冷水機組板換凍裂原因分析及解決方案

劉海波

（上海一冷開利空調設備有限公司，上海 201901）

1 引言

制冷空調行業中使用板換作為冷凝器或者蒸發器,已經成為行業發展的趨勢。板換的生產制造過程，自動化程度高，批量生產，產品一致性好，質量穩定。板換具有結構緊湊，占用空間小，換熱效率高，重量輕，冷媒充注量少，初期安裝成本低等優點。較小的冷媒充注量意味著對環境更有利，符合社會對R410A等環保冷媒控制使用的方向。由于板換通道的獨特人字型設計可以對流體產生強大的紊流，使得即使換熱媒質間的溫差小于1K，也可以很有效的換熱。另外，板換水側承壓高，能夠適應更廣泛的應用范圍。[1]由于板換相對管殼式換熱器而言,擁有上述諸多優點,因此在制冷空調行業中，尤其在市場增長率最高的模塊機產品以及小冷量段的風冷冷水機組上應用甚廣。

2 板換凍裂的發生

對于中央空調冷水機組而言,制造合格的產品,僅僅完成了長期工程的起步階段,正確安裝和使用冷水機組,才能真正給用戶帶來舒適和健康。如果裝機和調試過程中，沒有按照制造廠商的安裝運行維護手冊的注意事項裝機和調試，水質較差，或者水流量太低，或者長期運行在過低的飽和吸氣溫度下，都有可能引起板換失效，出現板換凍裂的故障失效模式：冷水機組的冷媒系統和水系統串通，直接導致壓縮機進水，機組系統中干燥過濾器受潮等不良影響。[2]C公司風冷渦旋冷水熱泵機組,采用板換作為蒸發器和冷凝器,自產品上市以來，連續五年運行后，客戶端失效板換拆檢結果，超過40%的失效模式是板換內部凍裂。

3 板換凍裂的原因分析

在冷水機組調試和運行過程中，引起板換凍裂失效的原因有很多，本文采用魚骨圖分析方法，從系統設計、供應商制造過程、工廠制造過程、用戶使用過程以及其他等幾個方面展開分析，擬找出板換凍裂的問題根源。[3]從魚骨分析圖上列出的諸多可能原因里，可以看出引起板換凍裂失效模式的主要原因有以下幾方面：

3.1 板換進水管路中過濾器失效

由于板換進水管路上的過濾器濾網目數過低，或者濾網脫落，導致過濾器不能有效地過濾用戶現場冷凍水里的雜質。[4]這種現象經常發生在機組剛調試運行初期，帶有樹葉或者鋼絲網等裝修雜質的冷凍水進入板換，引起板換內水通道堵塞，導致板換內參與交換熱量的水流量低于機組設定的最低水流量要求，從而在流動性最差，溫差最大的位置發生板片冰堵現象，引起板片脹裂，發生內部泄漏，引起板換內部制冷冷媒和冷凍水串通，整個制冷系統失效。

3.2 制冷劑飽和吸氣溫度過低

大量的實驗數據表明,當板換作為制冷系統內的蒸發器使用時,冷媒在板換內部的飽和蒸發溫度低于-10攝氏度的時間不能超過20秒，否則，易引起板片瞬間擊穿裂開，引起板換凍裂。[5]作者實際采集了一臺機組的運行數據，從制冷劑的飽和吸氣溫度分布圖上，可以看出飽和蒸發溫度低于-10度的時間在8秒，在正常范圍之內，如今機組已經連續運行5年，從未出現板換凍裂的失效。

3.3 冬季板換電加熱器保護失效

通常情況下冷水機組冬季會處于停機狀態,由于板換的特殊結構,導致內部的冷凍水無法完全排盡,或者在用戶熱負荷很小的情況下,冷凍水溫度過低,這些情況下,板換表面的電加熱開始工作,給內部的冷凍水加熱,以防板換凍裂。[6]如果板換因為短路或者機械故障，無法通電加熱，就會失去保護效果，從而引起板換內漏。這樣的失效情況屬于外部因素，只需要板換加熱器在加工制造過程中，加強出廠檢測，是可以預防的。

3.4 流量開關保護失效

冷水機組中的流量開關，主要作用是在冷水流量低于設定值時，報警停機，防止機組板換凍裂。一般安裝在出水管道上。如果出現流量開關機械故障或者人為屏蔽流量開關的現象時,機組的控制程序,就不能及時發出報警停機,導致機組在水流量低于設定額定值時仍在繼續運行，制冷劑在板換內部繼續蒸發冷卻冷凍水，從而導致板片凍裂。

4 防止板換凍裂的措施

上文對實際應用過程中可能引起板換凍裂的各種原因進行了綜合分析，從分析結果來看，我們可以從以下這些方面采取相應的保護措施來盡可能避免發生板換凍裂失效。

4.1 在板換進水管路裝配合適的水過濾器

冷水機組系統設計時，需要在與板換進水口相連的水管路上裝配符合目數要求的水過濾器，通常為20目，并且定期清理過濾器，尤其是初始調試階段，由于施工現場水管路內可能存在容易引起臟堵的建筑垃圾，樹葉等雜質，堵住濾網的洞眼。在對機組進行日常保養時，清理濾網雜質應該被列為常規維修保養項目來實施。

4.2 在板換出水管路裝配合適的水流開關

在板換進口的水管路上裝配靶式或者壓差式水流量開關，在機組的控制邏輯里，設定合理的最小水流量起跳值。當水流量低于設定值時 ，流量開關自動斷開，機組產生相應的報警模式待機，板換內的冷媒的蒸發溫度不再降低，可以起到保護板換的作用。

4.3 在機組的控制邏輯里設定合理的參數

在機組的控制邏輯里與板換防凍保護相關的參數包括冷媒飽和吸氣溫度、最小水流量起跳值以及允許壓縮機的模擬測試的最多次數等。通過設定合理的冷媒飽和吸氣溫度，防止板換內板片瞬間擊穿，通常冷媒的飽和吸氣溫度設定在4度左右；通過設定適當的最小水流量起跳值，從系統運行上來避免水在板換內結冰脹裂板片，這個值隨著機組冷量范圍不同而異；通過限定允許壓縮機模擬測試的次數，來避免因反復多次壓縮機快速測試，引起飽和吸氣溫度過低。[7]以上這些參數的合理設定，可以從系統運行上來保護板換，防止凍裂。

4.4 冬季防凍保護

在冬季可能停機的單冷機組的板換表面，應該配置電加熱器，用于在機組停機后，環境溫度低于設定值時，自動啟動電加熱，給板換內殘存的水預熱，防止冰堵。在給用戶的開機運行手冊里需要注明冬季如何防凍的注意事項，如在冬季，機組停機狀態時沒有將板換內水排干凈的情況下，不允許切斷機組電源。[8]同時，可以將上述內容做成警示標簽，粘貼在機組表面顯著的位置，以提醒用戶在冬季停機前需要逐項檢查上述注意事項，從而避免板換在停機狀態下凍裂。

5 結論

綜上所述，本文著重探討了冷水機組在實際運行過程中會由于水通道堵塞，蒸發溫度過低，冬季保護措施失效等原因引起板換凍裂內漏，冷媒和水互相滲透，使整個冷媒系統進水，導致壓縮機、干燥過濾器等的損壞。我們可以通過在板換進水管路上裝配合適的水過濾器，在出水管路上裝配合適的流量開關，同時，在機組運行的控制邏輯上設定合理的物理參數，實現機組的冬季防凍保護。這樣，我們可以減少板換凍裂內漏的風險，充分發揮板換緊湊，換熱效率高的優勢。