考慮污垢時(shí)冷凝器選用內(nèi)螺紋管的技術(shù)經(jīng)濟(jì)

考慮污垢時(shí)冷凝器選用內(nèi)螺紋管的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析摘要：污垢熱阻普遍存在于各種換熱設(shè)備中，造成大量能源浪費(fèi)，不同的水質(zhì)條件、不同的換熱管幾何參數(shù)、不同的冷卻水流速等都直接影響污垢的形成過(guò)程。本文在考慮污垢的情況下，綜合換熱管的阻力特性，在制冷系統(tǒng)中對(duì)冷凝器選用內(nèi)螺紋管和內(nèi)壁光滑管是否能夠提高冷凝器換熱性能從而達(dá)到降低系統(tǒng)能耗目的進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，選用內(nèi)螺紋管不一定能夠提高冷凝器運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，其存在臨界流速和臨界時(shí)間，為冷凝器的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。關(guān)鍵字：污垢冷凝器內(nèi)螺紋管1引言制冷與空調(diào)設(shè)備的大量應(yīng)用，必然造成能源的大量消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1982我國(guó)制冷與空調(diào)設(shè)備的耗電量約為108億度，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，制冷與空調(diào)的能耗約占全年總能耗的20％～30％[1]。為提高換熱器的傳熱性能，節(jié)約能源和材料，新型強(qiáng)化傳熱元件得到廣泛的應(yīng)用，內(nèi)螺紋管是常見(jiàn)的一種傳熱特性很好的高效換熱管。水冷式冷凝器，特別是大型冷水機(jī)組冷凝器冷卻水一般都直接取自江河水，懸浮在水中的泥沙顆粒和微生物等污垢物很容易在換熱管內(nèi)壁形成污垢，很薄的一層污垢就可能完全抵消為提高換熱管傳熱性能所作的努力。據(jù)調(diào)查表明，90％以上的換熱器都存在不同程度的污垢問(wèn)題[2]，應(yīng)在熱力系統(tǒng)中對(duì)換熱器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并且要綜合考慮換熱管的阻力特性和污垢熱阻特性。2技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析原理2.1內(nèi)螺紋管冷凝器工作性能評(píng)價(jià)冷水機(jī)組冷凝器選用內(nèi)螺紋管可以提高冷凝器總傳熱系數(shù)，降低冷凝溫度。冷凝器冷凝溫度越低，單位制冷量冷水機(jī)組壓縮機(jī)能耗就越少，因此很多大型冷水機(jī)組的冷凝器換熱管都選用內(nèi)螺紋管。在冷凝器污垢生成量不多的運(yùn)行初期，其傳熱性能要比同型號(hào)內(nèi)壁光滑管優(yōu)越，壓縮機(jī)能耗更低?？紤]到污垢熱阻隨時(shí)間變化的規(guī)律和換熱管的摩擦阻力特性等因素，設(shè)冷水機(jī)組冷凝器冷卻水進(jìn)出口溫度不變，冷凝器分別選用內(nèi)螺紋管和光滑管，則制冷系統(tǒng)中的冷凝器工作性能系數(shù)可以表示為：（1）其中，，——內(nèi)螺紋管冷凝器的壓縮機(jī)功耗和冷卻水泵耗，W，——光滑管冷凝器的壓縮機(jī)功耗和冷卻水泵耗，W從式（1）可以知道，當(dāng)工作性能系數(shù)<0，則表明選用內(nèi)螺紋管作為冷凝器換熱管較選用光滑管要經(jīng)濟(jì)，反之則不能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)于一定的水質(zhì)條件，一定的冷水機(jī)組，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)，即換熱管污垢熱阻達(dá)到漸近值時(shí)，則存在臨界流速，使得＝0。如果分析得到某一流速下的>0，則存在一個(gè)臨界時(shí)間，使污垢熱阻增長(zhǎng)到＝0。2.2壓縮機(jī)功耗一般情況下，污垢熱阻隨時(shí)間逐漸趨近于漸近污垢熱阻值，漸近污垢熱阻受流體流速、污垢物濃度和換熱管幾何參數(shù)等因素的影響，在水質(zhì)一定的條件下，漸近污垢熱阻與流速的關(guān)系可以表示為，大部分被觀(guān)察到的污垢熱阻都屬于漸近型，其預(yù)測(cè)模型可表示為，其中，為與影響因素相關(guān)的常數(shù)；為冷卻水流速，m/s；為時(shí)間,h；為污垢熱阻的時(shí)間常數(shù),h[3]。可認(rèn)為冷卻水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)不論是對(duì)于光滑管還是內(nèi)螺紋管，都可以表示為：，其中為斯坦頓數(shù)，內(nèi)壁光滑型管取0.023，內(nèi)螺紋管則根據(jù)不同型號(hào)來(lái)選取[4]。根據(jù)冷凝器總傳熱系數(shù)、制冷蒸汽側(cè)和冷卻水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，就可得到該工況下的冷凝溫度。冷凝器選用光滑管時(shí)，壓縮機(jī)功耗一般可以表示為：，其中COP為制冷系數(shù)。當(dāng)蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度一定時(shí)，冷凝溫度每增加1℃，壓縮機(jī)單位制冷量功耗約增加2％，因此冷凝器選用內(nèi)螺紋管，其壓縮機(jī)功耗可以近似表示為[5]：（2）2.3冷卻水泵功耗冷凝器選用內(nèi)螺紋管代替光滑管，在一定程度上提高了對(duì)流換熱系數(shù)，但卻增加了流動(dòng)阻力，冷凝器的沿程阻力可以表示為[6]：。當(dāng)雷諾數(shù)Re＝1×104～1.2×105，即流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，沿程阻力系數(shù)可以表示為：，其中C和D是與換熱管幾何特性有關(guān)的常數(shù)[4]。3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析3.1計(jì)算條件現(xiàn)以廣州恒星冷凍機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的型號(hào)為20ST－15W，最大制冷量為44.5kW的活塞式冷水機(jī)組為計(jì)算對(duì)象來(lái)進(jìn)行分析。假設(shè)選用光滑管時(shí)冷凝器的制冷系數(shù)為COP＝3.6[7]。根據(jù)光滑管的污垢熱阻實(shí)驗(yàn)得到，光滑管的漸近污垢熱阻可表示為[8],內(nèi)螺紋管的漸近污垢熱阻約為光管的1.36倍，流速越大，兩種換熱管的漸近污垢熱阻值相差越大，因此可設(shè)內(nèi)螺紋管的漸近污垢熱阻為，光滑管和內(nèi)螺紋管的時(shí)間常數(shù)分別取350h和450h[9]。內(nèi)螺紋管選用的是上海高克聯(lián)管件（上海）有限公司的型號(hào)為52－9740028換熱管，根據(jù)其推薦值，取斯坦頓數(shù)STC＝0.061,換熱管的沿程阻力系數(shù)可表示為，對(duì)于光滑管，可取。3.2計(jì)算結(jié)果與分析3.2.1流速對(duì)冷凝器工作性能的影響圖1功耗與流速的關(guān)系圖2冷凝器工作性能系數(shù)與流速的關(guān)系圖1反映了在考慮漸近污垢熱阻隨流速變化的條件下，冷凝器選用內(nèi)螺紋管相對(duì)于同類(lèi)型光滑管其冷卻水泵功耗和壓縮機(jī)功耗增加量隨流速變化的規(guī)律。圖2放映了冷凝器選用內(nèi)螺紋管相對(duì)于同類(lèi)型光滑管其工作性能系數(shù)隨流速變化的規(guī)律。從圖1可知，內(nèi)螺紋管冷凝器冷卻水泵比光滑管冷凝器冷卻水泵功耗要大，且隨冷卻水流速的增大而不斷增大，主要是因?yàn)槔鋮s水泵功耗與流速的三次方成正比。由于污垢熱阻的存在，兩種情況所導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗降低的變化幅度不大，且隨著流速的增大，這種差異越來(lái)越小，內(nèi)螺紋管所帶來(lái)的強(qiáng)化效果被污垢熱阻抵消。從圖2可知，冷凝器的工作性能系數(shù)隨流速?gòu)?4.5%增大到3.9%，也就是說(shuō)選用內(nèi)螺紋管不一定就具有經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)流速>1.43m/s時(shí)，選用內(nèi)螺紋管反而使整個(gè)冷水機(jī)組能耗比選用光滑管要大，即存在臨界流速，只有當(dāng)流速時(shí)，選用內(nèi)螺紋管在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上才可行。3.2.2臨界時(shí)間圖3能耗差與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系冷水機(jī)組冷凝器是否選用內(nèi)螺紋管取決于機(jī)組的運(yùn)行工況，當(dāng)冷卻水流速，那么不管機(jī)組運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，單位制冷量所需要能耗在冷凝器選用內(nèi)螺紋管時(shí)都較選用光滑管要低，可以達(dá)到節(jié)能的目的，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的。但如果機(jī)組是在的工況下運(yùn)行，則隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的不斷積累，換熱管的污垢熱阻也將逐漸趨近于漸近污垢熱阻，這時(shí)冷凝器工作性能系數(shù)也將由η<0變化到η>0，也就必然存在一個(gè)臨界時(shí)間，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間時(shí)，選用內(nèi)螺紋管仍然具有經(jīng)濟(jì)性。因此可以臨界時(shí)間為清洗周期參考點(diǎn)定時(shí)清洗，阻止污垢熱阻形成和發(fā)展。圖3反映了流速條件下，機(jī)組選用內(nèi)螺紋管和光滑管能耗差隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。從圖3知道，該冷水機(jī)組的臨界時(shí)間，也是說(shuō)，該機(jī)組連續(xù)運(yùn)行650h后就應(yīng)該對(duì)冷凝器進(jìn)行清洗，以保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。4結(jié)論(1)絕大部分換熱器都存在污垢熱阻，內(nèi)螺紋管較光滑管更容易產(chǎn)生污垢熱阻，污垢熱阻的在一定程度上抵消了內(nèi)螺紋管所帶來(lái)的強(qiáng)化傳熱效果，因此在評(píng)價(jià)冷凝器選用內(nèi)螺紋管的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性時(shí)一定要考慮污垢熱阻的影響,并且要將其放在系統(tǒng)中來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。(2)冷凝器選用內(nèi)螺紋管時(shí)，冷卻水存在臨界流速，當(dāng)流速時(shí)，不管機(jī)組運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，都可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。該冷水機(jī)組的臨界時(shí)間為。(3)如果冷卻水流速，那么必然存在臨界時(shí)間，當(dāng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間時(shí)，冷凝器選用內(nèi)螺紋管仍然具有經(jīng)濟(jì)性，為維持機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，必須以臨界時(shí)間為參考點(diǎn)定期清洗冷凝器。參考文獻(xiàn)[1]岳孝方，陳汝?yáng)|.制冷技術(shù)與應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990：1～5.[2]R.Seinhagen,H.M.SteinhageandK.Maani,ProblemsandCostsduetoHeatExchangerFoulinginNewZealandIndusties[J].HeatTransferEngineering,1993,14(1).[3]楊善讓?zhuān)熘久?換熱設(shè)備的污垢與對(duì)策.科學(xué)出版社，1995年.[4]程立新，陳聽(tīng)寬.內(nèi)螺紋管中煤油單相紊流強(qiáng)化傳熱研究[J].石油化工設(shè)備,1999,28(1):5～9.[5]彥啟森.空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