點有70～80個。在這種情況下，往往進(jìn)行如圖3的簡化設(shè)置，犧牲部分制冷效果，僅在一臺蒸發(fā)式冷凝器的放空氣總管上設(shè)置一個放空閥組。

當(dāng)然，只在每臺蒸發(fā)式冷凝器的進(jìn)出總管上設(shè)置檢修閥門，而不是在每組盤管進(jìn)出口設(shè)置檢修閥門，這樣是不合理的。蒸發(fā)式冷凝器的多組盤管是相對獨立的并聯(lián)運行的換熱單元，隨著使用年限增加，換熱盤管逐步發(fā)生腐蝕直至泄漏，而屠宰加工車間，熟食加工車間處于生產(chǎn)旺季時；果蔬冷藏庫，新鮮肉食品凍結(jié)庫，貯冰庫存量較大時，全部設(shè)備滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，此時，可將出現(xiàn)問題的換熱盤管進(jìn)出口閥門關(guān)閉，而不用關(guān)閉整臺蒸發(fā)式冷凝器，以致影響生產(chǎn)進(jìn)度或是影響貨物的貯藏質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文通過分析蒸發(fā)式冷凝器的自身設(shè)計特點，總結(jié)實際生產(chǎn)運行中的經(jīng)驗，闡述了蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)運行時的配管特點，提出多臺蒸發(fā)式冷凝器的并聯(lián)管道配置方案。同時需注意，蒸發(fā)式冷凝器及其配管系統(tǒng)安裝的規(guī)范性，也直接影響著設(shè)備本身的運行狀況，影響著整個制冷系統(tǒng)的效率。