多臺蒸發式冷凝器并聯管道布置探討

王申英，閆傳強

（1.山東省魯商冰輪建筑設計有限公司，山東 濟南 250014；2.聯化科技（德州）有限公司，山東 德州 253100）

1 前言

蒸發式冷凝器作為一種高效的換熱設備，因其一次性投資少、運行費用低、布置緊湊等優點廣泛應用于制冷系統中。大多數蒸發式冷凝器采用管程數較多的蛇形盤管設計，高溫高壓的過熱蒸汽通過盤管并在盤管內進行冷凝，變成飽和液體。這種較長的流程通常會產生壓降，會給整個制冷系統的正常運行帶來較大的影響。因此，對蒸發式冷凝器的管道設置及安裝，有著特殊的要求。

較大型號的蒸發式冷凝器，具有多組蛇形盤管。多臺較大型號的蒸發式冷凝器并聯使用時，為了獲得最大的排熱量，為了確保制冷系統在各種負荷和工作環境下都能夠正常穩定地運行，在設計階段就必須對并聯蒸發式冷凝器的管路進行合理的布置和選型計算。

2 并聯蒸發式冷凝器管道設置

2.1 進氣管道設置

高溫高壓的過熱制冷劑蒸汽通過蒸發式冷凝器冷凝后，飽和液體是在重力的作用下自由流入貯液器。在工程實際中，蒸發式冷凝器一般布置于制冷機房對應的屋面上（當建筑物采用鋼結構形式時，也可布置在制冷機房附近單獨建造的蒸發冷平臺上）。在系統設計時，壓縮機的排氣管應盡量對稱配置，使制冷劑蒸汽盡量均勻地進入每臺蒸發式冷凝器。多臺蒸發式冷凝器并聯運行時，每臺蒸發式冷凝器的多組盤管是相對獨立的并聯運行的換熱單元，因此，每組盤管進出口都應設置檢修閥門，應在每組盤管上設置一個安全閥、一個壓力表，在盤管進氣最高處設置一個放空閥，此處放空閥為系統停機時放空使用；另外，還需在每組盤管的出液管水平管段上設置一個放空閥組，將系統的不凝性氣體接至自動空氣分離器，放空閥組為系統運行時使用。管道及閥門儀表的布置如圖1所示。

圖1 兩臺三組盤管的蒸發式冷凝器并聯管路布置

2.2 排液管道設置

多臺蒸發式冷凝器并聯使用，最重要的是蒸發式冷凝器到貯液器之間的排液管道配置，當使用多臺蒸發式冷凝器或有多個平行換熱盤管時，為了保證相互之間的壓力平衡、保證制冷系統穩定地運行以取得最佳的制冷效果，應在每個出液管上都設置存液彎，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管之間的出口壓力，使各組盤管下液通暢，各臺蒸發式冷凝器均能高效、穩定地運行。

進入蒸發式冷凝器的蛇形盤管后，制冷劑氣體開始液化，在盤管內產生兩相流動，氣液兩相流具有單相流動所不存在的許多復雜因素，每組換熱盤管中的壓降是不相同的。主要有以下幾個方面的原因：（1）蛇形盤管管程數較多，長度較長，流體的壓力降本身比較復雜；（2）因為生產的差異性，就算是同一廠家的同種型號的蒸發式冷凝器之間甚至是同一臺蒸發式冷凝器的不同盤管之間，都有細微的區別；（3）因為管道系統的布置，每組盤管進入的制冷劑氣體量，氣體流速會有細微差別。這3方面的壓力降，是在制冷系統滿載，所有蒸發式冷凝器全部運行時產生的壓力降，其數值比較小，這部分的壓力不平衡對整個制冷系統的影響不明顯。在冬季溫度低的環境條件下，蒸發式冷凝器的能力將有相當增加，這種增加，有時允許關閉一臺或幾臺蒸發式冷凝器，余下的冷凝器就能滿足壓縮機的滿負荷運行。此外，結合實際，在部分生產負荷下，部分制冷設備會停止運行，也會出現一臺或幾臺蒸發式冷凝器停止運行的情況。這種情況下，工作與不工作的蒸發式冷凝器蛇形盤管中的壓力降差別明顯。

如圖2所示，有兩個蒸發式冷凝器，冷凝器A正在工作，冷凝器B停止工作。兩個蒸發式冷凝器有共同的進氣口和出液口，因此通過的總壓降是相同的。圖2左側為不帶存液彎的排液管布置，蒸發式冷凝器B的盤管中沒有流體流過，所以沒有壓力降，排氣壓力到貯液器中平衡，而蒸發式冷凝器A在滿負荷下運行，有入口檢修閥和盤管兩部分壓力降。在這種情況下，制冷劑不可能有流動的條件：流體不可能從低壓處流往高壓處。因此，就形成了液柱壓頭，或者說液體被逼入工作中（壓力降最大或出口壓力最低）的蒸發式冷凝器，直接抵消了壓力差或損失。在圖2中，壓力差相當于液柱高度h1，也就是說，運行中的蒸發式冷凝器要建立這樣高的液柱才能使制冷劑流動，這種液柱大大降低了冷凝器中有用的冷凝面積，使得系統感到制冷劑不足，排氣壓力降明顯升高。用手觸摸出液管道時，可能感覺有點涼，這是因為充滿液體的冷凝器起到了類似過冷器的作用。圖2右側為帶存液彎的排液管布置，水平液體總管的底部都設存液彎，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停止工作的運行條件下，仍然需要建立液體壓頭來使液體流動。冷凝器A仍然有入口檢修閥和盤管兩部分壓力降，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式冷凝器的蛇形盤管中。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，兩臺不同品牌相同排熱量的蒸發式冷凝器，或同一生產廠家不同型號的蒸發式冷凝器（在實際工程中，較少采取這種組合配置）之間的壓力降也可能會有相當大的差別。垂直管段h根據制冷劑的物理特性可以估算出來，氨蒸發式冷凝器在運行時最大理論壓降通常約為3.4kPa，這是沒有運行和運行的蒸發式冷凝器之間的最大壓力差。對于氨制冷劑0.6m的液柱將彌補這一壓力差，但大多數國外產品生產廠家的說明書建議，冷凝器出液管的垂直管段應有1.2m的氨液柱高度（在我國這個高度通常建議在1.5～1.8m），氟利昂制冷劑的液柱高度為3.7m。這些尺寸是在“正常”設計條件下的合理范圍內滿足運行的最小立管高度，當出現極限工況時，即經過檢測h的高度已經無法滿足生產需求時，可適當增加h的數值，設計時應充分考慮h所需的空間，并進行預留。

圖2 蒸發式冷凝器排夜管布置

現在生產的大多數蒸發式冷凝器所提供的出口接口尺寸都是超大的。應用時，出液管尺寸通常可小于出廠時配置的尺寸，但仍須符合一定準則。建議在垂直管段上進行變徑，設置檢修閥，如圖1所示的排液支管設計；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，這些設計都是為了避免機組是在液體回流到盤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 平衡管道設置

根據貯液器周圍的環境溫度，貯液器內可能有液體閃發和潛在高壓，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行平衡。平衡管就是從貯液器接到排向蒸發式冷凝器的排氣管中心位置上進行平衡壓力的管道。任何情況下，都不能把平衡管接到多臺冷凝器的出液口上，否則，等于取消了存液彎，會把液體逼入出口壓力最低的冷凝器中。在實際工程中，經常在壓縮機的排氣管道上設計熱回收器進行熱量回收，以供冷庫地坪防凍，沖霜水加熱或是生產工藝、生活用水加熱等。此時，平衡管必須接至熱回收器后的排氣管路上。

2.4 放空管道設置

如前述所言，蒸發式冷凝器每組盤管進氣最高處設置一個放空閥（系統停機時放空使用），每組盤管的出液管水平管段上設置一個放空閥組（系統運行時放空使用），正確設計并使用系統運行時的放空閥組，排除系統中的不凝性氣體，是蒸發式冷凝器和制冷系統獲得最低運行費用的重要環節。系統運行時，不凝性氣體將經過蒸發式冷凝器，高度集中在冷凝器出口處以及貯液器中。當系統關閉時，不凝性氣體趨向于在系統的高處集結，通常是在靠近冷凝器進氣口的排氣管上。應當在這些地方設15～20mm放空氣接口（見圖1）。每個放空氣接口必須單獨裝閥，而后可以連接到一根放氣管上。在運行中放空氣是最普遍的操作程序，并且一般認為是最有效的。每次打開一個盤管出液口和貯液器上的放空氣閥，每個放一會兒。如果盤管出液口放空氣接口是交叉連接的，同一時間打開一個以上閥門，將會產生冷凝器出液口互相連接的結果。這將使存液彎失去作用，且可能使液體回流到冷凝器盤管中。在系統高點放空氣只有當系統關閉時才有效。

3 并聯蒸發式冷凝器管道簡化設計及其問題

隨著肉食品行業的發展，大體量的屠宰加工、物流冷鏈項目越來越多，一個項目用到多臺大型蒸發式冷凝器的情況已經比較常見。有時會看到一些施工圖，將蒸發式冷凝器的管路閥門進行簡化設置，如圖3所示。

圖3 大型蒸發式冷凝器并聯管道簡化設置

圖3中，沒有在每組盤管進出口設置檢修閥門，只在每臺蒸發式冷凝器的進出總管上設置檢修閥門，在進氣總管上設置一個安全閥、一個壓力表、一個放空閥（系統停機時放空使用）；在每組盤管的出液管水平管段上，放空氣管經檢修閥后接到一根放空氣總管上，在放空總管上設置一個放空閥組（系統運行時放空使用）。如前述所言，每組蛇形盤管出液口處的壓力是不一致的。如此設置，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管中。放空效果不好，系統運行效率差。如此設計一般有兩個方面的因素：一方面是為了降低成本，簡化施工；另一方面，是受設備限制。簡化設置時，能減少很多閥門儀表，現場施工時，可降低焊接和探傷的工作量；而一般設備廠家生產的空氣分離器，是有最大模數（放空點數）限制的，如冰輪環境技術股份有限公司生產的KFZ型系列，最大型號為KFZ24，有24個放空點數。圖3中所示冷凝器為此公司生產的LNZ3200蒸發式冷凝器，每臺有7組蛇形盤管。一個大的項目能用到6～7臺，甚至是10臺這種冷凝器，加上系統貯液器，整個系統的放空點有70～80個。在這種情況下，往往進行如圖3的簡化設置，犧牲部分制冷效果，僅在一臺蒸發式冷凝器的放空氣總管上設置一個放空閥組。

當然，只在每臺蒸發式冷凝器的進出總管上設置檢修閥門，而不是在每組盤管進出口設置檢修閥門，這樣是不合理的。蒸發式冷凝器的多組盤管是相對獨立的并聯運行的換熱單元，隨著使用年限增加，換熱盤管逐步發生腐蝕直至泄漏，而屠宰加工車間，熟食加工車間處于生產旺季時；果蔬冷藏庫，新鮮肉食品凍結庫，貯冰庫存量較大時，全部設備滿負荷運轉，此時，可將出現問題的換熱盤管進出口閥門關閉，而不用關閉整臺蒸發式冷凝器，以致影響生產進度或是影響貨物的貯藏質量。

4 結語

本文通過分析蒸發式冷凝器的自身設計特點，總結實際生產運行中的經驗，闡述了蒸發式冷凝器并聯運行時的配管特點，提出多臺蒸發式冷凝器的并聯管道配置方案。同時需注意，蒸發式冷凝器及其配管系統安裝的規范性，也直接影響著設備本身的運行狀況，影響著整個制冷系統的效率。