多臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)管道布置探討

王申英，閆傳強(qiáng)

（1.山東省魯商冰輪建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.聯(lián)化科技（德州）有限公司，山東 德州 253100）

1 前言

蒸發(fā)式冷凝器作為一種高效的換熱設(shè)備，因其一次性投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、布置緊湊等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。大多數(shù)蒸發(fā)式冷凝器采用管程數(shù)較多的蛇形盤(pán)管設(shè)計(jì)，高溫高壓的過(guò)熱蒸汽通過(guò)盤(pán)管并在盤(pán)管內(nèi)進(jìn)行冷凝，變成飽和液體。這種較長(zhǎng)的流程通常會(huì)產(chǎn)生壓降，會(huì)給整個(gè)制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)較大的影響。因此，對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的管道設(shè)置及安裝，有著特殊的要求。

較大型號(hào)的蒸發(fā)式冷凝器，具有多組蛇形盤(pán)管。多臺(tái)較大型號(hào)的蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)使用時(shí)，為了獲得最大的排熱量，為了確保制冷系統(tǒng)在各種負(fù)荷和工作環(huán)境下都能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器的管路進(jìn)行合理的布置和選型計(jì)算。

2 并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器管道設(shè)置

2.1 進(jìn)氣管道設(shè)置

高溫高壓的過(guò)熱制冷劑蒸汽通過(guò)蒸發(fā)式冷凝器冷凝后，飽和液體是在重力的作用下自由流入貯液器。在工程實(shí)際中，蒸發(fā)式冷凝器一般布置于制冷機(jī)房對(duì)應(yīng)的屋面上（當(dāng)建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)形式時(shí)，也可布置在制冷機(jī)房附近單獨(dú)建造的蒸發(fā)冷平臺(tái)上）。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，壓縮機(jī)的排氣管應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)配置，使制冷劑蒸汽盡量均勻地進(jìn)入每臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器。多臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的多組盤(pán)管是相對(duì)獨(dú)立的并聯(lián)運(yùn)行的換熱單元，因此，每組盤(pán)管進(jìn)出口都應(yīng)設(shè)置檢修閥門(mén)，應(yīng)在每組盤(pán)管上設(shè)置一個(gè)安全閥、一個(gè)壓力表，在盤(pán)管進(jìn)氣最高處設(shè)置一個(gè)放空閥，此處放空閥為系統(tǒng)停機(jī)時(shí)放空使用；另外，還需在每組盤(pán)管的出液管水平管段上設(shè)置一個(gè)放空閥組，將系統(tǒng)的不凝性氣體接至自動(dòng)空氣分離器，放空閥組為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用。管道及閥門(mén)儀表的布置如圖1所示。

圖1 兩臺(tái)三組盤(pán)管的蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)管路布置

2.2 排液管道設(shè)置

多臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)使用，最重要的是蒸發(fā)式冷凝器到貯液器之間的排液管道配置，當(dāng)使用多臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器或有多個(gè)平行換熱盤(pán)管時(shí)，為了保證相互之間的壓力平衡、保證制冷系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行以取得最佳的制冷效果，應(yīng)在每個(gè)出液管上都設(shè)置存液彎，并且存液彎上面的垂直段必需有足夠的高度。存液彎及其上面垂直段的主要作用是平衡各組蛇形換熱盤(pán)管之間的出口壓力，使各組盤(pán)管下液通暢，各臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器均能高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的蛇形盤(pán)管后，制冷劑氣體開(kāi)始液化，在盤(pán)管內(nèi)產(chǎn)生兩相流動(dòng)，氣液兩相流具有單相流動(dòng)所不存在的許多復(fù)雜因素，每組換熱盤(pán)管中的壓降是不相同的。主要有以下幾個(gè)方面的原因：（1）蛇形盤(pán)管管程數(shù)較多，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，流體的壓力降本身比較復(fù)雜；（2）因?yàn)樯a(chǎn)的差異性，就算是同一廠(chǎng)家的同種型號(hào)的蒸發(fā)式冷凝器之間甚至是同一臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的不同盤(pán)管之間，都有細(xì)微的區(qū)別；（3）因?yàn)楣艿老到y(tǒng)的布置，每組盤(pán)管進(jìn)入的制冷劑氣體量，氣體流速會(huì)有細(xì)微差別。這3方面的壓力降，是在制冷系統(tǒng)滿(mǎn)載，所有蒸發(fā)式冷凝器全部運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的壓力降，其數(shù)值比較小，這部分的壓力不平衡對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的影響不明顯。在冬季溫度低的環(huán)境條件下，蒸發(fā)式冷凝器的能力將有相當(dāng)增加，這種增加，有時(shí)允許關(guān)閉一臺(tái)或幾臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器，余下的冷凝器就能滿(mǎn)足壓縮機(jī)的滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。此外，結(jié)合實(shí)際，在部分生產(chǎn)負(fù)荷下，部分制冷設(shè)備會(huì)停止運(yùn)行，也會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)或幾臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器停止運(yùn)行的情況。這種情況下，工作與不工作的蒸發(fā)式冷凝器蛇形盤(pán)管中的壓力降差別明顯。

如圖2所示，有兩個(gè)蒸發(fā)式冷凝器，冷凝器A正在工作，冷凝器B停止工作。兩個(gè)蒸發(fā)式冷凝器有共同的進(jìn)氣口和出液口，因此通過(guò)的總壓降是相同的。圖2左側(cè)為不帶存液彎的排液管布置，蒸發(fā)式冷凝器B的盤(pán)管中沒(méi)有流體流過(guò)，所以沒(méi)有壓力降，排氣壓力到貯液器中平衡，而蒸發(fā)式冷凝器A在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行，有入口檢修閥和盤(pán)管兩部分壓力降。在這種情況下，制冷劑不可能有流動(dòng)的條件：流體不可能從低壓處流往高壓處。因此，就形成了液柱壓頭，或者說(shuō)液體被逼入工作中（壓力降最大或出口壓力最低）的蒸發(fā)式冷凝器，直接抵消了壓力差或損失。在圖2中，壓力差相當(dāng)于液柱高度h1，也就是說(shuō)，運(yùn)行中的蒸發(fā)式冷凝器要建立這樣高的液柱才能使制冷劑流動(dòng)，這種液柱大大降低了冷凝器中有用的冷凝面積，使得系統(tǒng)感到制冷劑不足，排氣壓力降明顯升高。用手觸摸出液管道時(shí)，可能感覺(jué)有點(diǎn)涼，這是因?yàn)槌錆M(mǎn)液體的冷凝器起到了類(lèi)似過(guò)冷器的作用。圖2右側(cè)為帶存液彎的排液管布置，水平液體總管的底部都設(shè)存液彎，而后再由水平總管將液體排入貯液器。在冷凝器A工作，冷凝器B停止工作的運(yùn)行條件下，仍然需要建立液體壓頭來(lái)使液體流動(dòng)。冷凝器A仍然有入口檢修閥和盤(pán)管兩部分壓力降，冷凝器B還是排氣壓力到貯液器中平衡，存液彎起到液封作用，使得壓力差h2只建立在垂直管段上而不在蒸發(fā)式冷凝器的蛇形盤(pán)管中。存液彎上面的垂直管段（圖1所示的h）須有足夠的高度以使液體壓頭等于冷凝器可能遇到的最大壓降。需注意，兩臺(tái)不同品牌相同排熱量的蒸發(fā)式冷凝器，或同一生產(chǎn)廠(chǎng)家不同型號(hào)的蒸發(fā)式冷凝器（在實(shí)際工程中，較少采取這種組合配置）之間的壓力降也可能會(huì)有相當(dāng)大的差別。垂直管段h根據(jù)制冷劑的物理特性可以估算出來(lái)，氨蒸發(fā)式冷凝器在運(yùn)行時(shí)最大理論壓降通常約為3.4kPa，這是沒(méi)有運(yùn)行和運(yùn)行的蒸發(fā)式冷凝器之間的最大壓力差。對(duì)于氨制冷劑0.6m的液柱將彌補(bǔ)這一壓力差，但大多數(shù)國(guó)外產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家的說(shuō)明書(shū)建議，冷凝器出液管的垂直管段應(yīng)有1.2m的氨液柱高度（在我國(guó)這個(gè)高度通常建議在1.5～1.8m），氟利昂制冷劑的液柱高度為3.7m。這些尺寸是在“正?！痹O(shè)計(jì)條件下的合理范圍內(nèi)滿(mǎn)足運(yùn)行的最小立管高度，當(dāng)出現(xiàn)極限工況時(shí)，即經(jīng)過(guò)檢測(cè)h的高度已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求時(shí)，可適當(dāng)增加h的數(shù)值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮h所需的空間，并進(jìn)行預(yù)留。

圖2 蒸發(fā)式冷凝器排夜管布置

現(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)蒸發(fā)式冷凝器所提供的出口接口尺寸都是超大的。應(yīng)用時(shí)，出液管尺寸通?？尚∮诔鰪S(chǎng)時(shí)配置的尺寸，但仍須符合一定準(zhǔn)則。建議在垂直管段上進(jìn)行變徑，設(shè)置檢修閥，如圖1所示的排液支管設(shè)計(jì)；縮小冷凝器出口管徑也可在水平管段上安裝偏心變徑管，保持管子底部平齊，這些設(shè)計(jì)都是為了避免機(jī)組是在液體回流到盤(pán)管底部排管的情況下工作，得到最佳排熱量和最低排氣壓力。

2.3 平衡管道設(shè)置

根據(jù)貯液器周?chē)沫h(huán)境溫度，貯液器內(nèi)可能有液體閃發(fā)和潛在高壓，為了使液體能從冷凝器自由地流入貯液器，貯液器的壓力必須與上游某一段進(jìn)行平衡。平衡管就是從貯液器接到排向蒸發(fā)式冷凝器的排氣管中心位置上進(jìn)行平衡壓力的管道。任何情況下，都不能把平衡管接到多臺(tái)冷凝器的出液口上，否則，等于取消了存液彎，會(huì)把液體逼入出口壓力最低的冷凝器中。在實(shí)際工程中，經(jīng)常在壓縮機(jī)的排氣管道上設(shè)計(jì)熱回收器進(jìn)行熱量回收，以供冷庫(kù)地坪防凍，沖霜水加熱或是生產(chǎn)工藝、生活用水加熱等。此時(shí)，平衡管必須接至熱回收器后的排氣管路上。

2.4 放空管道設(shè)置

如前述所言，蒸發(fā)式冷凝器每組盤(pán)管進(jìn)氣最高處設(shè)置一個(gè)放空閥（系統(tǒng)停機(jī)時(shí)放空使用），每組盤(pán)管的出液管水平管段上設(shè)置一個(gè)放空閥組（系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)放空使用），正確設(shè)計(jì)并使用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的放空閥組，排除系統(tǒng)中的不凝性氣體，是蒸發(fā)式冷凝器和制冷系統(tǒng)獲得最低運(yùn)行費(fèi)用的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不凝性氣體將經(jīng)過(guò)蒸發(fā)式冷凝器，高度集中在冷凝器出口處以及貯液器中。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，不凝性氣體趨向于在系統(tǒng)的高處集結(jié)，通常是在靠近冷凝器進(jìn)氣口的排氣管上。應(yīng)當(dāng)在這些地方設(shè)15～20mm放空氣接口（見(jiàn)圖1）。每個(gè)放空氣接口必須單獨(dú)裝閥，而后可以連接到一根放氣管上。在運(yùn)行中放空氣是最普遍的操作程序，并且一般認(rèn)為是最有效的。每次打開(kāi)一個(gè)盤(pán)管出液口和貯液器上的放空氣閥，每個(gè)放一會(huì)兒。如果盤(pán)管出液口放空氣接口是交叉連接的，同一時(shí)間打開(kāi)一個(gè)以上閥門(mén)，將會(huì)產(chǎn)生冷凝器出液口互相連接的結(jié)果。這將使存液彎失去作用，且可能使液體回流到冷凝器盤(pán)管中。在系統(tǒng)高點(diǎn)放空氣只有當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)才有效。

3 并聯(lián)蒸發(fā)式冷凝器管道簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)及其問(wèn)題

隨著肉食品行業(yè)的發(fā)展，大體量的屠宰加工、物流冷鏈項(xiàng)目越來(lái)越多，一個(gè)項(xiàng)目用到多臺(tái)大型蒸發(fā)式冷凝器的情況已經(jīng)比較常見(jiàn)。有時(shí)會(huì)看到一些施工圖，將蒸發(fā)式冷凝器的管路閥門(mén)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)置，如圖3所示。

圖3 大型蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)管道簡(jiǎn)化設(shè)置

圖3中，沒(méi)有在每組盤(pán)管進(jìn)出口設(shè)置檢修閥門(mén)，只在每臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的進(jìn)出總管上設(shè)置檢修閥門(mén)，在進(jìn)氣總管上設(shè)置一個(gè)安全閥、一個(gè)壓力表、一個(gè)放空閥（系統(tǒng)停機(jī)時(shí)放空使用）；在每組盤(pán)管的出液管水平管段上，放空氣管經(jīng)檢修閥后接到一根放空氣總管上，在放空總管上設(shè)置一個(gè)放空閥組（系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)放空使用）。如前述所言，每組蛇形盤(pán)管出液口處的壓力是不一致的。如此設(shè)置，造成冷凝器出液口互相連接，使存液彎失去作用，可能使液體回流到冷凝器盤(pán)管中。放空效果不好，系統(tǒng)運(yùn)行效率差。如此設(shè)計(jì)一般有兩個(gè)方面的因素：一方面是為了降低成本，簡(jiǎn)化施工；另一方面，是受設(shè)備限制。簡(jiǎn)化設(shè)置時(shí)，能減少很多閥門(mén)儀表，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，可降低焊接和探傷的工作量；而一般設(shè)備廠(chǎng)家生產(chǎn)的空氣分離器，是有最大模數(shù)（放空點(diǎn)數(shù)）限制的，如冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的KFZ型系列，最大型號(hào)為KFZ24，有24個(gè)放空點(diǎn)數(shù)。圖3中所示冷凝器為此公司生產(chǎn)的LNZ3200蒸發(fā)式冷凝器，每臺(tái)有7組蛇形盤(pán)管。一個(gè)大的項(xiàng)目能用到6～7臺(tái)，甚至是10臺(tái)這種冷凝器，加上系統(tǒng)貯液器，整個(gè)系統(tǒng)的放空點(diǎn)有70～80個(gè)。在這種情況下，往往進(jìn)行如圖3的簡(jiǎn)化設(shè)置，犧牲部分制冷效果，僅在一臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的放空氣總管上設(shè)置一個(gè)放空閥組。

當(dāng)然，只在每臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的進(jìn)出總管上設(shè)置檢修閥門(mén)，而不是在每組盤(pán)管進(jìn)出口設(shè)置檢修閥門(mén)，這樣是不合理的。蒸發(fā)式冷凝器的多組盤(pán)管是相對(duì)獨(dú)立的并聯(lián)運(yùn)行的換熱單元，隨著使用年限增加，換熱盤(pán)管逐步發(fā)生腐蝕直至泄漏，而屠宰加工車(chē)間，熟食加工車(chē)間處于生產(chǎn)旺季時(shí)；果蔬冷藏庫(kù)，新鮮肉食品凍結(jié)庫(kù)，貯冰庫(kù)存量較大時(shí)，全部設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，可將出現(xiàn)問(wèn)題的換熱盤(pán)管進(jìn)出口閥門(mén)關(guān)閉，而不用關(guān)閉整臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器，以致影響生產(chǎn)進(jìn)度或是影響貨物的貯藏質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析蒸發(fā)式冷凝器的自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，闡述了蒸發(fā)式冷凝器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的配管特點(diǎn)，提出多臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器的并聯(lián)管道配置方案。同時(shí)需注意，蒸發(fā)式冷凝器及其配管系統(tǒng)安裝的規(guī)范性，也直接影響著設(shè)備本身的運(yùn)行狀況，影響著整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率。