冷水机组冷凝器胶球自动在线清洗装置性能的影响
为了研究冷凝器胶球自动在线清洗装置的清洗效果，对同一台冷水机组安装冷凝器胶球自动在线清洗装置前后的污垢热阻和制冷性能系数进行了运行测试和对比分析。结果表明：胶球在线清洗装置具有良好的除垢效果，采用冷凝器胶球自动在线清洗装置后冷凝器的污垢热阻平均降低了74.38%,制冷性能系数平均提高了11.31%。以单位时间平均运行费用低为目标函数，建立了佳清洗周期计算模型，通过优化分析，确定了佳清洗周期，佳清洗时间间隔为28h,佳清洗持续时间为8h。在佳运行模式下，单位时间运行费用与连续清洗运行模式相比减少了3.76%,投资回收期为2.6a。
冷凝器是冷水机组的重要组成部分，是制冷剂与冷却水进行换热的装置，在换热过程中，污垢的存在会降低冷凝器的换热效率。针对污垢对蒸气压缩式制冷系统换热器性能的影响作了实验观察;2000年手册指出当冷水机组冷凝器有0.3mm厚的薄膜型水垢时，冷水机组会增加12.4%的能耗;指出水侧表面的结垢降低了冷凝器的热效率;就污垢对冷凝器传热性能、流动阻力及冷却塔系统耗水量的影响进行了研究;对用海水冷却的换热器的不同防污处理措施的效果进行了评估和比较。
因而寻找一种行之有效的除垢方式对节能、提高经济效益有重要作用。与其他除垢方式相比，采用胶球在线清洗装置对冷凝器进行除垢，具有安装简单、操作便捷、适用性强等优势。通过对比同一台冷水机组安装冷凝器胶球自动在线清洗装置前后的污垢热阻和COP,确定冷凝器胶球自动在线清洗装置的清洗效果，并从经济性角度提出了冷凝器胶球自动在线清洗装置的佳运行模式。
1实验
1.1实验装置
冷凝器胶球自动在线清洗装置由发球装置、收球装置、控制器及相关附件组成。发球装置将胶球从冷却水进水侧送入冷凝器，胶球依靠水压差擦洗掉换热管内壁的污垢，在冷却水出水侧通过收球器回收胶球，形成清洗循环。发球装置主要包括胶球收集罐和水泵，用于存放和发射胶球；收球装置安装在机组冷凝器冷却水出水管路上，用于收集胶球；控制器为可编程逻辑控制器PLC,控制在线清洗的发球时间和清洗循环周期。
为确定冷凝器胶球自动在线清洗装置的清洗效果，分别对同一台冷水机组安装胶球在线清洗装置前后的污垢进行检测，用热阻法进行污垢检测。测试系统主要测试温度、流量和输入功率。测试参数包括：冷却水供回水温度和流量、冷凝压力、冷水供回水温度和流量、冷水机组输入电功率等。为保证测量精度，温度测量使用A级Pt100铂电阻温度计，精度为±(0.15℃+0.002t)（其中t为测量温度）；流量测量使用超声波流量计，精度为±1%;输入电功率测量使用电度表，精度为±0.5%。
采用的实验装置系统如图1所示。
1.2实验设计
实验选取的测试机组为1台水冷螺杆式冷水机组，机组参数见表1。
为了获得对比实验数据，先对冷凝器换热管进行机械通刷和化学清洗，使换热管表面达到清洁状态，在未安装胶球在线清洗装置的情况下，冷水机组连续运行并对各种运行参数进行测试。然后停机，对冷凝器换热管进行机械通刷和化学清洗，当换热管表面达到清洁状态后将冷凝器胶球自动在线清洗装置和冷水机组投入运行，并对各种运行参数进行测试。
由于污垢热阻的形成需要一定的时间，为了突出污垢热阻对换热和能耗的影响，将2次对比实验的时间延长到430h;测试期间冷却水泵和冷水泵均为工频运行，水泵流量保持不变；每2h记录一次冷却水和冷水的供回水温度、冷凝压力、输入功率等参数；测试期间流过蒸发器的冷水流量保持不变，冷水的供回水温度设定为7℃/12℃,并保持不变，因此，蒸发器的冷负荷也保持不变；冷却水水质符合GB50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》的要求。根据测得的数据，分析冷凝器胶球自动在线清洗装置的清洗效果，测试原理如下。
冷凝器的换热量Qc为Qc=mccp(tc,o-tc,i)(1)式中mc为冷却水流量，kg/s;cp为水的比定压热容，J/(kg·℃);tc,i为冷却水进水温度，℃;tc,o为冷却水出水温度，℃。冷凝器的传热系数K为K=(2)式中Ai为换热管总内表面积，m2;Δtm为冷却水与制冷剂的对数平均传热温差，℃,可由下式求得：tc,o-tc,ilntk-tc,itk-tc,o式中tk为制冷剂的冷凝温度，℃。冷却水在管内的流动状态为湍流，冷却水侧对流换热系数hw为hw=0.023Re.8Pr.4(4)式中λ为冷却水的导热系数，W/(m·℃);di为换热管内径，m;Ref为冷却水的雷诺数；Prf为冷却水的普朗特数。制冷剂侧对流换热系数hk为hk=0.728φεv0.25(5)式中φ为增强系数，为1.384;εv为管束修正系数，为0.81;g为自由落体加速度，m/s2;r为汽化潜热，kJ/kg;ρl为制冷剂的密度，kg/m3;λl为制冷剂的导热系数，W/(m·℃);μl为制冷剂的动力黏度，N·s/m2;nm为竖直方向上平均管排数；do为换热管外径，m;tw为壁面温度，℃。冷凝器的污垢热阻Rf可由下式求得：Rf=-++式中δ为换热管管壁厚度，m;λp为换热管的导热系数，W/(m·℃);A为换热管的平均面积，m2;Ao为换热管的总外表面积，m2。
2实验结果
2.1污垢热阻
将测得的冷却水流量，进、出水温度等数据代入式(1)~(6),可得到使用胶球在线清洗装置前后冷凝器污垢热阻的变化情况，如图2所示。
图2使用冷凝器胶球自动在线清洗装置前后冷凝器污垢热阻的变化
由图2可以看出：未使用冷凝器胶球自动在线清洗装置时的污垢热阻明显大于使用后，并呈上升状态，而使用胶球在线清洗装置后污垢热阻则没有明显变化；2种工况下开始测试时的污垢热阻几乎相同，表明2次清洗后换热管表面的清洁程度基本相同，未使用胶球在线清洗装置时，随着机组运行时间的增加，换热管表面的污垢不断积累，污垢热阻不断增大；当使用胶球在线清洗装置后，由于胶球对换热管表面的清洗作用，阻止了污垢热阻的增大，污垢热阻基本保持在1.04×10-4m2·℃/W左右。
根据测试结果，冷凝器胶球自动在线清洗装置未使用时的平均污垢热阻为4.07×10-4m2·℃/W,比GB50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》规定的限值3.44×10-4m2·℃/W高18.31%;使用胶球在线清洗装置后，平均污垢热阻基本保持在1.04×10-4m2·℃/W,比国家规定的限值低69.77%。由此可见，冷凝器胶球自动在线清洗装置对于阻止冷凝器换热管内表面污垢的沉积、改善换热性能和提高冷水机组COP等具有重要的作用。
2.2冷水机组制冷性能系数
在冷水机组的运行过程中，理论上应满足如下能量平衡关系：Qc=Q0+W0(7)COP=(8)式(7),(8)中Q0为制冷量，W;W0为压缩机功率，W。蒸发器的制冷量Q0为Q0=m0cp(t0,i-t0,o)(9)式中m0为冷水的质量流量，kg/s;t0,i为冷水进水温度，℃;t0,o为冷水出水温度，℃。
在实际运行过程中，由于压缩机壳体表面会有散热，因而冷凝器放出的热量并不等同于制冷量与压缩机功率之和。同时，测量过程中还会因测量仪器等引起一定的测量误差，但漏热和仪器引起的相对误差不应超过±10%。
本实验测试是在一家电子工厂的空调用冷水机组上进行的，冷水机组24h连续运行，冷负荷需求稳定。在测试过程中，冷水泵为工频运行，流量保持不变，冷水供回水温度保持为7℃/12℃不变，比定压热容也认为是定值，因此，蒸发器的冷负荷也保持不变。
减小冷凝器污垢热阻，可改善冷凝器换热性能、降低冷凝温度、减小压缩机功耗和提高冷水机组的COP。根据现场测试结果，胶球在线清洗装置使用前后COP的变化情况如图3所示。
图3机组COP的变化
从图3可以看出：冷凝器胶球自动在线清洗装置使用前冷水机组的COP呈逐渐下降趋势，平均值为3.98;使用后冷水机组的COP基本保持不变，平均值为4.43,提高了11.31%。
在蒸发温度不变的情况下，冷凝温度每升高1℃,机组COP平均提高3.34%,输入功率平均下降3.33%[7]。实验过程中胶球在线清洗装置使用前后的平均冷凝温度分别为37.90℃和35.26℃,使用冷凝器胶球自动在线清洗装置时的冷凝温度要比未使用时降低2.64℃,据此推算，制冷机组的输入功率平均可降低8.79%。
实验过程中，冷水机组的输入功率为199.5kW,24h连续运行，使用冷凝器胶球自动在线清洗装置后输入功率降低率平均按8.79%计算，则每天可节省电量564.97kW·h,节电效果显著。
未使用冷凝器胶球自动在线清洗装置时，由于COP呈逐渐下降的趋势，为保证制冷量不变，压缩机的输入功率会有所增大；使用胶球在线清洗装置时，机组COP和制冷量基本不变，所以压缩机的输入功率也基本保持不变。
2.3经济性分析
使用冷凝器胶球自动在线清洗装置，会增加发球泵的能耗和胶球损耗费用，但由于冷水机组能效的提高，整个冷水机组的运行能耗和费用将逐渐下降。根据测试结果，当机组COP达到4.37后，机组运行能耗将不再下降，此时关闭冷凝器胶球自动在线清洗装置，减少发球泵能耗和胶球损耗，整体运行费用将有所下降。
通过分析发现，随着清洗间隔时间的增加，单位时间内的平均运行费用呈下降趋势，当清洗间隔时间为28h时，单位时间内平均运行费用达到小值，为194.40元/h;随着清洗间隔时间的继续增加，运行费用逐渐上升。
该冷凝器胶球自动在线清洗装置技术的经济性可通过动态投资回收期来进行评价，动态投资回收期的计算公式为P=Pt-1+(10)式中P为动态投资回收期，a;Pt为累计折现值出现正值的年数，a;a为上年累计折现值，元；b为当年净现金流量的折现值，元。胶球在线清洗装置的使用寿命按10a计，初投资为10万元。若以佳运行周期模式运行，使用冷凝器胶球自动在线清洗装置前后的能耗成本如表2所示。
表2能耗成本
平均运行费用／（元/h) 年运行
时间/h 平均负荷率/% 年总能耗成本／元
使用前 212.56 2880 80 489738.24
使用后 194.40 2880 80 447897.60
使用冷凝器胶球自动在线清洗装置后，年节省能源成本41840.64元。根据式(10)可计算动态投资回收期为2.6a,即全部投资可在3a内收回，在以后的7a内，完全处于盈利状态，每年可获得3万元的折现值，在冷凝器胶球自动在线清洗装置的全寿命周期内可获得21万元收益。且在提高经济效益的同时，还可减少二氧化碳、氮氧化物等的排放，具有一定的环境效益。
3结论
1)冷凝器胶球自动在线清洗装置能够有效清除冷凝器换热管内的污垢，改善换热效果，降低制冷电耗。实测结果表明：机组使用冷凝器胶球自动在线清洗装置后污垢热阻平均降低74.38%,机组COP平均提高11.31%。测试期间，污垢热阻基本稳定在1.04×10-4m2·℃/W左右，机组平均COP稳定在4.43左右。当未使用胶球在线清洗装置时，污垢热阻会随实验时间的增加而增加，在实验期间增长了37.99%,机组COP下降了4.16%。
2)基于实验数据和经济性分析，确立了佳清洗间隔时间为28h,清洗时长为8h,即佳运行周期为36h,该运行模式下单位周期内的平均运行费用低，为194.40元/h,比连续运行时的费用低3.76%。
3)在优化运行周期的基础上，使用冷凝器胶球自动在线清洗装置每年可节省41840.64元，动态投资回收期为2.6a。动态投资回收期短，表明冷凝器胶球自动在线清洗装置的经济性较好。
