从冷凝器端差的变化分析污垢热阻对冷水机组性能的影响

从冷凝器端差的变化分析污垢热阻对冷水机组性能的影响

刘金平 1 、倪永刚张亚军 2

1、华南理工大学电力学院

2、深圳市勤达富节能技术有限公司

摘要：本文通过对逆卡诺循环、蒸气压缩理论制冷循环的性能计算、典型冷水机组的性能指标、ARI标准和采暖通风与空气调节设计规范的分析可知冷凝温度每增加 1℃，压缩机单位制冷量的功耗约增加3％～4％。当冷凝器冷却水侧的换热表面有污垢形成后，导致冷凝器的对数平均传热温差和端差增加，使冷水机组的冷凝温度升高，冷水机组的性能下降。分析了水处理和清洗等应对污垢的措施，得出了橡胶海绵球清洗法是目前为止使冷凝器冷却水管始终保持在清洁状态的最为有效的方法。

关键词：冷凝器端差；污垢热阻；冷水机组；橡胶海绵球清洗法1）、冷凝温度对冷水机组性能的影响

冷水机组的运行效率受蒸发温度和冷凝温度的影响，蒸发温度一定时，冷凝温度越高，其运行效率越差。

逆卡诺循环的制冷系数为：

(1)

式中：－为逆卡诺循环的制冷系数

－为制冷量，W；

－为耗功率，W；

－为蒸发温度，K；

－为冷凝温度，K。

根据目前空调工况冷水机组的设计参数，假设逆卡诺循环的低温热源（蒸发）温度为 5.5℃，冷凝温度为 36.5℃，此时的制冷系数为8.99。表1显示了冷凝温度对逆卡诺循环制冷系数的影响，冷凝温度升高 1℃，则制冷系数降低2.94%～2.33%，且冷凝温度越低，影响越显著。

表1. 冷凝温度对逆卡诺循环制冷系数的影响

冷凝温度（℃）36.5 37.5 38.5 39.5 40.5 41.5 42.5

前空调工况冷水机组的设计参数，设蒸发温度为 5.5℃，冷凝温度为 36.5℃，进压缩机前的制冷剂蒸气过热度为 0℃，冷凝器出口制冷剂液体的过冷度为0℃，取压缩过程的等熵绝热效率为0.9，此时的理论制冷系数为6.83，表2

显示了冷凝温度对理论制冷循环制冷系数的影响，冷凝温度升高 1℃，则制冷系数降低2.93%～3.66%，且冷凝温度越低，影响越显著。

却水进出水温度升高，冷水机组的COP下降，冷却水进出水温度升高 1℃，则COP降低3.24%～3.35%，且冷却水进出水温度越低，影响越显著。

表3 麦克维尔（McQuay）PFS330.3型单螺杆冷水机组性能指标

冷却水进出水温度30 ～

35 ℃32 ～

37 ℃

35 ～

40 ℃

COP 5.52 5.15 4.65 冷凝温度升高 1℃制冷系数降低百分数(%) 3.35 3.24 注：制冷剂：HFC 134a ；冷冻水进出水温度： 12 ～ 7 ℃

表4为特灵（TRANE）CVHG-780型离心式冷水机组的性能指标。随冷却水进出水温度升高，冷水机组的能耗系数（每制取1冷吨冷量所消耗的电功率）增加，冷却水进出水温度每升高 1℃，则能耗系数增加3.14%～3.46%。

注：制冷剂：HCFC22；冷冻水进出水温度： 12 ～ 7 ℃美国空调制冷学会 (ARI) 的 1997 指南 E(1997 GUILINE for Fouling Factors: A survey of their application in today ' s air conditioning and refrigeration industry Guideline E) 的第 4.3 条指出：换热器水侧的污垢热阻对空调和制冷设备的性能有显著影响，例如水冷式冷水机组满负荷运行时，换热管管壁为清洁状态，冷冻水的出水温度为 7 ℃，冷却水的出冷水机组的温度为 35 ℃，冷水机组的制冷剂的冷凝温度为 36 ℃，蒸发温度为 6 ℃，其能耗系数为 0.60kW/ton 。如果冷凝器和蒸发器水侧的污垢热阻

均为4.4，则制冷剂的冷凝温度升高为 37℃，蒸发温度降低为 5℃，

其能耗系数为0.65kW/ton，即运行费用增加了8.3%。实际的影响由于冷凝器和蒸发器换热管的形式不同可能会有些许不同。根据对制冷循环的性能计算可知蒸发温度降低 1℃使冷水机组性能降低的数值比冷凝温度升高 1℃使冷水机组性能降低的数值高10％。因此可以认为，冷凝温度升高 1℃，冷水机组效率约降低4％。

根据国家标准GBJ19-87 （2001年版）（中国计划出版社2001年）《采暖通风与空气调节设计规范－条文说明》中第 7.2.3 条：冷凝温度越低，制冷系数越大，可减少压缩机的耗电。例如，当蒸发温度一定时，冷凝温度每增加 1℃，压缩机单位制冷量的功耗率约增加3％～4％

综上所述，实际运行的水冷式冷水机组的冷凝温度每增加 1℃，压缩机单位制冷量的功耗率约增加4％。

2）、污垢热阻对冷凝器换热的影响

冷却水温度升高会使冷水机组的冷凝温度升高。此外在冷却水温度不变时若冷凝器的换热条件恶化，同样会使冷水机组的冷凝温度升高，COP下降。

冷却水系统中由于补充水的水质和系统内的机械杂质等因素，尤其是开式冷却水系统与空气大量接触，造成水质不稳定，产生和积累大量水垢、污垢、微生物等，在冷凝器的换热管表面形成污垢，使冷凝器的传热恶化、效率降低，污垢一般为热的不良导体，其导热系数只有碳钢的十分之一，而与铜等热的良导体相比，导热率相差更大。且随着强化传热技术的广泛应用，污垢热阻对传热过程的影响更加明显。在能源价格不断上涨的情况下，各种强化传热措施被普遍采用来增大传热系数的同时，污垢对换热器的影响也更加显著了。

水冷式冷水机组实际运行时可直接观察到的是制冷剂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:

(2)

式中：：为冷凝器的放热量， kW

：为冷却水的比热， kJ/kg. ℃

：为冷却水的流量， kg/s

：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，压缩机的排气从过热蒸气被冷却到饱和温度段，温差较大，但换热系数较低，将此段的换热过程近