空調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

我國北方某空調工程，室外氣象參數中冬季極限氣溫低至-29.2 ℃，HVAC系統中的表冷器在安裝及運行過程中都曾發生過凍損泄漏事件，本文對表冷器的凍損產生機理、凍損成因加以研究，并提出表冷器在設計、制造、倉儲及調試運行等各環節應采取的改進措施。

圖2 表冷器凍裂實例

1 表冷器凍損機理與成因分析

1.1 凍損現象描述

大型水冷表面式空氣冷卻器是HVAC系統中承擔空氣降溫任務的重要設備，基本結構如圖1所示，換熱基管平行布置，并用彎頭連通，在水平方向同側設置進、出水匯集管（集水/分水器），進水匯集管底部設有排水閥，出水匯集管頂部設有排氣閥，銅管內通冷水，管外側為空氣，基管為φ16×1的TP2-M紫銅管，兩側的彎頭為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為某電站表冷器發生凍損的實例照片，圖中可見部分表冷器銅管彎頭有明顯肉眼可見的裂口，其他細微的裂縫無法通過肉眼辨別，只能通過打壓的方式排查。

圖1 表冷器結構示意圖

1.2 凍損產生機理研究

在對凍裂的表冷器檢查時發現總體呈現設備經歷的冬季次數越多，其損壞比例越高的規律，并且發現泄漏點集中在彎頭及銅管的焊接接口部位，部分彎頭已出現明顯的裂口。經游標卡尺測量，部分未發現泄漏點的彎頭的外徑尺寸也明顯增大。經第三方檢測機構對凍裂的盤管彎頭材質取樣進行了金相分析、化學成分分析、力學性能檢驗，檢測結果顯示銅彎頭材質及力學性能合格。如表1～表3所示，金相分析如圖3、圖4所示。

表1 凍傷彎頭化學成分分析結果

表2 庫存彎頭化學成分分析結果

表3 庫存銅管力學性能測試結果

表冷器銅管內介質為水，水是在標準大氣壓下0 ℃結冰。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 ℃凝結成冰，水結冰的時候，體積大約有9%的膨脹，冰的膨脹系數隨溫度的降低而減小，在0 ℃時是2.76×10-4，在-20 ℃時是1.43×10-4，隨著溫度進一步降低，冰的體積將會輕微的膨脹[1-2]。

圖3 凍傷彎頭截面金相形貌

圖4 庫存彎頭截面金相形貌

銅管符合GB/T17791的規定，在擴口率達40%時仍不會出現肉眼可見的裂紋，擴口率計算公式為：

式中Xd——擴口率；

Du——銅管擴口后的最大外徑，mm；D——銅管的原始外徑，mm。

假設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，在擴口率達40%時，通過計算可知銅管內的容積將增加96%，所以理論上，如果銅管內容積膨脹低于96%，管壁是不應產生裂紋的。表冷器銅管的直管段與銅翅片是采用機械漲接工藝牢固地連接在一起的，以利于減小熱阻，增強傳熱效果，所以銅管直管段的膨脹在徑向受到了很大的阻力，當靠近銅管內壁的水先結冰膨脹后，銅管中心處的水將向兩側移動，將冰的膨脹力作用在直管段兩側的彎頭處，如圖5所示，最終與彎頭處的水結冰產生的膨脹力相疊加，使彎頭膨脹，當膨脹達到一定程度，彎頭的薄弱部位首先產生裂紋。我們注意到，如果表冷器直管段的長度比較短，則彎頭內的容積膨脹可能低于96%，所以材質符合要求且焊接質量良好的盤管在積水初次凍結時可能不會產生裂縫，只是表現為彎頭外徑的脹大，而在多次的反復凍結，即銅管在經歷了水的“凍結—解凍—凍結—解凍……”往復過程后，銅管終會脹裂。

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 設計階段成因分析

表冷器的采購技術規格書中對銅管內水流速、水阻力、盤管迎風面風速、進出水溫度、尺寸和重量都作了明確的規定，同時要求表冷器應能靠重力排空管內積水。為了達到要求的換熱量，大部分尤其是大換熱量的表冷器只能按照復雜的倒U型進行管程布置（圖1），導致無法僅依靠重力使銅管內積水全部排空。

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階段，在國標GB/T14296中規定空氣換熱器的耐壓及密封性可用液壓試驗或者氣壓試驗進行驗證，而設備技術規格書則要求每臺表冷器在出廠前2種試驗均要做。正是水壓試驗階段向盤管內充水，試驗后存水未能排盡，表冷器未做徹底干燥，才給銅管的凍裂創造了條件。

1.3.3 倉儲階段成因分析

表冷器是放置在木托板上存放在無溫度調控措施的室內倉庫，在冬季庫內氣溫經常低于0 ℃。如表冷器在入庫前未能完全干燥，在嚴寒的冬季銅管存在凍損的可能性。

另外紫銅管在潮濕環境中會因供氧差異和電偶的聯合作用出現腐蝕現象[3]。表冷器出廠時附帶的進出水法蘭盲板在設備到貨開箱檢查時被拆去或回裝后未擰緊，將導致潮濕空氣進入表冷器內部，長時間的腐蝕作用也在一定程度上對銅管的凍損創造了條件。

1.3.4 調試運行階段成因分析

表冷器在系統的調試運行階段需要通水試驗，這將是表冷器銅管內存水的又一個重要來源，如果在冬期調試而廠房內沒有輔助加熱設施。調試結束后表冷器均處于滿水狀態，極易凍裂銅管，特別是排數多、直管段長的表冷器，可能在一個寒冷的夜晚過后就出現凍損，在調試階段主要影響因素總結為如下幾個方面：

（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，未采取強制排水措施；

（2）由于上游水路閥門未關緊或存在閥門內漏，導致有水進入已排空的表冷器內；

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

2 表冷器防凍建議措施

2.1 設計階段防凍措施

對于全年運行的表冷器，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，當表冷器的溫度降至接近0 ℃時，由溫度傳感器發送信號至溫度控制器，令電加熱器通電，使表冷器的溫度維持于0 ℃以上，達到防凍保護的目的。當溫度高于0 ℃以上某一設定溫度時，電加熱器就會自動斷電停止供熱。但布置電加熱元件過多，會降低表冷器供冷量并增加設備制造成本及運行成本。

2.2 制造階段防凍措施

因為表冷器在出廠試驗階段需要依次進行水壓試驗和氣壓試驗。氣壓試驗對管路的密封性進行了驗證，水壓試驗對設備的耐壓變形能力進行驗證，考慮到表冷器的結構、使用環境、設計壓力均相同，所以可通過選定1臺樣機先后進行水壓試驗和氣壓試驗，其他表冷器不做水壓試驗，只進行氣壓試驗，這樣可確保除樣機外的表冷器在出廠時管路系統內部的干燥，這將大大降低銅管被凍裂的風險。

2.3 倉儲階段防凍措施

設備的到貨檢驗應包括干燥性檢查。檢查設備包裝箱內是否放置有干燥劑，打開進出水匯集管口的法蘭密封蓋，檢查管內是否有積水。

表冷器在儲存期間宜存放在室溫高于5 ℃的庫房，且存儲期間表冷器進出口法蘭要密封，倉庫人員定期巡視。夏季要保持庫房通風良好。

2.4 安裝及調試運行階段防凍措施

在設備安裝前，施工人員應對設備的完整性預先檢查，在搬運或吊裝過程中如發現有水珠滴趟時，應該格外注意，必要時執行現場打壓檢漏程序。

在表冷器進入調試運行階段后，表冷器所在房間應設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，或者使水系統管內的水晝夜維持流動狀態（流速不低于0.15 m/s）。

表冷器通水試驗時應仔細檢查是否有水泄漏，彎頭及焊點部位要全檢。在調試結束或冬季運行期間需要長時間停用設備時，應及時對表冷器進行排水操作，對無法自行排空存水的表冷器執行強制排水吹掃工序，具體操作步驟如下：

（1）打開排氣閥和排水閥，使盤管內的水流出；

（2）待排水閥無水流出時，關閉排氣閥；

（3）在設備的出水法蘭上對接一個帶管口的盲板法蘭，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的壓縮空氣進行吹掃，待排水閥沒有水明顯流出時，關閉排水閥；

（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，關閉排水閥；

（6）重復上述步驟（5），直至排水閥沒有水汽噴出。

3 結語

在北方寒冷地區空調工程中表冷器的防凍是一個普遍的難題，給用戶造成了不小的損失，在了解銅管凍裂機理的基礎上可以有針對性地進行表冷器的設計改進。通過借鑒已有的防凍經驗，在設備的制造、倉儲、安裝及調試運行各階段采取相應的防凍措施可以減少甚至避免表冷器凍損事故的發生。同時進一步探索適用于寒冷地區的免維護表冷器具有很好的實際意義。

[1] 張賢.淺談換熱器的防凍及其加工[J].建筑節能，2010（1）

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

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

[1] 劉宗源.大型表冷器的電熱防凍保護[A].全國暖通空調制冷2000年學術年會論文集[C]，2000