論中央空調水冷凝器膠球自動在線清洗系統——淺談小球在線清洗

論中央空調水冷凝器膠球自動在線清洗系統——淺談小球在線清洗
一、冷凝器膠球自動在線清洗概述：
      中央空調系統作為建筑內的耗電大戶，對于大型用電用戶來說，中央空調的用電占有很大的比重，每年的電費中空調耗電占30%-60%左右。提高中央空調運行效率，降低用電量，將大大減輕整棟樓宇的用電壓力。中央空調冷凝器，是中央空調關鍵的換熱設備，它的性能、指標直接影響到中央空調的制冷及節能效果。下圖是中央空調系統及建筑物內各子系統正常情況下耗電圖，由此可見主機耗電占有相當大的比例。
（中央空調系統及建筑物內各子系統正常情況下耗電圖）
      根據中央空調系統的運行原理，主機運行一段時間后，即在冷凝器換熱管內表面結下一層污垢，影響機組正常換熱。從而降低機組能效比，增加中央空調主機的耗電量，此時主機的耗電率將提高，同時也減少設備的使用壽命。
二、中央空調水冷凝器膠球自動在線清洗系統影響能耗因素：
      中央空調冷卻水系統是一個開式冷卻循環系統，在冷卻塔處大多是與大氣連通的，空氣中的灰塵、細菌及其他污雜物的不斷進入冷卻塔，冷卻塔運行換熱時還有冷卻水飄移、蒸發損失水量，需要及時的補充水，這些補充水也有機會帶進泥污、細菌和鈣、鎂離子及氧化物。自來水作為補充水未經過各種處理，在輸送過程和末端蓄水池也會有二次污染。這些物質隨時污染并附著在冷凝器管內壁，水中的鈣、鎂離子或氧化物遇到水中的二氧化碳，在高溫時易生成碳酸鈣、碳酸鎂，這種不溶的鹽附著在冷凝器銅管內壁，叫水垢，與泥污、菌藻粘合，不斷加大了銅管內壁的熱阻，降低冷凝器的換熱效率。在同等冷負荷下，中央空調壓縮機必須增加工作負荷，以產生同等制冷量，系統能耗因此上升。
      根據業人士的深入調查，由于水質原因，當中央空調冷凝管內水垢厚度一般在0.9㎜左右，比正常能耗多出15%-30%，以一臺450冷噸的中央空調來說，每天運轉12小時，每年運轉時間8個月，就多耗電量約16萬度，而且還不計不斷增厚的水垢的增值能耗。水垢和污泥阻礙了換熱銅管的熱交換，降低了熱交換效率，提高冷凝溫度，使整套制冷系統的效率因為冷凝溫度的提高而降低。即在產生相同的冷量的情況下，大大增加了電量的消耗。參照美國PhilipKotz機構的研究數據如下：
當水垢厚度達到熱交換將損失耗電將增加
0.3mm21%10%
0.6mm34%20%
0.9mm44%31%
      由上表可以看出污垢厚度的減少與熱損失的大小成正比關系，所以及時清除換熱管內壁的污垢，可以有效地減小熱交換損失，減小耗電量。
三、藥物清洗：
      傳統化學清洗：目前擁有使用中央空調的單位，基本上是在冷卻水中不斷加入化學藥劑除垢或是在使用結束后開啟冷凝器端蓋人工進行清洗的清洗方式，進行一次集中性的除垢操作，簡稱通炮。拆開端蓋，加入克垢藥水，利用水泵進行循環清洗，一般運行10-48小時。再輔助進行人工清洗，可將冷凝器水垢清除完畢。
      缺點：排放出的化學污水，直接排放至地下和土壤，對環境有一定污染。
四、中央空調水冷凝器膠球自動在線清洗系統-小球在線清洗：
（一）、概況
目前國內外生產的冷凝器膠球自動在線清洗系統品牌較多，根據送回球動力源分類大至有三種：
      1、壓縮空氣送回球，需配空壓機、蓄氣罐等；（見圖一）
      2、冷卻水管上下段自身壓差送回球，收球時要向系統外排水形成壓差進行回球。（見圖二）
      3、水泵加壓送回球，另配DN40小功率水泵、電動閥等。(見圖三)
實際運行中三種類型的設備和系統，仍存在各自的缺陷，現列舉分析如下：
（二）、壓縮空氣為動力源的冷凝器膠球自動在線清洗系統
(圖一)
      1.空氣壓縮機有較大的機械磨損及震動噪音，磨損壽命短；
      2.空氣進入冷卻水系統有氣蝕氣堵；
      3.回球有排氣排水，有水耗。（見圖一）
（三）、冷卻水管上下段壓差送回球
（圖二）
      1.出回球1次要排1次水，約100～150L，系統水耗大；
      2.球水分離器分離段未加大管徑，內部隔柵和彎頭等因減小過水截面積而增加了水阻，約10KPa～30KPa，即增加了冷卻水泵額外功耗；
      3.分離網無法單獨拆除更換或維修，需冷卻水系統停止運行并放水，整個分離器拆除才能拆換濾網；
      4.沒有外加流體動力送回球，僅靠水管上下段壓差送回球，因上下段水壓差實際不大，所以送回球慢，容易卡球，造成回球不全。
（四）、水泵作為動力源的冷凝器膠球自動在線清洗系統
（圖三）
冷凝器膠球自動在線清洗裝置工作原理
      冷凝器膠球自動在線清洗裝置采用純物理方法，利用系統自帶水泵加壓，將清洗膠球從注球器發送到冷凝器中，依靠水流產生的沖刷力和膠球與換熱管內壁產生的摩擦力擦洗掉換熱管內壁的水垢、污垢以及微生物膜。在冷卻水出口端通過回球器利用水流力學原理將球回收至注球器，從而完成一次清洗循環。
冷凝器膠球自動在線清洗裝置系統構成
      主要部件：注球器、回球器、球體分離器、PES智能可編程控制器等組合而成的成套設備系統。
      1.注球器：利用系統自帶水流力學原理，將小球從注球器注入冷卻水管，注球器帶可視窗口，可觀察球體狀態。
      2.回球器：利用水流力學原理，將小球收回到球體分離器。
      3.球體分離器：利用水流力學原理，使小球返回到注球器。
      4.PES智能可編程控制柜：該系統利用程序控制整個清洗過程，可實現手自動。
冷凝器膠球自動在線清洗裝置系統優點與特點
      1.采用物理方式無需停機，在線自動清洗；
      2.系統安裝方便，無需改變現有的管道設計；
      3.可實現PES系統自動運行；
      4.與化學清洗方法相比，無化學污染；
      5.球水分離器仍有回球死角，使回球慢，回球不完全現象；
      6.膠球磨損快，每年需更換1-2次，維護費用高。
冷凝器膠球自動在線清洗裝置現狀描述：
      PES中央空調智能清洗系統，從2012年5月開始運行至今，在2013年夏季運行期間，同期相比能耗無顯著變化（室外溫度、負荷不同），且出現幾次回球不完全情況發生。
      空調主機或冷卻水泵正常運行以后，啟動PES在線清洗系統，運行時工程值班人員需觀察4-5個運行周期，以下為控制柜運行指示顯示：
至下為：電源——運行——注球——回球。先保證空調冷卻水為穩定的流動狀態。
系統啟動時：
      （1）注球燈點亮——開始注球——同時開始循環（時間為35秒左右）——小球到達球體分離器——兩個循環同時停止（兩個循環為注球時水流循環與小球循環）；間隔25秒左右；
      （2）回球時水流循環與小球循環同時開始——循環時間為35秒左右——小球到達注球器后——兩個循環停止——整個小球循環結束。
      經觀察，以上兩個步驟完成整個循環周期，一個周期大概2分鐘。
以下為主要冷凝器膠球自動在線清洗裝置設備安裝現場：
五、其他情況造成卡球和丟失球原因：
      1、冷凝器銅管有異物形成半堵塞，水過得了，球過不了。所以安裝前得嚴格通炮，每條銅管完全暢通，不可敷衍取代。
      2、前面介紹的二型產品，當冷卻水停止，而自動清洗系統未停，小球會通過反方向進入電磁閥和水泵卡死或打碎，須有相應的電控及機械阻逆措施。
      3、三型產品球水分離器數百個焊點的隔柵條容易脫焊，小球穿過大于球外徑的縫隙去了冷卻塔，也較常見。隔柵工藝應改進。
      4、當送球過程未結束，冷卻水停止循環流動，部分小球還在冷凝器入水端或銅管中，下次再開冷卻水時，小球此時是從0速度的靜態開始運動，小球運行要克服它與銅管間的靜摩擦力（比動摩擦力大很多），同時它是從0速度開始運動，小球自身沒有動量，僅靠流動的水壓靜力推動，比在運動中的小球向前動能要小一個1/2mv^2此時小球稍有過盈，就容易卡死在進水銅管口和銅管中。
六、防止和減少海綿球丟失的幾個措施：
      1、安裝冷凝器膠球自動在線清洗裝置系統前，需嚴格通炮，必須拆開冷凝器兩頭的端蓋，逐條通刷銅管，刷去銅管內的堵塞物，并嚴格處理進水端銅管口的毛刺、不圓堵塞物，直至光潔圓滑為止。測量銅管內徑，以便選擇適當外徑的海綿球，保證海綿球進出流暢。
      2、自動清洗系統送球進水管口加沖孔濾芯，使水可進，球不可入。送回球控制系統動作與空調主機開停連鎖，主機開停清洗系統也開停；主機停止，清洗系統應轉換到回球并完成回球過程停止。
      3、隔柵式分離網有數百個焊點，建議改為沖孔不銹鋼板網，δ=1.5，整個分離濾芯只有1～2條焊縫而不是點焊，減少焊點脫焊、漏球的可能。
      4、減小和消除回球死角，減少海綿球在分離器內的滯留。如無法減小回球死角，則要延長停主機后冷卻泵的停機時間，使系統有充分時間收回海綿球。
七、結論：
      以上無能那種形式的在線自動清洗系統，都會發生回球不全，且小球磨損后的更換成本增加，即清洗用的膠球5-8元/個，總數為冷凝器管束的三分之一。一年更換2-4次，那么較大的機型主機，一年更換膠球的費用在幾百至一千多元。
      一般新機組的趨近溫度為1.2-1.5℃（工質冷凝溫度-冷卻水出水溫度），接管驗收時對水系統進行全面的清洗、預膜后的水系統，后期嚴格按照保養、管理流程操作，在3-5年內都不需要進行開蓋“通炮”清洗，而大部分寫字樓宇每日開機時間在10小時左右，冬季停機檢修時間段，有大量的空閑時間，通過人工清洗的方式清洗冷卻水系統，且中央空調設計的水系統中都配置軟水裝置，人工成本低，只要每年停機保養工作做得完善，保障機組冷凝趨近值1.2-2.0℃之間，機組的能耗不會有較大增加。
      但處于熱帶、亞熱帶氣候地區的工廠、機場等，需要24小時空調運行的冷水機組冷凝器，采用小球在線清洗系統是合適的。
      目前一臺要10幾萬元，國產設備4-8萬元一臺。需要重視的是，有些國產設備質量不過關，以次充好，或邊賣產品邊改進，目前該產品的國產品牌原本就不多，經過長期運行考驗的暫時沒有。所以，相對于人工清洗冷凝器，我國的一般民用建筑采用冷凝器膠球自動在線清洗裝置在經濟上是不劃算的。
如要真正實現節能降耗的目的，還得從以下幾方面考慮：
      隨著我國經濟建設的快速發展，商用建筑賓館、飯店、大中型商場的大量興建，但由于片面追求建筑物外形的獨特而忽視了節能。目前在國內興建的采用中央空調的場所普遍存在著高能耗問題。一般來說，空調能耗占到建筑能耗的50-60%，由于空調設計時其負荷均按高環境溫度設計，而高環境溫度對一個城市來說也只是一個月，所以絕大多數空調系統（主機、冷凍水泵風機等）大部分時間處于“大馬拉小車”的運行狀態，這就造成了資源的很大浪費。根據這樣的情況,若使用先進的智能變頻技術，即根據系統的變化而自動調整檢測空調主機和水泵風機的負荷參數。達到負荷的供需平衡后，空調系統可節能20%以上。
中央空調要想達到良好的節能效果，還得從以下幾方面考慮：
      減少循環水泵電機的能耗；中央空調系統中的循環水泵耗電量非常大，其水泵的耗電量占整個空調系統耗電量的15-30%，所以水泵節能非常重要，其節能潛力也很大。
      減少風機電耗；中央空調系統中風機包括空調風機、排風機。這些設備的電耗占空調系統耗電量的75%，所以其節能的潛力也就是大的。使用智能變頻風機將定風量控制改為變風量控制，降低送風的風速，減少噪音，末端風機改為變風量控制系統，可根據空調負荷的變化及室內要求參數的改變自動調節空調送風量，達到小送風量時調節送風溫度，大限度的減少風機動力以節約能源。室內無過冷或過熱的現象，由此可減少空調負荷約5-30%。
      水系統采用變流量模糊控制變頻節能技術；在中央空調系統中，冷卻水泵，冷凍水泵和冷卻塔風機的容量是按照建筑物大設計熱負荷選定的，且留有10-15%的余量。在一年四季中，系統長期在固定的大水流量下工作，由于季節、晝夜采用負荷的不斷變化，空調實際的熱負荷絕大多數時間內遠比設計負荷低。與決定水泵流量壓力的大設計負荷（負荷率為100%）相比，一年中負荷率小于50%的運行小時數約占全部運行時間的50%以上。當空調冷負荷發生變化時，所需空調冷卻循環水量也隨負荷相應變化，空調水供回水溫差越大,空調水流量越小,水泵的耗電量就越小,所以采用變頻調速技術調節水泵電機的轉速，就可以連續地改變水泵的揚程，大幅度降低水系統的能耗。
      使用智能控制系統；目前的中央空調大多數未設空調自控，其設備投入運行均由人工完成。這使得空調系統的運行管理極為不便，能耗大大增加。若加裝空調智能的自控系統，即使是簡單的啟�？刂�，也可大大節省空調能耗，另外也容易實現空調末端溫度的靈活設置。
      總之，要想使中央空調系統徹底改變能耗的問題，目前好的辦法是利用中央空調的節能器，使系統運行在經濟的狀態下，節電率可達20%以上，而且保護功能全面，并且具有投資回收期短，效率高的特點。