胶球清洗装置冷却水机组性能（清洗效果）的影响？ 

     胶球清洗装置冷却水机组性能（清洗效果）的影响？为了研究胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的清洗效果，对同一台冷水机组安装胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后的污垢热阻和制冷性能系数进行了运行测试和对比分析。结果表明：胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）具有良好的除垢效果，采用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后冷凝器的污垢热阻平均降低了７４．３８％，制冷性能系数平均提高了１１．３１％。以单位时间平均运行费用*低为目标函数，建立了*佳清洗周期计算模型，通过优化分析，确定了*佳清洗周期，*佳清洗时间间隔为２８ｈ，*佳清洗持续时间为８ｈ。在*佳运行模式下，单位时间运行费用与连续清洗运行模式相比减少了３．７６％，投资回收期为２．６ａ。
     冷却塔系统耗水量的影响进行了研究；对用海水冷却的换热器的不同防污处理措施的效果进行了评估和比较。
     因而寻找一种行之有效的除垢方式对节能、提高经济效益有重要作用。与其他除垢方式相比，采用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）对冷凝器进行除垢，具有安装简单、操作便捷、适用性强等优势。本文通过对比同一台冷水机组安装胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后的污垢热阻和ＣＯＰ，确定胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的清洗效果，并从经济性角度提出了胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的*佳运行模式。
１　实验
１．１实验装置
     胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）由发球装置、收球装置、控制器及相关附件组成。发球装置将胶球从冷却水进水侧送入冷凝器，胶球依靠水压差擦洗掉换热管内壁的污垢，在冷却水出水侧通过收球器回收胶球，形成清洗循环。发球装置主要包括胶球收集罐和水泵，用于存放和发射胶球；收球装置安装在机组冷凝器冷却水出水管路上，用于收集胶球；控制器为可编程逻辑控制器ＰＬＣ，控制在线清洗的发球时间和清洗循环周期。
     为确定胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的清洗效果，分别对同一台冷水机组安装胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后的污垢进行检测，用热阻法进行污垢检测。测试系统主要测试温度、流量和输入功率。测试参数包括：冷却水供回水温度和流量、冷凝压力、冷水供回水温度和流量、冷水机组输入电功率等。为保证测量精度，温度测量使用Ａ级Ｐｔ１００铂电阻温度计，精度为±（０．１５℃＋０．００２ｔ）（其中ｔ为测量温度）；流量测量使用超声波流量计，精度为±１％；输入电功率测量使用电度表，精度为±０．５％。
本文采用的实验装置系统如图１所示。
１．２　实验设计
     实验选取的测试机组为１台水冷螺杆式冷水机组，机组参数见表１。
     为了获得对比实验数据，先对冷凝器换热管进行机械通刷和化学清洗，使换热管表面达到清洁状态，在未安装胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的情况下，冷水机组连续运行并对各种运行参数进行测试。然后停机，对冷凝器换热管进行机械通刷和化学清洗，当换热管表面达到清洁状态后将胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）由于污垢热阻的形成需要一定的时间，为了突出污垢热阻对换热和能耗的影响，本文将２次对比实验的时间延长到４３０ｈ；测试期间冷却水泵和冷水泵均为工频运行，水泵流量保持不变；每２ｈ记录一次冷却水和冷水的供回水温度、冷凝压力、输入功率等参数；测试期间流过蒸发器的冷水流量保持不变，冷水的供回水温度设定为７℃／１２℃，并保持不变，因此，蒸发器的冷负荷也保持不变；冷却水水质符合ＧＢ　５００５０—２０１７《工业循环冷却水处理设计规范》［６］的要求。根据测得的数据，分析在线清洗装置的清洗效果，测试原理如下。
冷凝器的换热量Ｑｃ为
Ｑｃ＝ｍｃｃｐ（ｔｃ，ｏ－ｔｃ，ｉ） （１）式中　ｍｃ为冷却水流量，ｋｇ／ｓ；ｃｐ为水的比定压热容，Ｊ／（ｋｇ·℃）；ｔｃ，ｉ为冷却水进水温度，℃；ｔｃ，ｏ为冷却水出水温度，℃。
冷凝器的传热系数Ｋ为
 Ｑｃ （２）
Ｋ＝
ＡｉΔｔｍ
式中　Ａｉ为换热管总内表面积，ｍ２；Δｔｍ 为冷却水与制冷剂的对数平均传热温差，℃，可由下式求得：
 ｍ ｔｃ，ｏ－ｔｃ，ｉ （３）
Δｔ＝
ｔｋ－ｔｃ，ｉｌｎ
ｔｋ－ｔｃ，ｏ式中　ｔｋ为制冷剂的冷凝温度，℃。
冷却水在管内的流动状态为湍流，冷却水侧对流换热系数ｈｗ为
ｗ λ ｆ０．８ ｆ０．４ （４）ｈ＝０．０２３ ＲｅＰｒｄｉ
式中　λ为冷却水的导热系数，Ｗ／（ｍ·℃）；ｄｉ为换热管内径，ｍ；Ｒｅｆ为冷却水的雷诺数；Ｐｒｆ为冷却水的普朗特数。
制冷剂侧对流换热系数ｈｋ为
ｈｋ＝０．７２８φεｖ［μｌｎｍｄｏρ（ｔｌ２λｋｌ３－ｔｗ）］０．２５ （５）ｇｒ
式中　φ为增强系数，为１．３８４；εｖ为管束修正系数，为０．８１；ｇ为自由落体加速度，ｍ／ｓ２；ｒ为汽化潜热，ｋＪ／ｋｇ；ρｌ为制冷剂的密度，ｋｇ／ｍ３；λｌ为制冷剂的导热系数，Ｗ／（ｍ·℃）；μｌ为制冷剂的动力黏度，Ｎ·ｓ／ｍ２；ｎｍ为竖直方向上平均管排数；ｄｏ为换热管外径，ｍ；ｔｗ为壁面温度，℃。
冷凝器的污垢热阻Ｒｆ可由下式求得：
ｆ １ （１ｗ δｐＡｉ １ｋＡｏｉ） （６）
Ｒ＝ － ＋ ＋
Ｋ ｈ λＡ ｈＡ
式中　δ为换热管管壁厚度，ｍ；λｐ为换热管的导

热系数，Ｗ／（ｍ·℃）；Ａ为换热管的平均面积，ｍ２；
Ａｏ为换热管的总外表面积，ｍ２。
２　实验结果
２．１　污垢热阻
     将测得的冷却水流量，进、出水温度等数据代入式（１）～（６），可得到使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后冷凝器污垢热阻的变化情况，如图２所示。
     使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后冷凝器污垢热阻的变化由图２可以看出：未使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时的污垢热阻明显大于使用后，并呈上升状态，而使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后污垢热阻则没有明显变化；２种工况下开始测试时的污垢热阻几乎相同，表明２次清洗后换热管表面的清洁程度基本相同，未使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时，随着机组运行时间的增加，换热管表面的污垢不断积累，污垢热阻不断增大；当使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后，由于胶球对换热管表面的清洗作用，阻止了污垢热阻的增大，污垢热阻基本保持在１．０４×
１０－４　ｍ２·℃／Ｗ左右。
根据测试结果，胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）未使用时的
平均污垢热阻为４．０７×１０－４　ｍ２·℃／Ｗ，比ＧＢ５００５０—２０１７《工业循环冷却水处理设计规范》规定的限值３．４４×１０－４　ｍ２·℃／Ｗ高１８．３１％；使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后，平均污垢热阻基本保持在１．０４×１０－４　ｍ２·℃／Ｗ，比国家规定的限值低６９．７７％。由此可见，胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）对于阻止冷凝器换热管内表面污垢的沉积、改善换热性能和提高冷水机组ＣＯＰ等具有重要的作用。
２．２　冷水机组制冷性能系数
在冷水机组的运行过程中，理论上应满足如下能量平衡关系：
Ｑｃ＝Ｑ０＋Ｗ０ （７）
ＱＣＯＰ＝ ０ （８）
Ｗ０
式（７），（８）中　Ｑ０ 为制冷量，Ｗ；Ｗ０ 为压缩机功率，Ｗ。
蒸发器的制冷量Ｑ０为
Ｑ０＝ｍ０ｃｐ（ｔ０，ｉ－ｔ０，ｏ） （９）式中　ｍ０ 为冷水的质量流量，ｋｇ／ｓ；ｔ０，ｉ为冷水进水温度，℃；ｔ０，ｏ为冷水出水温度，℃。
     在实际运行过程中，由于压缩机壳体表面会有散热，因而冷凝器放出的热量并不等同于制冷量与压缩机功率之和。同时，测量过程中还会因测量仪器等引起一定的测量误差，但漏热和仪器引起的相对误差不应超过±１０％。
     本实验测试是在一家电子工厂的空调用冷水机组上进行的，冷水机组２４ｈ连续运行，冷负荷需求稳定。在测试过程中，冷水泵为工频运行，流量保持不变，冷水供回水温度保持为７℃／１２℃不变，比定压热容也认为是定值，因此，蒸发器的冷负荷也保持不变。
     减小冷凝器污垢热阻，可改善冷凝器换热性能、降低冷凝温度、减小压缩机功耗和提高冷水机组的ＣＯＰ。根据现场测试结果，胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）使用前后ＣＯＰ的变化情况如图３所示。

图３　机组ＣＯＰ的变化
从图３可以看出：胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）使用前冷
水机组的ＣＯＰ呈逐渐下降趋势，平均值为３．９８；使用后冷水机组的ＣＯＰ基本保持不变，平均值为
４．４３，提高了１１．３１％。
在蒸发温度不变的情况下，冷凝温度每升高１ ℃，机组ＣＯＰ平均提高３．３４％，输入功率平均下降３．３３％［７］。实验过程中胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）使用前后的平均冷凝温度分别为３７．９０℃和３５．２６℃，使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时的冷凝温度要比未使用时降低２．６４℃，据此推算，制冷机组的输入功率平
均可降低８．７９％。
实验过程中，冷水机组的输入功率为１９９．５
ｋＷ，２４ｈ连续运行，使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后输入功率降低率平均按８．７９％计算，则每天可节省
电量５６４．９７ｋＷ·ｈ，节电效果显著。
未使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时，由于ＣＯＰ呈逐渐下降的趋势，为保证制冷量不变，压缩机的输入功率会有所增大；使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时，机组ＣＯＰ和制冷量基本不变，所以压缩机的输入功率也基本保持不变。
２．３　经济性分析
使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置），会增加发球泵的能耗和胶球损耗费用，但由于冷水机组能效的提高，整个冷水机组的运行能耗和费用将逐渐下降。根据测试结果，当机组ＣＯＰ达到４．３７后，机组运行能耗将不再下降，此时关闭胶球在线清洗装置（胶球清洗装置），减少发球泵能耗和胶球损耗，整体运行费用将有所下
降。
通过分析发现，随着清洗间隔时间的增加，单位时间内的平均运行费用呈下降趋势，当清洗间隔时间为２８ｈ时，单位时间内平均运行费用达到*小值，为１９４．４０元／ｈ；随着清洗间隔时间的继续增加，运行费用逐渐上升。
该清洗技术的经济性可通过动态投资回收期来进行评价，动态投资回收期的计算公式为
 ｔ ｔ ｜ａ｜ （１０）
Ｐ′＝Ｐ－１＋ｂ
式中　Ｐ′ｔ为动态投资回收期，ａ；Ｐｔ为累计折现值出现正值的年数，ａ；ａ为上年累计折现值，元；ｂ为当年净现金流量的折现值，元。
胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的使用寿命按１０ａ计，初投资为１０万元。若以*佳运行周期模式运行，使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）前后的能耗成本如表２所示。
　　使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后，年节省能源成本４１　８４０．６４元。根据式（１０）可计算动态投资回收期为２．６ａ，即全部投资可在３ａ内收回，在以后的７ａ内，完全处于盈利状态，每年可获得３万元的折现值，在胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）的全寿命周期内可获得２１万元收益。且在提高经济效益的同时，还可减少二氧化碳、氮氧化物等的排放，具有一定的环境效益。
胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）能够有效清除冷凝器换热管内的污垢，改善换热效果，降低制冷电耗。实测结果表明：机组使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）后污垢热阻平均降低７４．３８％，机组ＣＯＰ平均提高
１１．３１％。测试期间，污垢热阻基本稳定在１．０４× １０－４　ｍ２·℃／Ｗ左右，机组平均ＣＯＰ稳定在４．４３左右。当未使用胶球在线清洗装置（胶球清洗装置）时，污垢热阻会随实验时间的增加而增加，在实验期间增长了
３７．９９％，机组ＣＯＰ下降了４．１６％。
基于实验数据和经济性分析，确立了*佳清洗间隔时间为２８ｈ，清洗时长为８ｈ，即*佳运行周期为３６ｈ，该运行模式下单位周期内的平均运行费用*低，为１９４．４０元／ｈ，比连续运行时的费
用低３．７６％。
     在优化运行周期的基础上，使用胶球在线的压差分布，合理布置通风系统，按照具体的压差要求确定气流组织，是保证对气载污染物实施动态包容的关键所在。
     主控制室的通风系统设计与其他厂房有所不同，因为事故时，要考虑控制室人员的安全，保证安全事故的有效控制，因此主控室内的环境要求是不能进入带有污染的空气。按照对气载污染物的动态包容理念，主控制通风系统对于其周边厂房或房间必须要保持*低３０～５０Ｐａ的正压，才能确保事故情况下气载污染物对主控制室人员的安全。对于整体通风系统而言，实现对气载污染物动态包容，就必须保证相连厂房（或房间）处气流组织的合理性。
     运行的核电厂必须使用碘吸附器对空气进行处理。碘吸附器按照其吸附作用可分为物理性吸附和化学性吸附，气态放射性碘在二者共同作用下被收集到碘吸附器里。吸附介质为活性炭。
     气流服务房间的特殊要求，确定系统的布置方案，使气流能够与相邻房间或厂房保持所要求的负压；同一个厂房内的不同房间由于其功能不同，对房间的负压要求也不同，要作特别处理。
     对气载污染物的动态包容，总体上要确定和保证不同区域和不同厂房之间的动态压差。按照气流方向合理布置和实施核岛厂房通风系统的各项功能，就能够有效实现对气载污染物的动态包容。
     根据以上分析，在设计核电站核岛厂房内的通风系统时，必须对各个厂房和房间的污染程度及可能性进行分析，结合辐射防护分区和实际建筑分区内房间的功能要求，不仅要考虑系统布置时水平方向上的气流组织，也必须在竖直方向上确保气流从低污染区流向高污染区，保证竖直方向上必要的压差，才可以实现对气载污染物的动态包容。对气载污染物实施动态包容，可以对核电站运营人员的安全起到有效的保护作用，同时确保电站周围环境不受影响。