多台蒸发式冷凝器并联管道布置探讨

王申英，闫传强

（1.山东省鲁商冰轮建筑设计有限公司，山东 济南 250014；2.联化科技（德州）有限公司，山东 德州 253100）

1 前言

蒸发式冷凝器作为一种高效的换热设备，因其一次性投资少、运行费用低、布置紧凑等优点广泛应用于制冷系统中。大多数蒸发式冷凝器采用管程数较多的蛇形盘管设计，高温高压的过热蒸汽通过盘管并在盘管内进行冷凝，变成饱和液体。这种较长的流程通常会产生压降，会给整个制冷系统的正常运行带来较大的影响。因此，对蒸发式冷凝器的管道设置及安装，有着特殊的要求。

较大型号的蒸发式冷凝器，具有多组蛇形盘管。多台较大型号的蒸发式冷凝器并联使用时，为了获得最大的排热量，为了确保制冷系统在各种负荷和工作环境下都能够正常稳定地运行，在设计阶段就必须对并联蒸发式冷凝器的管路进行合理的布置和选型计算。

2 并联蒸发式冷凝器管道设置

2.1 进气管道设置

高温高压的过热制冷剂蒸汽通过蒸发式冷凝器冷凝后，饱和液体是在重力的作用下自由流入贮液器。在工程实际中，蒸发式冷凝器一般布置于制冷机房对应的屋面上（当建筑物采用钢结构形式时，也可布置在制冷机房附近单独建造的蒸发冷平台上）。在系统设计时，压缩机的排气管应尽量对称配置，使制冷剂蒸汽尽量均匀地进入每台蒸发式冷凝器。多台蒸发式冷凝器并联运行时，每台蒸发式冷凝器的多组盘管是相对独立的并联运行的换热单元，因此，每组盘管进出口都应设置检修阀门，应在每组盘管上设置一个安全阀、一个压力表，在盘管进气最高处设置一个放空阀，此处放空阀为系统停机时放空使用；另外，还需在每组盘管的出液管水平管段上设置一个放空阀组，将系统的不凝性气体接至自动空气分离器，放空阀组为系统运行时使用。管道及阀门仪表的布置如图1所示。

图1 两台三组盘管的蒸发式冷凝器并联管路布置

2.2 排液管道设置

多台蒸发式冷凝器并联使用，最重要的是蒸发式冷凝器到贮液器之间的排液管道配置，当使用多台蒸发式冷凝器或有多个平行换热盘管时，为了保证相互之间的压力平衡、保证制冷系统稳定地运行以取得最佳的制冷效果，应在每个出液管上都设置存液弯，并且存液弯上面的垂直段必需有足够的高度。存液弯及其上面垂直段的主要作用是平衡各组蛇形换热盘管之间的出口压力，使各组盘管下液通畅，各台蒸发式冷凝器均能高效、稳定地运行。

进入蒸发式冷凝器的蛇形盘管后，制冷剂气体开始液化，在盘管内产生两相流动，气液两相流具有单相流动所不存在的许多复杂因素，每组换热盘管中的压降是不相同的。主要有以下几个方面的原因：（1）蛇形盘管管程数较多，长度较长，流体的压力降本身比较复杂；（2）因为生产的差异性，就算是同一厂家的同种型号的蒸发式冷凝器之间甚至是同一台蒸发式冷凝器的不同盘管之间，都有细微的区别；（3）因为管道系统的布置，每组盘管进入的制冷剂气体量，气体流速会有细微差别。这3方面的压力降，是在制冷系统满载，所有蒸发式冷凝器全部运行时产生的压力降，其数值比较小，这部分的压力不平衡对整个制冷系统的影响不明显。在冬季温度低的环境条件下，蒸发式冷凝器的能力将有相当增加，这种增加，有时允许关闭一台或几台蒸发式冷凝器，余下的冷凝器就能满足压缩机的满负荷运行。此外，结合实际，在部分生产负荷下，部分制冷设备会停止运行，也会出现一台或几台蒸发式冷凝器停止运行的情况。这种情况下，工作与不工作的蒸发式冷凝器蛇形盘管中的压力降差别明显。

如图2所示，有两个蒸发式冷凝器，冷凝器A正在工作，冷凝器B停止工作。两个蒸发式冷凝器有共同的进气口和出液口，因此通过的总压降是相同的。图2左侧为不带存液弯的排液管布置，蒸发式冷凝器B的盘管中没有流体流过，所以没有压力降，排气压力到贮液器中平衡，而蒸发式冷凝器A在满负荷下运行，有入口检修阀和盘管两部分压力降。在这种情况下，制冷剂不可能有流动的条件：流体不可能从低压处流往高压处。因此，就形成了液柱压头，或者说液体被逼入工作中（压力降最大或出口压力最低）的蒸发式冷凝器，直接抵消了压力差或损失。在图2中，压力差相当于液柱高度h1，也就是说，运行中的蒸发式冷凝器要建立这样高的液柱才能使制冷剂流动，这种液柱大大降低了冷凝器中有用的冷凝面积，使得系统感到制冷剂不足，排气压力降明显升高。用手触摸出液管道时，可能感觉有点凉，这是因为充满液体的冷凝器起到了类似过冷器的作用。图2右侧为带存液弯的排液管布置，水平液体总管的底部都设存液弯，而后再由水平总管将液体排入贮液器。在冷凝器A工作，冷凝器B停止工作的运行条件下，仍然需要建立液体压头来使液体流动。冷凝器A仍然有入口检修阀和盘管两部分压力降，冷凝器B还是排气压力到贮液器中平衡，存液弯起到液封作用，使得压力差h2只建立在垂直管段上而不在蒸发式冷凝器的蛇形盘管中。存液弯上面的垂直管段（图1所示的h）须有足够的高度以使液体压头等于冷凝器可能遇到的最大压降。需注意，两台不同品牌相同排热量的蒸发式冷凝器，或同一生产厂家不同型号的蒸发式冷凝器（在实际工程中，较少采取这种组合配置）之间的压力降也可能会有相当大的差别。垂直管段h根据制冷剂的物理特性可以估算出来，氨蒸发式冷凝器在运行时最大理论压降通常约为3.4kPa，这是没有运行和运行的蒸发式冷凝器之间的最大压力差。对于氨制冷剂0.6m的液柱将弥补这一压力差，但大多数国外产品生产厂家的说明书建议，冷凝器出液管的垂直管段应有1.2m的氨液柱高度（在我国这个高度通常建议在1.5～1.8m），氟利昂制冷剂的液柱高度为3.7m。这些尺寸是在“正常”设计条件下的合理范围内满足运行的最小立管高度，当出现极限工况时，即经过检测h的高度已经无法满足生产需求时，可适当增加h的数值，设计时应充分考虑h所需的空间，并进行预留。

图2 蒸发式冷凝器排夜管布置

现在生产的大多数蒸发式冷凝器所提供的出口接口尺寸都是超大的。应用时，出液管尺寸通常可小于出厂时配置的尺寸，但仍须符合一定准则。建议在垂直管段上进行变径，设置检修阀，如图1所示的排液支管设计；缩小冷凝器出口管径也可在水平管段上安装偏心变径管，保持管子底部平齐，这些设计都是为了避免机组是在液体回流到盘管底部排管的情况下工作，得到最佳排热量和最低排气压力。

2.3 平衡管道设置

根据贮液器周围的环境温度，贮液器内可能有液体闪发和潜在高压，为了使液体能从冷凝器自由地流入贮液器，贮液器的压力必须与上游某一段进行平衡。平衡管就是从贮液器接到排向蒸发式冷凝器的排气管中心位置上进行平衡压力的管道。任何情况下，都不能把平衡管接到多台冷凝器的出液口上，否则，等于取消了存液弯，会把液体逼入出口压力最低的冷凝器中。在实际工程中，经常在压缩机的排气管道上设计热回收器进行热量回收，以供冷库地坪防冻，冲霜水加热或是生产工艺、生活用水加热等。此时，平衡管必须接至热回收器后的排气管路上。

2.4 放空管道设置

如前述所言，蒸发式冷凝器每组盘管进气最高处设置一个放空阀（系统停机时放空使用），每组盘管的出液管水平管段上设置一个放空阀组（系统运行时放空使用），正确设计并使用系统运行时的放空阀组，排除系统中的不凝性气体，是蒸发式冷凝器和制冷系统获得最低运行费用的重要环节。系统运行时，不凝性气体将经过蒸发式冷凝器，高度集中在冷凝器出口处以及贮液器中。当系统关闭时，不凝性气体趋向于在系统的高处集结，通常是在靠近冷凝器进气口的排气管上。应当在这些地方设15～20mm放空气接口（见图1）。每个放空气接口必须单独装阀，而后可以连接到一根放气管上。在运行中放空气是最普遍的操作程序，并且一般认为是最有效的。每次打开一个盘管出液口和贮液器上的放空气阀，每个放一会儿。如果盘管出液口放空气接口是交叉连接的，同一时间打开一个以上阀门，将会产生冷凝器出液口互相连接的结果。这将使存液弯失去作用，且可能使液体回流到冷凝器盘管中。在系统高点放空气只有当系统关闭时才有效。

3 并联蒸发式冷凝器管道简化设计及其问题

随着肉食品行业的发展，大体量的屠宰加工、物流冷链项目越来越多，一个项目用到多台大型蒸发式冷凝器的情况已经比较常见。有时会看到一些施工图，将蒸发式冷凝器的管路阀门进行简化设置，如图3所示。

图3 大型蒸发式冷凝器并联管道简化设置

图3中，没有在每组盘管进出口设置检修阀门，只在每台蒸发式冷凝器的进出总管上设置检修阀门，在进气总管上设置一个安全阀、一个压力表、一个放空阀（系统停机时放空使用）；在每组盘管的出液管水平管段上，放空气管经检修阀后接到一根放空气总管上，在放空总管上设置一个放空阀组（系统运行时放空使用）。如前述所言，每组蛇形盘管出液口处的压力是不一致的。如此设置，造成冷凝器出液口互相连接，使存液弯失去作用，可能使液体回流到冷凝器盘管中。放空效果不好，系统运行效率差。如此设计一般有两个方面的因素：一方面是为了降低成本，简化施工；另一方面，是受设备限制。简化设置时，能减少很多阀门仪表，现场施工时，可降低焊接和探伤的工作量；而一般设备厂家生产的空气分离器，是有最大模数（放空点数）限制的，如冰轮环境技术股份有限公司生产的KFZ型系列，最大型号为KFZ24，有24个放空点数。图3中所示冷凝器为此公司生产的LNZ3200蒸发式冷凝器，每台有7组蛇形盘管。一个大的项目能用到6～7台，甚至是10台这种冷凝器，加上系统贮液器，整个系统的放空点有70～80个。在这种情况下，往往进行如图3的简化设置，牺牲部分制冷效果，仅在一台蒸发式冷凝器的放空气总管上设置一个放空阀组。

当然，只在每台蒸发式冷凝器的进出总管上设置检修阀门，而不是在每组盘管进出口设置检修阀门，这样是不合理的。蒸发式冷凝器的多组盘管是相对独立的并联运行的换热单元，随着使用年限增加，换热盘管逐步发生腐蚀直至泄漏，而屠宰加工车间，熟食加工车间处于生产旺季时；果蔬冷藏库，新鲜肉食品冻结库，贮冰库存量较大时，全部设备满负荷运转，此时，可将出现问题的换热盘管进出口阀门关闭，而不用关闭整台蒸发式冷凝器，以致影响生产进度或是影响货物的贮藏质量。

4 结语

本文通过分析蒸发式冷凝器的自身设计特点，总结实际生产运行中的经验，阐述了蒸发式冷凝器并联运行时的配管特点，提出多台蒸发式冷凝器的并联管道配置方案。同时需注意，蒸发式冷凝器及其配管系统安装的规范性，也直接影响着设备本身的运行状况，影响着整个制冷系统的效率。