浅谈工业生产电制冷机组COP改善

李晓翠,李元均,刘依阳,汪华聪

摘要  空调-制冷设备是工业工厂生产过程中必不可少的生产设备，尤其在烟草、食品等对产品工艺要求较高的制造工厂中，空调-制冷设备运行的状态将直接影响到产品的工艺生产质量。为保证卷包、制丝的生产制造条件，卷烟厂动力车间便负责控制卷包空调、制丝空调的温湿度等各项参数，使其达到相关生产作业要求，而其中的制冷机则是保障空调运行效果的核心设备。电制冷机的制冷性能时常随着运行时长的增加而下降，能耗也较之前上升，所以制冷机组能效的指标COP值，需尽可能提高，保持在目标值以上，越高越好。

关键词   制冷机组   cop   机组效率

一、前言

卷烟厂动力车间制冷系统由冷却塔，冷却水泵、冷冻水泵，制冷机组等部分组成，其中制冷机组就是制造提供冷源的核心设备。

COP(Coefficient Of Performance),即能量与热量之间的转换比率，制冷机组的COP指的是制冷机制冷量与消耗的电功率比值。其计算公式为其计算公式为 ：COP=Q0/Ne=Q0/N0•ηs。

（Q0:制冷系统制冷量；Ne:轴功率；N0:制冷机的理论功率 ；ηs：绝热效率）

笔者查据往年数据，发现目前在用的电制冷机组，COP全年波动范围为5.4—13.3，平均保持在7.3。

二、问题的提出

1.制冷机工作情况

为充分了解制冷机COP下降的现象，笔者从制冷机工作原理入手，对制冷流程中的各项参数进行了调查记录。

一台制冷机分为两套系统，分别是蒸发器和冷凝器，蒸发器中流经冷冻水，冷冻水主要通过制冷剂的蒸发吸热来实现降温，达到7~12℃的要求后供给空调使用的；而冷凝器中流经冷却水，冷却水主要用于给在蒸发器中吸热汽化的制冷剂冷却降温，使其冷凝回液态再次循环回蒸发器中使用。冷却水温与环境气温相近，一般在18 到29℃间，而制冷剂的冷凝温度则通过压力设定，控制制冷剂的冷凝温度，保证吸放热效果。

根据制冷机工作原理可知，蒸发器和冷凝器内两套水系统的各项数据是保障机组良好运行的关键，如果数据超出正常范围，会增大运行负荷以保证制冷效果。因此，笔者聚焦机组内两套水系统的数据和相关参数进行了下一步调查。

2.蒸发器、冷凝器情况分析

（1）蒸发器情况分析

首先对蒸发器内冷冻水系统进行了数据检测，并同操作规程上的要求进行对比分析，根据操作规程中技术要求相关规定，蒸发器内冷冻水出水温度及压力均控制在要求范围内，制冷剂蒸发温度也稳定在5.5℃，蒸发器内各项参数均在正常范围，运行状况良好。

（2）冷凝器内部情况

综合“逆卡诺循环的制冷原理”、“国家标准 GB50736-2012 (2012 年版实施) 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范－条文说明》第 8.6.4 条”以及“美国空调制冷学会 (ARI)的 1997 导则”等原理标准可知：冷水机组的运行效率受蒸发温度和冷凝温度的影响，蒸发温度一定时，冷凝温度越高，其运行效率越差。

由冷凝温度引出的另一行业内概念是“冷凝器端差”，即“换热温差”，它是指冷凝器里的“制冷剂饱和冷凝温度”与“冷却水出水温度”之间的差值，不同于“进出水温差”，“换热温差”排除了水流量，气温影响等因素，更直观的反映制冷机的换热效率，一般规律为：冷凝器内制冷剂的冷凝温度应保持与出口冷却水温1到2℃的差值，换热端差大，表示换热器的换热效率下降了，冷机的能耗会大大增加，制冷机组COP自然也降低。

三、问题的分析

通过调查，发现冷凝器换热温差大是制冷机组COP降低最主要的原因。因此，笔者针对主要原因开展研究，找到了影响因素。

1.制冷机冷量损失。冷冻水管道做保温处理是必要措施，但是由于长时间使用或因其它原因导致出现保温层断裂、密封不严等情况就会导致水管温度局部上升，造成冷量损失。

2.制冷剂量。制冷剂在制冷机系统中于冷凝器-蒸发器中进行放热-吸热工作循环，若是制冷剂剂量不足，则冷凝器内单位换热量下降，换热端差将上升，进一步导致压缩机工作压力、电流等低于正常值，最终降低工作效率。

3.冷却塔。冷却塔的运行数量可以直接影响冷却水温度，进而影响冷冻水同冷媒的换热效率。

4.冷却水进水压力。冷却塔作为辅助制冷机进行降温的设备，用水作为循环冷却剂，从系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温。若是制冷机上冷却水进水压力不足，说明参与制冷循环的冷却水量不足，就会导致塔式换热器降温效率降低，进而影响制冷机内部冷媒和冷冻水的换热效率差，降低COP，降低制冷机工作效率。

5.冷却水过滤器。由于制冷机使用的是位于楼顶的开放式冷却塔，在冷却水的吸热-放热循环过程中，容易因水质、室外空气中的污染物、冷却水的蒸发浓缩等因素，导致冷却水产生并积累大量的水垢及杂质进入制冷机循环系统。因此，在冷却塔中进行过降温的冷却水进入冷凝器前，会通过过滤器进行物理过滤，以保证进入冷凝器铜管的水质清洁。若过滤器发生堵塞，会导致进入冷凝器铜管的水量减少，换热量达不到理想值，从而影响冷凝器换热温差，降低冷凝器的换热效率。

6.制冷机内有不凝性气体。当机组内制冷剂冷却管路中混入不凝性气体，如水蒸气、空气时，压缩机吸排气压力升高，流量减小，且冷凝器入口处温度会显著升高，从而导致制冷量减少，冷凝温度上升，COP下降，严重时，还会腐蚀设备，造成更严重的损害。

7.冷凝器换热铜管结垢。尽管冷却水系统采取了物理过滤的水处理方法，但由于笔者所在地区风尘更大、微生物结垢、水质PH值等因素，冷凝器换热铜管的内壁仍会出现结垢现象。根据下面调查统计图，不同污垢种类产生的污垢热阻也不同，生物污垢的传热效率比普通水垢更差，与良导体——铜管相比，导热率甚至相差300倍以上。

此外，根据笔者调查，导热性能不同的换热管受污垢影响的程度也不同，越是传热性能好的换热管道，污垢热阻对其传热性能的影响也越显著。因此，笔者打开冷凝器，查看是否是换热铜管内壁污垢附着导致的换热效率降低。

通过现场检查，笔者确认换热铜管内壁确有污泥附着，于是制定了相应实验方案，先对冷凝器铜管进行人工清洗，以清洗日期为起始日期进行监测记录，测量污垢厚度、计算冷却水进出水温差，以及换热温差，进一步判断换热铜管结垢是否是增大冷凝器换热温差的要因。

随着清洗后投入使用时间的增长，铜管内壁污垢逐渐增厚，冷却水经铜管换热后的温差越来越小，换热温差逐渐上升，在45天内，与清洁状态下的数值相比，增幅达到74%。

四、改进措施

解决“冷凝器换热温差”问题的核心在于冷凝器换热铜管结垢，通过增设冷凝器自动清洗装置，实现对电制冷机冷凝器铜管进行自动实时清洗。

五、措施实施

1.确定回球单元安装位置。排净管道内存水；注意管路上的蝶阀应在回球单元后方，并相距大于20cm，如果位置不足则需把蝶阀后移；气割并拆除此段冷却水回水管。

2.回球单元安装。回球单元两边连接对接法兰，注意保持密封垫状态良好；预定位，确认水流方向正确，吊装到安装的位置，调整好手孔、出球口的方位，然后点焊固定；精细作业，采用手工电弧焊，焊缝应全焊透，完成回球单元安装焊接。

3.发球机安装。根据附图浇筑发球机基础并安装发球机，进行管路配管焊接，一路连接回球口与捕球器，另一路连接发球口到冷凝器前冷却水管入口，安装蝶阀、软接等。

4.水压试验。管内焊渣冲洗、移除焊渣。松开发球机上的排气阀；主管路通水，缓慢打开收发球管路上的蝶阀至 1/3 开度，直到发球机中空气排完，然后拧紧排气阀；新装管线进行水压试验，之后补涂油漆。

5.清洁状态初始化。关闭冷却水管进出口阀门，排空冷凝器中的水，打开换热器的封头并清理封头内表面和端板上的附着物；检查换热管内清洁状态，第一步，目测，露出金属色；第二步：用强光照射，另一端观察，无异物残留；第三步，用内窥镜看，铜管内螺纹清洗可见，线条分明，无明显污垢物依附，对照 以下“OK”与“NG”照片；根据冷水机组的清洁情况确定是否化学清洗与机械捅炮，若需要化学清洗，按照如图流程清洗冷凝器。

   

六、应用效果

对电制冷机冷凝器自动清洗装置进行研究安装，降低人工清洗对设备的磨损，实现了电制冷机的自动清洗功能，保障制冷机组COP在达到8.2以上，提高了制冷机运行效率。

参考文献

.刘莹,郑贤德,许新明.冷水机组部分负荷性能分析[J].制冷.2000,(4).63-67.

2.董天禄.离心式和螺杆式制冷机组发展综述[J].制冷技术.2001,(4).

3. 李新禹,金星,陈杰. 制约离心式制冷机组COP值的参数分析[J]. 土木建筑与环境工程,2009,31(1):103-109. DOI:10.3969/j.issn.1674-4764.2009.01.020.