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新风机组盘管冬季冻裂原因分析及防冻措施研究

北方地区,冬季寒冷漫长,电子行业用新风机组全天候无间断运行期间,新风温度基本都在 4℃以下,根据水的基本特性可知,水的密度随着温度变化而变化,水在 4℃时的密度是最大,水结成冰时体积会膨胀,故根据膨胀特性,盘管内水在 0℃时发生相变,体积增加 11%,盘管在此情况下,极易发生铜管冻裂现象。盘管发生冻裂后,将影响新风机组的正常运行,进而导致比较严重的经济损失,因此本文将针对新风机组盘管冬季冻伤问题进行分析,从冻伤的根本原因,研究防冻预防措施,用以减少电子行业因为新风机组盘管冻伤造成的停产和停工的损失。
- 奇幻的探索,正式开始 -

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 | 研究实例
某公司新风空调系统服务生产区域一分厂建筑面积3600m2,生产区域二分厂建筑面积23829m2;主要从事移动显示系统用平板显示产品的研发、制造和销售。根据生产工艺需求,所有生产车间要求全年 365 天恒温恒湿,温度控制标准为22℃±3℃,湿度控制标准为55±10%。车间温湿度分别独立控制,每个生产车间均设置了新风机组(MAU)+风机过滤单元(FFU)+干式冷盘管(DCC)的组合配置系统,由新风机组控制车间的相对湿度,由干式冷盘管控制车间等温度,以满足生产工艺需求(见图 1)。 该系统自投入运行后,全天候24h 无间断运行,期间运行390 天无故障,调控温湿度良好。2012年11 月 20 日发生新风机组预冷段盘管冻裂事故(事故图片见图 2),机组盘管发生冻裂事故时,室外温度低于-4℃(见室外温度监控曲线图,图3),预热段盘管后送风温度只有 7℃左右(见机组盘管后送风温度曲线图,图 4)。分析引发事故发生各项因素,结合该公司内以前发生的冻裂事故,进行全面深入的研究,提出可预防可操作的方法。
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 | 新风机组盘管冻伤机理分析
根据水的膨胀特性,水在 4℃左右的温度情况下,管道内静止的水会随着温度梯度的分布而上下对流状的运动。因此当管道内水温低于工作压力对应的凝固点温度时,“水的分子动能减弱,而粘滞度却增强,水的阻力变大。贴近内管壁的水分子在管壁外低温气流传热作用下,很容易被吸附在管壁上,并且慢慢的结冰。结冰的结果,基管流通截面积缩小,分子动能继续下降,水的阻力进一步增大,结冰的趋热也明显加强。当水的阻力接近极限阻力时,管中的热媒,就停止流动了。基管里的水,有可能全部结冰。”管道内水结冰后,体积膨胀增大,导致新风机组的盘管最薄弱的位置破裂,发生冻裂事故。管道内水结冰后,体积膨胀。
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 | 新风机组盘管冻裂原因分析案例
笔者根据多年运行经验和经历多次盘管冻裂事故的数据进行详细分析研究,应用红外热像仪等工具进行分析判断,得出以下造成新风机组盘管冻裂的各种原因。新风机组可能发生冻裂的功能段主要有:一级预热盘管段,一级预冷盘管段,二级预冷盘管段,水洗喷淋加湿段。研究典型新风机组组段如图 5。
图 1   洁净车间温湿度控制原理                 
3.1   盘管结构因素
盘管加工过程,主材料铜管经断料→弯管→排片→涨管→封焊等多项工序加工而成,其中多项工序会导致部分位置铜管壁厚相应变薄,重点变薄区域为铜管弯头位置,碗口位置,集管连接位置等,这类区域在相对于盘管整体的主要迎风面区域,耐压程度相对较低,所以在面对铜管内结冰的情况发生后,此类区域(见图 2)最先也最易发生冻裂,本项目的冻裂部位即发生在此处,正验证了这点内容。
3.2   管道流量不均
(1)整个系统供、回水管道设计或调试不到位,导致并联运行的机组,供水不均匀,其中某台机组可能供水量较少,导致管道内水流量较小,与室外新风进行热交换过程中,温降降到冰点以下,引发机组冻裂。
(2)机组运行中,管道或盘管内有空气,且无法通过机组上的放气阀排除,导致铜管内窝气的区域,水流不畅或无法流动,进而引发盘管冻裂;通过热成像仪测试佐证了此原因为盘管冻裂原因之一。下图中亮区表示温度较高,暗区表示温度较低。
 3.3   系统残渣堵塞盘管
机电施工过程,新风机组投入运行前,管道如果没有正常进行冲洗预膜,管道内会遗存大量杂质,机组投入运行后,盘管内将会被杂质堵塞,进而导致管内水流不畅,当新风吹入时,盘管将发生冻裂。
3.4   自控程序问题
新风机组运行逻辑错误或紊乱,各段盘管的开关调节控制逻辑没有符合当地季候情况变化,导致冬季热盘管与冷盘管开关调节不合时宜,进而引发冻裂;机组运行防冻报警开关未开启,导致运维人员未及时发现低温预警,导致冻裂故障。
3.5   机组开关机顺序错误
新风机组开机顺序错误,热盘管在未开启时,风机已经运行,冷空气将会急速将盘管内常温水降温至冰点以下,发生冻裂事故;机组关机时,热盘管已经关闭,风机让在运行,故会发生相同问题,盘管冻裂。
3.6   冷盘管残留余水  
如果冬季来临前,新风机组冷盘管段未进行彻底排水,盘管内可能残留部分余水,一般情况就会残留在盘管底部,冷风吹过,将导致底部铜管冻裂损害。
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 | 新风机组盘管防冻措施
4.1   机组定期检查防冻
机组在冬季运行中,进行定期检查,重点排查各段盘管弯头处结构,是否发生鼓胀情况,及时发现及时处理。
每次机组(长期未启动)启动前,要对机组各段盘管的管道进行排气工作,并确保排气阀已经开启并可以正常工作。
管道要定期进行反冲洗,防止管道内残渣淤积堵塞盘管,确保铜管通畅,水流正常。
4.2   组建并完善自控系统
新风机组在设计阶段,优先考虑加入自控防冻设计,组建完善的自动监控系统。
采用风阀+盘管电动阀+风机+防冻报警的连锁控制方式,开关机顺序采用合理的自控逻辑运行,每次开机时,按开启预热盘管电动阀→开启风阀阀门→运行防冻报警→开启风机的顺序自动开机;每次关机时,按关闭风机→关闭风阀阀门→关小预热盘管电动阀→运行防冻报警的顺序自动关机。
自控设计合理的防冻报警温度,安装合理的防冻报警监测装置,并根据实际环境,设置机组预热后温度低限报警停机动能,笔者根据经验得出,地区低温防冻报警一般设定在 10℃~15℃之间,预热后温度低限报警停机温度一般设定在 7℃~9℃之间。
机组关机后,新风阀关闭不严的情况,室外冷空气可能仍会溢散进机组内,因此自控设定机组停机状态下的预热盘管阀门需要一定开度,保障热盘管内热媒正常循环,避免冻伤发生。
4.3   提升专业运维能力
空调运维的主要依赖于人,运维人员的综合素养和发现风险意识能力与设备正常运行有很大关系,因此提升运维人员的专业运维能力至关重要。
组织运维技术员进行专业培训,明确新风机组冬天运行中的防冻原理、冻裂隐患风险的预判处置方法、防冻措施及防冻运行操作。
重点宣导巡检的重要性,提升运维技术员的巡检意识,运维巡检过程中,重点关注设备的运行数据,让其具备从运行数据中提前发现风险的能力,提前防冻。
加强自控值班室运维人员的风险发现能力,提升运维数据敏感性,从日常的自控数据上分析判断,进行运行趋势分析,提前预判冻裂隐患问题。
4.4   建立制度文件保障防冻
根据笔者运行经验发现,由于运维人员的懒惰性、工作互相推脱、不主动不积极,导致设备正常PM不能及时进行,经常会出现运维保养不到位的现象。因此可以制定设备管理责任制度,将所有设备划分相对应的责任人,保证每一台设备的运维保养责任落实到个人身上,明确职责,规范管理,提高管理水平,保证设备稳定健康运行。每个人将设备当成自己的东西,进行呵护管理,避免了因为管理关注不到位,发生冻伤问题。
4.5   建立健全空调冬季防冻应急处理预案
将防冻操作及冻伤后应急预案编制在文件内,并进行防冻操作考核及应急预案演练。
4.6   液体防冻措施
由于管道内介质为一级 RO 水,根据水的特性可知,水结冰时有 5℃~6℃的过冷度,即结冰初始时刻蓄冰水必须降至-5℃~-6℃才能开始凝固。因此可以考虑降低其过冷度,用来缓解盘管内结冰情况和降低盘管内介质凝固温度。采用合适比例的防冻液(借鉴汽车行业的成熟经验,可以加注 25%乙二醇水溶液,可以使水凝固温度降低-5℃~-7℃)加注到新风机组的各段盘管所在的水系统内,从而达到降低系统内介质的凝固温度。空调水系统内加注防冻液的同时,也需要考虑防冻液特性(一般腐蚀性与黏度较大),对空调水系统管路进行适当的防腐,泵增压等辅助措施。
4.7   冬季排水防冻及系统改善
新风机组运行期进入冬季之前,提前做好一次预冷盘管,二次表冷盘管的排水工作,盘管排水过程中,一定要排空盘管内部的水,具备条件的情况下,可以采用压缩空气进行空吹,确保盘管内无水残留。如果在排水过后,仍发现管道内残留水或水汽,应优先排查排水过程中,是否打开盘管上部的放气阀。确认无误后,再进行排查管道阀门是否可以完全关闭或完全关严。确认阀门无法关严,应及时更换阀门,确保可以完全关闭,避免渗水至盘管内,导致盘管冻裂。
4.8   新风预热回收
冬季新风温度过低,是造成冻裂的主要因素,如果能对新风进行加热处理,将会有效避免冻裂事故发生。因此,在新风进入新风机组前,采用热回收机组,回收预热,将带有热量的空气与低温冷空气在新风小室内混合,提高新风温度后,再进入新风机组内,就可有效降低发生冻伤的事故。但实现该措施的前提,是需要有适当的热量进行回收、较大的占地空间、前期的热回收机组的投入等因素。笔者认为,该项措施,对于电子类工厂、医药类工厂等洁净行业,具有很大适宜性,回收车间产生的热量,与新风进行预混,可以节约较大的能耗,
有较强的推广性。
该公司在多次发生新风机组盘管冻裂事故后,总结经验教训,并采纳笔者的方案措施进行预防。从人为原因上消除盘管冻裂,预防冻裂,该公司对新风机组冬季运行进行定期检查,提升运维人员的专业能力,建立完善的制度保障措施;从技术层面消除盘管冻裂,预防冻裂,对新风机组进行自控系统优化,液体防冻,改造新风小室,应用工厂热排风预热新风等措施;通过较长时间的应用实践验证,反馈良好,至今再未出现冻裂情况发生。
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 | 结语
腾讯5分彩在线计划通过对某公司新风空调系统盘管的冻裂问题分析,提出了相应的防冻措施。该公司运维人员根据笔者指导,对笔者提出的防冻措施进行应用实践,效果良好,至今再未出现冻裂情况发生。可见笔者提出的这些从设计、施工、运行以及控制方面的各个环节进行措施防冻,新风机组盘管的防冻裂就是可以实现的。这些措施如果可以应用于北方区域的新风机组使用中,将会保障机组的稳定安全可靠运行,减少了因机组发生冻裂而造成的的巨大经济损失。

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