地表水热泵系统热泵机组换热器清洗方式的实验分析

摘要：分别对光管换热器热泵机组和高效管换热器热泵机组进行了橡胶绵球和尼龙刷清洗实验,根据实验得到的热泵机组的各种性能参数,结合实验过程中出现的各种问题,对不同清洗方式进行了分析比较。

0引言

地表水热泵系统水源的利用方式一般有两种一种为间接式,地表水不直接进入热泵机组的冷凝器或蒸发器,而是中间设换热器;另一种为直接式 地表水经过滤后直接进入热泵机组的冷凝器或蒸 发器,此种方式需对热泵机组的冷凝器或蒸发器进 行定期或不定期的清洗,清洗方式及清洗效果直接 影响着热泵机组的工作效率,甚至影响整个系统的运行可靠性,选择适合的清洗方式对直接式地表水热泵系统尤为重要。为此,笔者所在单位在南方某市江边建立了实验台,设置了1台高效管换热器热 泵机组和1台光管换热器热泵机组,2台均为满液 式热泵机组,针对2台热泵机组的冷凝器和蒸发器,分别用橡胶绵球清洗和尼龙刷清洗两种清洗方 式进行了实际运行的清洗实验,笔者根据实验得到的热泵机组的各种性能参数对两种清洗方式进行比较分析,供同行参考。

1橡胶绵球清洗系统简介

1.1橡胶绵球清洗系统构成

橡胶绵球清洗系统由主机、电控中心、回收器、 注入水泵、回收水泵及滤隔器6部分组成,如图1 所示。

1.2橡胶绵球清洗系统工作原理

通过程序设定,橡胶绵球清洗系统每40min 运行一次,对机组换热器铜管内壁进行清洗。球的 材质为耐磨橡胶海绵,通常球的直径比换热器铜管 内径大0.5mm。小球充水后的密度与水接近,以 便球能均匀地通过被清洗管道。橡胶绵球通过水 流的作用,以挤压的形式流过铜管,从而达到防垢 的目的。橡胶绵球清洗过程分两个循环进行:一是 球注入循环,注入水泵开启,绵球由回收器随水流 随机进入机组换热器中进行清洗;二是球回收循 环,回收水泵开启,绵球由滤隔器随水流回收至回 收器内,等待下一次清洗。

1.3橡胶绵球参数

绵球数量:按照机组铜管数量的30%左右选 取;绵球直径:23mm。

2尼龙刷清洗系统简介

2.1尼龙刷清洗系统构成

尼龙刷清洗系统由四通换向阀、控制系统、尼 龙刷和刷笼组成。

2.2尼龙刷清洗系统工作原理

系统正常运行时,四通换向阀未动作,水系统 正常流动,尼龙刷位于一端的刷笼内;系统进行清 洗时,控制面板发出信号,四通换向阀动作,水流逆 向流动,刷笼内的尼龙刷顺水流呈螺旋状啮合内螺 纹凹槽旋转前进,进行清洗,直至进入另一端的刷 笼内。停顿25~30s后,四通换向阀复位,尼龙刷 随水流回到初始位置的刷笼内,等待下一次清洗信 号。清洗间隔为30min,每次清洗时间为30s,系 统所需配电电压为110V,另需压缩空气为四通换 向阀提供换向动力。系统工作原理示意图见图2。

2.3尼龙刷参数

尼龙刷数量:按照机组铜管数量配置,每一根铜管配置1个尼龙刷和2个刷笼。 光管换热器热泵机组:蒸发器尼龙刷刷头直径 17.958mm,刷毛直径23.368mm;冷凝器尼龙刷 刷头直径17.958mm,刷毛直径22.225mm。

高效管换热器热泵机组:蒸发器和冷凝器尼龙 刷相同,刷头直径17.958mm,刷毛直径22.225 mm。

刷笼:光管换热器热泵机组和高效管换热器热 泵机组所用刷笼相同,刷笼总长度81.434mm,其 中进入铜管末端扩口处的安装长度为18.823 mm,外径23.393mm;位于水室端盖内的拦截部 分长度为62.611mm,外径25.197mm。

3热泵机组各种性能参数的确定

3.1换热器温差确定

在换热器温差计算中涉及到算术平均温差和 对数平均温差,分别用式(1),(2)计算。

式(1),(2)中Δt为算术平均温差;Δtmax为最大换 热温差;Δtmin为最小换热温差;Δtm为对数平均温差。 在传热过程中,冷热流体的温差沿加热面是连 续变化的,但由于此温差与冷热流体的温度呈线性 关系,故可用对数平均温差来表示,因此本文选取 对数平均温差作为计算温差。

3.2热泵机组的制热量、制冷量及功率确定 实验的热泵机组的换热器为交叉流换热器 (crossflowheatexchanger),其换热量可由传热&n

bsp;方程(式(3))和热平衡方程(式(4))计算。

Q=KAΔtm(3)

Q=Gc(t′-t″)(4)

式(3),(4)中Q为总换热量,kW;K为传热系 数,kW/(m2·℃);A为换热面积,m2;G为流量, kg/s;c为比热容,kJ/(kg·℃);t′,t″分别为换热器 进出口温度,℃。

实验中需要计算传热系数,其中流量G可以 通过电磁流量计进行测量;江水的比热容c取为 4.1868kJ/(kg·℃)。

计算制热量Qc时采用冷凝器侧流量Gc,计算 制冷量Qv时采用蒸发器侧流量Gv,系统所做的功 (即机组的功率P)根据制热量与制冷量的差值得出,即P=Qc-Qv。

3.3性能系数COP及传热系数的计算 制热性能系数COPc和制冷性能系数COP 分别用式(4),(5)计算。

4实验方法

4.1橡胶绵球清洗系统实验方法

2台热泵机组的蒸发器对应一套橡胶绵球清 洗系统,冷凝器对应另一套橡胶绵球清洗系统,实 验分别测试高效管换热器热泵机组和光管换热器 热泵机组的橡胶绵球清洗效果,单台热泵机组开启 后,两套清洗系统均投入工作,分别对热泵机组的 冷凝器和蒸发器进行清洗。清洗流程如图3所示。

图3橡胶绵球清洗流程示意图

4.2尼龙刷清洗系统实验方法

2台热泵机组的蒸发器和冷凝器分别安装尼 龙刷和刷笼,2台热泵机组共用2个四通换向阀。

5实验过程

先对光管换热器热泵机组进行测试,然后对高 效管换热器热泵机组进行测试,测试过程均为:机 组无清洗运行———橡胶绵球清洗运行———尼龙刷 清洗运行。

6实验数据分析

6.1光管换热器热泵机组实验数据分析

图4,5分别为光管换热器热泵机组在不同状 态下的换热器传热系数和制冷COP值对比。可以 看出,在橡胶绵球清洗状态下,机组的换热器传热 系数和制冷COP值与无清洗时相比基本相同甚至 略低;在尼龙刷清洗状态下,机组的换热器传热系 数和制冷COP值与机组无清洗时相比略高。

6.2高效管换热器热泵机组实验数据分析

图6,7分别为高效管换热器热泵机组在不同状态下的换热器传热系数和制冷COP值对比。可 以看出,在橡胶绵球清洗状态下,机组的换热器传 热系数和制冷COP值与无清洗时相比都偏低;在 尼龙刷清洗状态下,机组的换热器传热系数和制冷 COP值与无清洗时相比都偏高。

7橡胶绵球清洗系统实验过程中出现的问题及分析

7.1出现的问题

7.1.1清洗概率问题

橡胶绵球清洗系统的清洗概率随机性很大,一 般放球数量为铜管数量的30%左右,铜管清洗概 率很小。本次测试中,蒸发器铜管的数量为91根 共放入30个清洗球,每20min清洗一次。假定每 次清洗时球都流过不同的铜管,则球完成一次完整 的铜管清洗所需的最短时间为60min,即单根铜 管得到清洗的最短时间间隔概率为每h一次。

7.1.2橡胶绵球堵塞问题

此次实验中,测试高效管换热器热泵机组与光 管换热器热泵机组时均发生了橡胶绵球堵塞问题 具体情况见表1(蒸发器侧、冷凝器侧各投入橡胶 绵球30个)。

橡胶绵球堵塞在铜管内,使水流不能通过该铜 管,机组换热效果受到影响,进而影响机组的综合 性能;同时,一旦发生橡胶绵球堵塞的现象,绵球回 收数量不能保证,使其余铜管被清洗到的概率大幅 降低,清洗效果受到影响,造成机组效率下降。主 要原因如下:

1)热泵机组铜管内径为22mm,螺纹高0.3 mm,橡胶绵球直径为23mm,比铜管内径大 mm,球径选择略大(常规选择方式为橡胶绵球直 径比铜管内径大0.5mm),使橡胶绵球通过铜管 时阻力增加,发生堵塞现象。

2)热泵机组蒸发器内换热铜管内径(22mm 较常规换热管内径(18mm)大,致使水流速较慢 绵球通过铜管的动力不足,使得橡胶绵球不能正常 通过铜管,造成堵塞。

7.1.3橡胶绵球密度问题

橡胶绵球充水后的密度应与水接近,在运行中 应悬浮在水的中央。由于江水水质

一年四季是变 化的,且泥砂含量不同,很难保证充水后的橡胶绵 球密度与江水相同。实验中发现橡胶绵球在最初 投入时全部浮在水表面,运行一段时间后,由于江 水中的泥砂嵌入橡胶绵球细孔内,使橡胶绵球全部 沉于回收器最底端。无论橡胶绵球是浮在水面上 还是沉在水底,由于不能悬浮在水中,在清洗时不容易保证每根铜管得到均匀的清洗机会。

7.2橡胶绵球清洗系统实验过程分析

橡胶绵球在清洗光管换热器热泵机组时,清洗 效果如图8所示。可以明显看出,在热泵机组换热 器内壁光滑的情况下,橡胶绵球清洗效果较好。

橡胶绵球在清洗高效管换热器热泵机组时,清 洗初期,橡胶绵球磨损度小,高效管凹槽底部沉积 的污垢不能得到彻底清洗;清洗中后期,橡胶绵球 磨损度大,球径变小,高效管凹槽处得不到清洗的 污垢更多。如图9所示。

由以上的分析可以得出,橡胶绵球对高效管换 热器的清洗效果不好,在不堵塞的情况下对光管换 热器的清洗效果较好。

8尼龙刷清洗系统实验过程中出现的问题及分析

8.1出现的问题

8.1.1少量尼龙刷未参与清洗

在高效管换热器热泵机组进行尼龙刷清洗后, 打开机组端盖检查尼龙刷回收情况,冷负荷凝器进 水侧共有71根铜管,有3个尼龙刷没有回到铜管 另一侧的刷笼中,而冷凝器出水侧共有58根铜管, 尼龙刷全部回到刷笼中;蒸发器进水侧共有68根 铜管,有13个尼龙刷没有回到铜管另一侧的刷笼 中,而蒸发器出水侧共有91根铜管,有35个尼龙 刷没有回到铜管另一侧的刷笼中。

从以上对比可以看出,由于冷凝器进水侧铜管 多,出水侧铜管少,而进出水总流量相同,因此出水 侧铜管内流速必然大,水流推动力大,使尼龙刷全 部回到刷笼内;进水侧铜管内流速小,导致部分尼 龙刷没有回到刷笼。蒸发器的情况与此相同。 冷凝器内的尼龙刷回到刷笼的比例比蒸发器内大,主要原因是蒸发器水路进出口温差为6 ℃,冷凝器水路进出口温差为5℃,而冷凝排热 量又大于蒸发吸热量,从而导致蒸发器内流量 小,为160m3/h,冷凝器内流量大,为225m3/h。 蒸发器内由于流量小,铜管内水流速度小,没有 足够的推力推动尼龙刷运动,致使回到刷笼的尼 龙刷较少。

出现尼龙刷不能完全回到刷笼现象的主要原 因是热泵机组换热器内换热铜管内径较大,水压降 较小(测试机组水压降蒸发器侧为20kPa,冷凝器 侧为80kPa,而常规机组蒸发器、冷凝器侧水压降 分别为60kPa,90kPa),水流速较小,驱动尼龙刷 的动力不足。

8.1.2四通换向阀换向时水流反向造成机组瞬间 性能下降

由于尼龙刷清洗过程中,四通换向阀换向使水 流反向流动,机组冷凝器与蒸发器进出水出现混 水,导致机组在清洗时出现跳点,使热泵机组瞬时 制冷量和COP下降(时间间隔为30s)。因此图 4~7中尼龙刷清洗的所有技术参数曲线均呈锯齿 状。

8.2尼龙刷清洗系统实验过程分析

由以上的分析可以看出,尼龙刷对光管换热器 热泵机组的清洗效果一般,对高效管换热器热泵机 组的清洗效果较好。应减小热泵机组换热器内换 热铜管的内径,增大铜管内水流速,保证尼龙刷能 全部回到刷笼内,进一步提高清洗效果。

9橡胶绵球清洗系统与尼龙刷清洗系统对比分析

9.1清洗效果对比

从采集数据和机组换热器的结构上分析,高效 管换热器热泵机组适合采用尼龙刷清洗系统,光管 换热器热泵机组适合采用橡胶绵球清洗系统。

9.2清洗概率对比

尼龙刷清洗系统的尼龙刷是一对一设计,即1 根铜管对应1个尼龙刷和2个刷笼,保证了换热器 每根铜管内壁都能得到清洗。

橡胶绵球清洗系统的清洗概率随机性很大,一 般放球数量为铜管数量的30%左右,铜管清洗概 率低,特别是当橡胶绵球充水后的密度与江水不同 时,短时间内不能清洗到机组内每一根铜管。因此 不能保证每根铜管在短时间内都得到清洗。

9.3安装空间对比

橡胶绵球清洗系统需要在机房内开辟额外的空间,占地面积大,管路布置复杂。尼龙刷清洗系 统几乎不占用任何外部机房空间,四通换向阀安装位置灵活,可随管路的走向随意放置,系统简单、便捷。

9.4清洗动力要求

对比

尼龙刷清洗系统的电源电压为110V,同时需 要另配压缩空气管道用以驱动四通换向阀。橡胶 绵球清洗系统的电源电压为380V,用电量为4.kW。

9.5运行维护对比

尼龙刷清洗系统中尼龙刷的更换需要在机组 停机的前提下打开机组端盖进行,维修工作量较大。

橡胶绵球清洗系统由于本身存在小球回收装 置,橡胶绵球的更换可在回收装置中进行,维修工作量较小。

9.6保养成本对比

尼龙刷清洗系统的尼龙刷采用特殊的尼龙材 质刷毛配合纯钛绞丝制成,在每天24h不间断运 行的情况下,尼龙刷的使用寿命为5a,5a内无需 更换任何尼龙刷。阀门和刷笼的设计使用寿命为 20a。系统运行保养的成本较低。

橡胶绵球清洗系统由于小球采用橡胶材质,通过外力挤压的形式清洗铜管,故通常每个月要采集 样本对橡胶绵球外径进行测量,以确定是否需要更换绵球,程序比较复杂。橡胶绵球的售价约为1 元/个,系统运行的保养成本较高。

10结语

本文就实验过程中采集到的数据及出现的一 些问题进行了分析,难免存在不足,供同行参考,共同探讨。

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