空調(diào)工程表冷器防凍研究

郭建輝

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518120 ）

0 引言

我國(guó)北方某空調(diào)工程，室外氣象參數(shù)中冬季極限氣溫低至-29.2 ℃，HVAC系統(tǒng)中的表冷器在安裝及運(yùn)行過(guò)程中都曾發(fā)生過(guò)凍損泄漏事件，本文對(duì)表冷器的凍損產(chǎn)生機(jī)理、凍損成因加以研究，并提出表冷器在設(shè)計(jì)、制造、倉(cāng)儲(chǔ)及調(diào)試運(yùn)行等各環(huán)節(jié)應(yīng)采取的改進(jìn)措施。

圖2 表冷器凍裂實(shí)例

1 表冷器凍損機(jī)理與成因分析

1.1 凍損現(xiàn)象描述

大型水冷表面式空氣冷卻器是HVAC系統(tǒng)中承擔(dān)空氣降溫任務(wù)的重要設(shè)備，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，換熱基管平行布置，并用彎頭連通，在水平方向同側(cè)設(shè)置進(jìn)、出水匯集管（集水/分水器），進(jìn)水匯集管底部設(shè)有排水閥，出水匯集管頂部設(shè)有排氣閥，銅管內(nèi)通冷水，管外側(cè)為空氣，基管為φ16×1的TP2-M紫銅管，兩側(cè)的彎頭為φ16×1.2的TP2-M紫銅管，翅片為厚0.24 mm的T 2-M紫銅帶。圖2為某電站表冷器發(fā)生凍損的實(shí)例照片，圖中可見部分表冷器銅管彎頭有明顯肉眼可見的裂口，其他細(xì)微的裂縫無(wú)法通過(guò)肉眼辨別，只能通過(guò)打壓的方式排查。

圖1 表冷器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 凍損產(chǎn)生機(jī)理研究

在對(duì)凍裂的表冷器檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)總體呈現(xiàn)設(shè)備經(jīng)歷的冬季次數(shù)越多，其損壞比例越高的規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)集中在彎頭及銅管的焊接接口部位，部分彎頭已出現(xiàn)明顯的裂口。經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量，部分未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的彎頭的外徑尺寸也明顯增大。經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)凍裂的盤管彎頭材質(zhì)取樣進(jìn)行了金相分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示銅彎頭材質(zhì)及力學(xué)性能合格。如表1～表3所示，金相分析如圖3、圖4所示。

表1 凍傷彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 庫(kù)存彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果

表3 庫(kù)存銅管力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表冷器銅管內(nèi)介質(zhì)為水，水是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0 ℃結(jié)冰。冰的密度大約為917 kg/m3，水在4～0 ℃，隨溫度的下降，密度逐漸減小，體積增大，在0 ℃凝結(jié)成冰，水結(jié)冰的時(shí)候，體積大約有9%的膨脹，冰的膨脹系數(shù)隨溫度的降低而減小，在0 ℃時(shí)是2.76×10-4，在-20 ℃時(shí)是1.43×10-4，隨著溫度進(jìn)一步降低，冰的體積將會(huì)輕微的膨脹[1-2]。

圖3 凍傷彎頭截面金相形貌

圖4 庫(kù)存彎頭截面金相形貌

銅管符合GB/T17791的規(guī)定，在擴(kuò)口率達(dá)40%時(shí)仍不會(huì)出現(xiàn)肉眼可見的裂紋，擴(kuò)口率計(jì)算公式為：

式中Xd——擴(kuò)口率；

Du——銅管擴(kuò)口后的最大外徑，mm；D——銅管的原始外徑，mm。

假設(shè)銅管膨脹后軸向尺寸不變，只是徑向尺寸的變大和壁厚變薄，在擴(kuò)口率達(dá)40%時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知銅管內(nèi)的容積將增加96%，所以理論上，如果銅管內(nèi)容積膨脹低于96%，管壁是不應(yīng)產(chǎn)生裂紋的。表冷器銅管的直管段與銅翅片是采用機(jī)械漲接工藝?yán)喂痰剡B接在一起的，以利于減小熱阻，增強(qiáng)傳熱效果，所以銅管直管段的膨脹在徑向受到了很大的阻力，當(dāng)靠近銅管內(nèi)壁的水先結(jié)冰膨脹后，銅管中心處的水將向兩側(cè)移動(dòng)，將冰的膨脹力作用在直管段兩側(cè)的彎頭處，如圖5所示，最終與彎頭處的水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力相疊加，使彎頭膨脹，當(dāng)膨脹達(dá)到一定程度，彎頭的薄弱部位首先產(chǎn)生裂紋。我們注意到，如果表冷器直管段的長(zhǎng)度比較短，則彎頭內(nèi)的容積膨脹可能低于96%，所以材質(zhì)符合要求且焊接質(zhì)量良好的盤管在積水初次凍結(jié)時(shí)可能不會(huì)產(chǎn)生裂縫，只是表現(xiàn)為彎頭外徑的脹大，而在多次的反復(fù)凍結(jié)，即銅管在經(jīng)歷了水的“凍結(jié)—解凍—凍結(jié)—解凍……”往復(fù)過(guò)程后，銅管終會(huì)脹裂。

圖5 水在直管段中的膨脹力作用方向

1.3 凍損成因分析

1.3.1 設(shè)計(jì)階段成因分析

表冷器的采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書中對(duì)銅管內(nèi)水流速、水阻力、盤管迎風(fēng)面風(fēng)速、進(jìn)出水溫度、尺寸和重量都作了明確的規(guī)定，同時(shí)要求表冷器應(yīng)能靠重力排空管內(nèi)積水。為了達(dá)到要求的換熱量，大部分尤其是大換熱量的表冷器只能按照復(fù)雜的倒U型進(jìn)行管程布置（圖1），導(dǎo)致無(wú)法僅依靠重力使銅管內(nèi)積水全部排空。

1.3.2 制造階段成因分析

制造階段在保證銅管材質(zhì)及盤管裝配、焊接合格的前提下，主要促成因素是在出廠試驗(yàn)階段，在國(guó)標(biāo)GB/T14296中規(guī)定空氣換熱器的耐壓及密封性可用液壓試驗(yàn)或者氣壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而設(shè)備技術(shù)規(guī)格書則要求每臺(tái)表冷器在出廠前2種試驗(yàn)均要做。正是水壓試驗(yàn)階段向盤管內(nèi)充水，試驗(yàn)后存水未能排盡，表冷器未做徹底干燥，才給銅管的凍裂創(chuàng)造了條件。

1.3.3 倉(cāng)儲(chǔ)階段成因分析

表冷器是放置在木托板上存放在無(wú)溫度調(diào)控措施的室內(nèi)倉(cāng)庫(kù)，在冬季庫(kù)內(nèi)氣溫經(jīng)常低于0 ℃。如表冷器在入庫(kù)前未能完全干燥，在嚴(yán)寒的冬季銅管存在凍損的可能性。

另外紫銅管在潮濕環(huán)境中會(huì)因供氧差異和電偶的聯(lián)合作用出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[3]。表冷器出廠時(shí)附帶的進(jìn)出水法蘭盲板在設(shè)備到貨開箱檢查時(shí)被拆去或回裝后未擰緊，將導(dǎo)致潮濕空氣進(jìn)入表冷器內(nèi)部，長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕作用也在一定程度上對(duì)銅管的凍損創(chuàng)造了條件。

1.3.4 調(diào)試運(yùn)行階段成因分析

表冷器在系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行階段需要通水試驗(yàn)，這將是表冷器銅管內(nèi)存水的又一個(gè)重要來(lái)源，如果在冬期調(diào)試而廠房?jī)?nèi)沒有輔助加熱設(shè)施。調(diào)試結(jié)束后表冷器均處于滿水狀態(tài)，極易凍裂銅管，特別是排數(shù)多、直管段長(zhǎng)的表冷器，可能在一個(gè)寒冷的夜晚過(guò)后就出現(xiàn)凍損，在調(diào)試階段主要影響因素總結(jié)為如下幾個(gè)方面：

（1）由于操作人員的疏忽，未打開排水閥，或者打開排水閥后因積水不能自行全部排空，未采取強(qiáng)制排水措施；

（2）由于上游水路閥門未關(guān)緊或存在閥門內(nèi)漏，導(dǎo)致有水進(jìn)入已排空的表冷器內(nèi)；

（3）由于鍋爐、電加熱器等供暖設(shè)施的臨時(shí)故障而停止供暖，操作人員未及時(shí)對(duì)表冷器排水。

2 表冷器防凍建議措施

2.1 設(shè)計(jì)階段防凍措施

對(duì)于全年運(yùn)行的表冷器，可考慮為其增加電伴熱防凍裝置，將一組管狀電加熱元件插入肋片空擋中，與基管平行，當(dāng)表冷器的溫度降至接近0 ℃時(shí)，由溫度傳感器發(fā)送信號(hào)至溫度控制器，令電加熱器通電，使表冷器的溫度維持于0 ℃以上，達(dá)到防凍保護(hù)的目的。當(dāng)溫度高于0 ℃以上某一設(shè)定溫度時(shí)，電加熱器就會(huì)自動(dòng)斷電停止供熱。但布置電加熱元件過(guò)多，會(huì)降低表冷器供冷量并增加設(shè)備制造成本及運(yùn)行成本。

2.2 制造階段防凍措施

因?yàn)楸砝淦髟诔鰪S試驗(yàn)階段需要依次進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)。氣壓試驗(yàn)對(duì)管路的密封性進(jìn)行了驗(yàn)證，水壓試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的耐壓變形能力進(jìn)行驗(yàn)證，考慮到表冷器的結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境、設(shè)計(jì)壓力均相同，所以可通過(guò)選定1臺(tái)樣機(jī)先后進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)，其他表冷器不做水壓試驗(yàn)，只進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，這樣可確保除樣機(jī)外的表冷器在出廠時(shí)管路系統(tǒng)內(nèi)部的干燥，這將大大降低銅管被凍裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 倉(cāng)儲(chǔ)階段防凍措施

設(shè)備的到貨檢驗(yàn)應(yīng)包括干燥性檢查。檢查設(shè)備包裝箱內(nèi)是否放置有干燥劑，打開進(jìn)出水匯集管口的法蘭密封蓋，檢查管內(nèi)是否有積水。

表冷器在儲(chǔ)存期間宜存放在室溫高于5 ℃的庫(kù)房，且存儲(chǔ)期間表冷器進(jìn)出口法蘭要密封，倉(cāng)庫(kù)人員定期巡視。夏季要保持庫(kù)房通風(fēng)良好。

2.4 安裝及調(diào)試運(yùn)行階段防凍措施

在設(shè)備安裝前，施工人員應(yīng)對(duì)設(shè)備的完整性預(yù)先檢查，在搬運(yùn)或吊裝過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)有水珠滴趟時(shí)，應(yīng)該格外注意，必要時(shí)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)打壓檢漏程序。

在表冷器進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段后，表冷器所在房間應(yīng)設(shè)置電加熱器或水暖片等輔助加熱裝置，使房間溫度維持在5 ℃以上，或者使水系統(tǒng)管內(nèi)的水晝夜維持流動(dòng)狀態(tài)（流速不低于0.15 m/s）。

表冷器通水試驗(yàn)時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查是否有水泄漏，彎頭及焊點(diǎn)部位要全檢。在調(diào)試結(jié)束或冬季運(yùn)行期間需要長(zhǎng)時(shí)間停用設(shè)備時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)表冷器進(jìn)行排水操作，對(duì)無(wú)法自行排空存水的表冷器執(zhí)行強(qiáng)制排水吹掃工序，具體操作步驟如下：

（1）打開排氣閥和排水閥，使盤管內(nèi)的水流出；

（2）待排水閥無(wú)水流出時(shí)，關(guān)閉排氣閥；

（3）在設(shè)備的出水法蘭上對(duì)接一個(gè)帶管口的盲板法蘭，連接壓縮空氣管至盲板法蘭的管口；

（4）用壓力不小于0.6 MPa的壓縮空氣進(jìn)行吹掃，待排水閥沒有水明顯流出時(shí)，關(guān)閉排水閥；

（5）間隔至少5 m in后，采用1.0～1.2 MPa的壓縮空氣進(jìn)行打壓，并保壓至少2 m in，然后打開排水閥放出水汽，待沒有明顯水汽排出后，關(guān)閉排水閥；

（6）重復(fù)上述步驟（5），直至排水閥沒有水汽噴出。

3 結(jié)語(yǔ)

在北方寒冷地區(qū)空調(diào)工程中表冷器的防凍是一個(gè)普遍的難題，給用戶造成了不小的損失，在了解銅管凍裂機(jī)理的基礎(chǔ)上可以有針對(duì)性地進(jìn)行表冷器的設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過(guò)借鑒已有的防凍經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備的制造、倉(cāng)儲(chǔ)、安裝及調(diào)試運(yùn)行各階段采取相應(yīng)的防凍措施可以減少甚至避免表冷器凍損事故的發(fā)生。同時(shí)進(jìn)一步探索適用于寒冷地區(qū)的免維護(hù)表冷器具有很好的實(shí)際意義。

[1] 張賢.淺談?chuàng)Q熱器的防凍及其加工[J].建筑節(jié)能，2010（1）

[2] S.J.La Placa,B.Post.Therm al expansion o f ice[J].Acta Crystallogra phica,1960，13（6）

[3] 王長(zhǎng)罡，鄧為民，趙廣宇，等.換熱器T2紫銅管在潮濕狀態(tài)下的腐蝕機(jī)理研究[J].金屬學(xué)，2012（7）

[1] 劉宗源.大型表冷器的電熱防凍保護(hù)[A].全國(guó)暖通空調(diào)制冷2000年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2000