空调机组防冻问题及解决办法

一汽大众ZK60空调机组

防冻问题及解决办法

作者：***

北京环都人工环境科技有限公司

2008年7月

一汽大众ZK60空调机组防冻问题及解决办法

摘要：暖通空调系统设计中，有一个常被忽略的问题，就是室外新风零下温度空气的处理问题。结合近几年技术支持和项目协调的经验，笔者针对一汽大众总装车间ZK60空调机组系统中换热器结冻的原因、特点进行分析，并提出解决办法。

关键词：空调机组换热器防冻措施

一．运行中出现的冻伤问题。

1992年一汽大众总装车间18台ZK60空调机组安装并投入使用，其外形和功能段见附图1-1。

国产的组合式空调机组运行效果良好，但空调机冻伤问题一直困扰着冬季运行。

空调机组冻伤出现在以下几个部位：

1：在供暖开始阶段，铜管套片式热水加热器因管内水结冰涨裂铜管出现跑水问题；

2：新风气温较低时，转轮热回收装置出现结霜冰堵，转轮结冰导致卡滞不能转动。

3：开启新风阀时，在新回风混合段内，出现雾汽，内壁局部有结霜结冰问题

图1-1 ZK60空调机组

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二、换热器冻结的原因分析

ZK60组合式空调机配套的STTL型铜管套片加热器，结合紧密，传热效率高；翅片冲孔为双翻边，其片型采用先进的直波纹片，片间距均匀，考虑风阻、水阻、风机电机功率、换热面积等因素，通过计算机辅助优化设计，使片间距达到最优值，同时在保证换热量指标的前提下，水阻最小。

（一）换热器冻结的几种情况

由于空调设计时对寒冷地方的气候特点考虑不足，加之使用管理上的薄弱，这几年来在空调建筑物中，常出现空气加热器冻裂现象。其冻裂的情况不外下列几种：

1、加热与降温共用一个表冷式热交换器，但冷冻水的温差小(一般5℃)，而热水的温差大(15~30℃)，又因采用变流量调节，温差大的情况下，所需水量小，所以加热管中的水流速度小，成为层流状态，从而使与室外低温空气接触侧的盘管结冻。

2、加热器选择时设计余量太大，结果使热媒造成过大的温降，回水温度低，在边角处易冻。

3、两组或多组换热器并联连接，水路系统不平衡，一组换热器的流量大，一组换热器的流量小，小的就可能结冻。

（二）换热器冻结的原因分析

1，换热器换热面积的余量过大，热水的流量及流速降低。

换热器管路按水路并联，采用变水流量控制加热过程，而换热面积大有富余。主要表现在错误地假定了换热器的出水温度，而不是算出来的出水温度。则换热面积余量的多少反映了实际的出水温度与假定的出水温度的差值大小。换热器表面积愈富余，其出水温度比假定值低得愈多，热媒实际流量也就越小。所以，加大换热器表面积的余量，等于降低了出水温度、水流量和管中的流速，这些因素都有导致结冰的危险。

2、在采用自动保护的供热系统中，由于供热的水温高于供热曲线应供的值，而常常成为冻结的主要原因之一。这是由于室外气温接近0℃时，水温容易偏高。有变流量自动控制，供水温度一高，即要减少流量，流速当然也降低，因而造成结冰。

3、换热盘管的制造问题，造成盘管内部集存空气，形成气塞，妨碍了水的正常循环，以及在系统停止运行期间冷风由风阀的不严密处渗入，而水阀又全关，这样也会结冰。

总之，换热器结冻的主要原因是盘管中水的流速过小。

（三）换热器冻结的理论基础

以上对空气换热器的冻结的现象进行了说明，并分析了冻结原因。下面将从理论上进行分析。首先，需要明确的是，加热器的冻结其根本为“水结冰”，而水结冰的问题又可分水静止时的结冰与水流动时的结冰，也就是说加热器在非运转状态与运转状态。

1、静水结冰：静水结冰与室外气温有关，就未保温的圆管而论，国外有人做过试验，裸管的完全结冰时间，可按下式计算： t=0.28)22/(221R R L i i πθγργ

+- （h ） 式中 t ——全部结冰时间(h)

R i ――冰的传热阻(m ·℃/W)；

ρi －—冰的密度(kg/m 3)；

L ――冰的潜热(kJ/kg)；

γ1――管子内半径(m)；

θγ――管周围温度(℃)；

R ――管道与盘管的热阻(m ·℃/W)

可见，管子越大，完全结冰的时间越长；管周围的温度越低，完全结冰的时间越短。总之，管中静止的水在周围温度为0℃以下时是要结冰的。

2、流水结冰：流水结冰的现象，问题尚待研究，特别是紊流状态。现将日本的试验结果介绍如下。

流水的完全结冰时间与层流流速的关系，如图2.1；

流水的完全结冰时间与管外侧表面温度的关系，如图2.2。

可见完全结冰时间与流量的大小关系不太大，而受管壁外侧表面温度的影响大，根据这一情况，要注意盘管内的流速千万不要在层流范围。

所以水在管道中的冻结原因为：物理性方面是因为当室外空气温度为负值时，水在管中流动呈层流状态，即可出现结冰；

三、空调系统换热器的防冻

1，热器的表面积不能富余太多，比计算值不应超过10%。

2，管中水的流速在任何情况下都不得小于0.15m/s。如采用变水量控制，设计时应对室外为0℃的情况进行复核计算。

3，用换热器混水泵装置。

四、ZK60加热器冻伤分析。

1，加热器配置原因。

ZK60空调机配置的加热器型号为：STTL-6-25*7.62 H3，其铜管径15.88mm,片距3.2mm,迎风面积 5.715m2,换热面积702.6m2,当风量为60000m3/h,迎面风速为 2.9m/s,进口水温90℃，空汽入口温度负15℃时，加热器加热能力为1895KW，设计加热量为750KW，显然该加热器余度过大。详见附表1 （热回投资回报分析）

因为配备了余度过大的加热器，在供暖初期阶段空调加热量需求不高时，为防止送风过热，水流量被截流阀控制较小流量内。当水流速恰好低于表冷器铜管层流界线时，处理的空气温度恰好在冰点以下，加热器冻伤就出现了。这就是加热器在供暖初期多冻结伤的原因。