冷凝器自动清洗系统的节能效益评估-970908

1冷凝器自动清洗系统的节能效益评估Theadvantagesandbenefitsofcondensersideenergysavingsofautomatictubecleaningsystemsincentralchillerunitfields张蓉台摘要ATCS是AutomaticTubeCleaningSystems的简称。水冷壳筒式热交换器在HVAC的主机设备被大量应用，是冷冻机运转过程不可缺少的一项配件。由于热交换器需要藉冷水冷却气体冷媒，使气体冷媒还原成液体冷媒，以便完成冷冻循环的周期。热交换冷却过程，冷却水的冷却作用会诱导出水垢的沉淀积沉并逐渐附着于管内壁，造成热交换效率衰退，浪费能源的消耗，大量降低冷冻机的COP值。利用ATCS的系统装置，可以有效连续清洁热交换器的管内壁，保持热交换器的管壁污垢系数维持定值，使热交换器的管内壁干净清洁而无污垢，这个效益将可以提升5%到15%以上的能源节约效率。更时尚的说法，冷冻主机装置ACTS于冷凝器入口端，则每1000RT冷冻主机，每一年可以减少温室效应的CO2产量达600Tons，有很好的节能减碳效益。壹、冷凝器对冷冻机效益影响的认识冷凝器在冷冻主机的组件中，扮演重要脚色。冷却水把冷媒气体中的热带走，降低冷媒气体的温度使低于冷媒气体的饱和温度，以便冷媒气体冷却成为液体冷媒，重复冷冻循环。但是冷却水中的水溶性矿物质、杂质、细菌˙˙˙等在冷却水与管壁热交换之际，却分离析出固状沉淀物或生物沉积物附着在热交换器的管内壁。这些附着在热交换器管内壁的固状沉淀物或生物沉积物却会阻碍冷媒气体与冷却水之间的热交换速率。这些附着在热交换器管内壁的固状沉淀物或生物沉积物称之为「水垢」或「污垢」(foulingorscale)。因为污垢的存在，造成热交换效果衰退，使得冷凝管内的冷媒气体饱和温度不断上升，遂使冷凝管内的冷媒气体饱和压力也不断上升；这个冷媒气体饱和压力的上升，将严重造成冷媒压缩机的额外大量做功(morework)。这意味者压缩机需要消耗更多的电力去运转压缩机做功。按照热力学上对冷冻循环的效率定义COP(CoefficientofPerformance)为冷却能力与压缩机所做的功之比值。COP=WQQ冷却水带走的气体冷媒热量KwQ=mρc(T1－T2)m冷却水的流量m3/sρ水的比重999.8Kg/m3c水的比热4.187KJ/Kg˙KT1冷却水出口温度℃T2冷却水入口温度℃W压缩机所做的功Kw(3相电力)W=I×V×Pf×1.732I运转电流(amp)V运转电压(volt)Pf功率因素(Pf=1)2设若Q一定；W增加时，COP值下降。所以，当压缩机的功或耗能源增加时，COP值会下降。由以上之讨论，显然如果冷冻主机的冷凝器受到「水垢」附着污染，将增加冷媒气体的的冷凝温度与冷凝压力，使压缩机的能源消耗增加。貳、水垢厚度与热传效益的关系热从高温T1往低温T2处移动做热交换；冷冻主机的冷凝管之热交换途径(参见图一)。如图二，水垢已经在冷凝器的管内壁形成，沈积物附着于管的内壁上。管内壁已被水垢污染。当管内壁有水垢存在时，25℃的水温被阻隔传热的损失高达10℃。管外壁的温度昀终升高到35℃。该分析中可以看出「水垢」消耗了40%的能源。也就是说冷凝器管壁的热传导系数的传热能力减少了22%+3%+40%=65%。「水垢」对热传的效应可以以下式表示之。单位是m2℃/W水垢的特性依Kern-SeationEquation，表示如下˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙(1)md水垢沉积物的质量m/tc单位时间附着于管内壁或单位时间被移出的水垢质量dm=水垢的密度×水垢的厚度图一冷冻主机的冷凝管之热交换途径。Ucl洁净而无污染之管壁的热传系数。Ud已经结垢污染的管壁之热传系数。图二水垢已经在冷凝器的管内壁形成，沈积物附着于管的内壁上。管内壁已被水垢污染。3˙˙˙˙˙˙(2)将式(2)予以积分X水垢沉积物的厚度ρf水垢沉积物的密度kf水垢沉积物的热传导系数Rf水垢沉积物的热阻力损失设ρf与kf为常数，(1)式与(2)式合并为˙˙˙˙˙˙˙˙(3)从图三得知水垢淤积附着的厚度按公式(3)的预测，可以看出水垢厚度与运转时间、热阻损失的相互关系。从以上的数学式可以明确指出，随着运转时间的增长，水垢附着在管壁的厚度越来越厚，热阻损失值亦越来越大，妨害热传量与热传速率。图三水垢淤积附着的厚度与运转时间、热阻损失的相互关系4参、热传量、热传速率与水垢厚度对冷凝器与压缩机做功的的效率影响图四水垢厚度对冷凝器的冷凝温度之影响5肆、除去冷凝器内壁的水垢以及保持冷凝器内壁洁净度的方法清除管壁污垢附着，一般业者大都采用以下二种方式：○1.化学添药法○2.人工机械清洁法化学添加药物法虽然可以清洁管壁表面的污垢，但是造成管壁的腐蚀，管壁光滑度却降低，此与污垢系数之增加无异。另外，环境遭受化学污染的问题隐忧亦日益严重，遭受诟病。至于人工机械清洁法，耗费工时，对管壁意外伤害所造成的粗糙表面程度严重，却往往被人忽略或因无计可施而采取视而不见的驼鸟心态面对之。此外，每隔一段时间才清除污垢的当中，却已因污垢系数逐渐增加而无形中多耗损能源了(参见图六)。ㄧ般当能源消耗增加到120%的时候，维护人员才会停机打开冷凝器清洁管内壁。上述方法虽然清洁了管壁表面的污垢，但是二次污染，管壁粗糙度…等，严重影响中央空调主机能源效益的性能却常被疏忽。图七热交换器的能源消耗与热交换器洁表面净度的关系图六水垢清洁前后的能源消耗及运转时间关系6目前诸多国内外业者已普遍采用『热交换器自动清洗设备』来达成目标。该『热交换器自动清洗设备』。因为该装置系统可确实稳定保持冷凝器、冰水蒸发器等之热交换铜管内壁，表面的洁净，既无环保问题，又无设备维修、腐蚀、更换零件…等问题，更重要的是为业者节省大量能源。针对『热交换器自动清洗设备』系统之原理、安装、操作方式及效益评估分别叙述如后。伍、冷凝器自动清洗系统的原理、操作及效益评估5.1『热交换器自动清洗设备』的类别或种类主要系统有三；棉球式[巨观的机械式]尼龙刷式[巨观的机械式]电双层[微观的物理化学式]前二种方式为传统的机械式，昀后者为先进的物理化学方式。兹详述如后；5.2棉球式该装置问世以来已经有五十余年的历史。50余年前，在1953年，德国人LudwigTaprogge及JosefTaprogge兄弟发明，用于水冷壳管式热交换器的节能与热效率提升，1996年以色列CQM公司改良Taprogge系统另为一套新颖的系统。在棉球式的『热交换器自动清洗设备』系统，分别以Taprogge或CQM为该系统主要商业用语的代表。就如同Xerox代表复印机产品之商业名称的总称。图八Taprogge热交换器自动清洗设备装置7另外一个于1996年由以色列CQM公司改良Taprogge系统另为一套新颖的系统。其系统的设备装置如下图；※圆球材质为天然橡胶，具有弹性及良好耐磨特性，并选择稍大于管径之型号，故可彻底清洁管壁。※根据流体力学原理，单一管路不会同时有多颗圆球进入，故所有圆球将平均分布通过不同管路，依或然率昀终所有管路均会有圆球通过清洗。5.3尼龙刷式1974左右，美国WSA开发以尼龙刷为主件的管刷清洁系统。这个系统将壳筒式冷凝器的回路分成两个回路系统，每次刷洗两回路以逆向方式进行。主要构成组件；尼龙刷尼龙刷座四通阀图九CQM棉球式冷凝器自动清洗系统的原理、操作及该系统所分成四阶段的循环运作8图十、尼龙刷图十一、四通阀－动作1图十二、四通阀－动作2图十三、尼龙刷座－1图十四、金属刷座－2动作1动作2动作3(还原到动作1)图十五、管刷的动作过程9*管刷利用刷子通过管内的移动力量，将附着于管壁的软性污垢清除，保持管壁的清洁，达到节能目的。图十五说明管刷自动清洁热交换器的过程，藉四通阀的动作完成一次清洁过程。5.4电双层1850年Helmholtz提出电子分布于固体金属板的分布理论，这是Helmholtz有名的电容器理论。也是电双层理论的雏型，初期，Helmholtz认为金属表面的电子为静止状态的静电层。1950年之后，受到奈米理论，及胶体理论之影响，金属表面的动态静电层分布理论产生。此后，该理论在水处理应用的功效，崭露头角，NASA的努力及成功，遂于1956年移转商用，称为「电子场式水垢处理系统」。图十六、初期的Helmholtz电双层理论1913年由Stern完成的电双层特性图根据1850年，昀初的Helmholtz观念所绘制的电双层特性图图十七电双层特性图电双层的理论基础虽然在1913年完成，但是真正受到注视并应用在水处理，这已经是1950年以后的事情了。10首先在NASA太空计划中，利用电双层原理于水的结垢防止及水的洁净处理。1956年之后，该技术转移商业用途，由Hayden公司以HTI的商业名称营销电双层除垢的水处理系统。鉴于1960年代迄2005年止长达45年的期间，因物理化学的诸多理论让世人疏忽，这一项非常先进而有效的理论及应用一直为世人遗忘疏漏。从2000年起，胶体理论*1受到电子工业研磨，机械加工，工业制程，废水处理，˙˙˙等的重视，从2005年以来，电双层原理在冷却水除垢，防止与诸多水净化处理过程的应用使受到重视与肯定。其它有许多磁场式，静电场式的产品，在水处理应用的基础理论过程，对于胶体理论的知识缺乏认知，所论述的基础理论知识诸多瑕疵，无法令人折服，而在实务上几乎都无法完成预定目标，引起争议。这些争议的产品，主要在于对胶体理论的疏漏，没有用微观(microscope)的正确理论去解决问题现象，也不了解电双层效应所致。充其量到1990年之后，有静电场式的新产品提到胶体理论，界达电位及电双层理论；但是在实务上，因为静电场仅仅能产生的电位仅是微弱的界达电位，至于电双层电位更是微弱到几乎不存在，所以这样的静电场系统根本很难发生效益。水溶液中的电双层电位一定要达到一个定值以上，才有效益，这是用户普遍遭遇的问题瓶颈。目前，这个市场的产品主要由Hayden公司的HTI为代表。电双层在冷却水自动清洁系统上的主要理论及功能，论述如下；5.4.1原理按胶体理论，水溶液中有许多带正电位的水溶性金属离子○+及许多带负电位的水溶性碱性离子○-，这些带电位的胶体粒子以布郎运动在水溶液中运动，并随着水流动。热交换器或管路本身因为接地之故，而成为带负电位的强势负电位电场，以致于水中影响结垢的水溶性带正电位的金属离子逐渐附着于热交换器或管路本身的壁面，形成所谓的水垢雏形，即所谓的颗粒状软性附着物。如果这些颗粒状软性附着物没有清除，就会在金属管壁形成硬质的水垢。图十八胶体理论对水垢在管壁形成的说明*1胶体理论(colloid)凡是将物质(固体、液体、及气体)视为由10-9m到10-6m大小的微小颗粒构成的总称。圖例；負電子(或接地電位)溶於水中的水溶性金屬離子為正電子接地電位為負電位大地11电双层原理在除垢过程的应用图十九利用负电子产生装置，将大量的负电子添加到冷却水系统中，使热交换器管壁内形成一个强势负电位系统。热交换器管壁即存在电双层现象。图二十利用负电子产生装置，将大量的负电子添加到冷却水系统中，使热交换器管壁内形成一个强势负电位系统之后，原先附着在管壁上的金属离子或水垢杂质等，均因电双层效应而剥离脱落，永远保持热交换器管壁的洁净度，不会再有任何杂质附着于管壁。負電子正電子負電子正電子电双层电双层125.4.2电双层在热交换器发挥的功效5.4.3.1除垢图二十所示5.4.3.2保持管壁清节图十九所示5.4.3.3防止管壁腐蚀下图二十一所示为各种防蚀方法的效果图二十一各种防蚀方法的效果5.4.3.4抑制菁苔及薻菌类的生长按照Colloid学说理论，水溶液是由许许多多的带电粒子组成，当水溶液中添加大量的负电子之后，水溶液中存在的许多正电核粒子数量随即被负电子中和还原，结果让水中的正电核粒子数量大量锐减。由于水中菁苔及薻菌类系以水溶液中存在的许多正电核粒子为生存的养分及食物炼，当水溶液中的金属离子数量减少，则水中菁苔及薻菌的生长即受到影响，无法繁殖生长。5.4.3.5