冷水机组板换冻裂原因分析及解决方案

刘海波

（上海一冷开利空调设备有限公司，上海 201901）

1 引言

制冷空调行业中使用板换作为冷凝器或者蒸发器,已经成为行业发展的趋势。板换的生产制造过程，自动化程度高，批量生产，产品一致性好，质量稳定。板换具有结构紧凑，占用空间小，换热效率高，重量轻，冷媒充注量少，初期安装成本低等优点。较小的冷媒充注量意味着对环境更有利，符合社会对R410A等环保冷媒控制使用的方向。由于板换通道的独特人字型设计可以对流体产生强大的紊流，使得即使换热媒质间的温差小于1K，也可以很有效的换热。另外，板换水侧承压高，能够适应更广泛的应用范围。[1]由于板换相对管壳式换热器而言,拥有上述诸多优点,因此在制冷空调行业中，尤其在市场增长率最高的模块机产品以及小冷量段的风冷冷水机组上应用甚广。

2 板换冻裂的发生

对于中央空调冷水机组而言,制造合格的产品,仅仅完成了长期工程的起步阶段,正确安装和使用冷水机组,才能真正给用户带来舒适和健康。如果装机和调试过程中，没有按照制造厂商的安装运行维护手册的注意事项装机和调试，水质较差，或者水流量太低，或者长期运行在过低的饱和吸气温度下，都有可能引起板换失效，出现板换冻裂的故障失效模式：冷水机组的冷媒系统和水系统串通，直接导致压缩机进水，机组系统中干燥过滤器受潮等不良影响。[2]C公司风冷涡旋冷水热泵机组,采用板换作为蒸发器和冷凝器,自产品上市以来，连续五年运行后，客户端失效板换拆检结果，超过40%的失效模式是板换内部冻裂。

3 板换冻裂的原因分析

在冷水机组调试和运行过程中，引起板换冻裂失效的原因有很多，本文采用鱼骨图分析方法，从系统设计、供应商制造过程、工厂制造过程、用户使用过程以及其他等几个方面展开分析，拟找出板换冻裂的问题根源。[3]从鱼骨分析图上列出的诸多可能原因里，可以看出引起板换冻裂失效模式的主要原因有以下几方面：

3.1 板换进水管路中过滤器失效

由于板换进水管路上的过滤器滤网目数过低，或者滤网脱落，导致过滤器不能有效地过滤用户现场冷冻水里的杂质。[4]这种现象经常发生在机组刚调试运行初期，带有树叶或者钢丝网等装修杂质的冷冻水进入板换，引起板换内水通道堵塞，导致板换内参与交换热量的水流量低于机组设定的最低水流量要求，从而在流动性最差，温差最大的位置发生板片冰堵现象，引起板片胀裂，发生内部泄漏，引起板换内部制冷冷媒和冷冻水串通，整个制冷系统失效。

3.2 制冷剂饱和吸气温度过低

大量的实验数据表明,当板换作为制冷系统内的蒸发器使用时,冷媒在板换内部的饱和蒸发温度低于-10摄氏度的时间不能超过20秒，否则，易引起板片瞬间击穿裂开，引起板换冻裂。[5]作者实际采集了一台机组的运行数据，从制冷剂的饱和吸气温度分布图上，可以看出饱和蒸发温度低于-10度的时间在8秒，在正常范围之内，如今机组已经连续运行5年，从未出现板换冻裂的失效。

3.3 冬季板换电加热器保护失效

通常情况下冷水机组冬季会处于停机状态,由于板换的特殊结构,导致内部的冷冻水无法完全排尽,或者在用户热负荷很小的情况下,冷冻水温度过低,这些情况下,板换表面的电加热开始工作,给内部的冷冻水加热,以防板换冻裂。[6]如果板换因为短路或者机械故障，无法通电加热，就会失去保护效果，从而引起板换内漏。这样的失效情况属于外部因素，只需要板换加热器在加工制造过程中，加强出厂检测，是可以预防的。

3.4 流量开关保护失效

冷水机组中的流量开关，主要作用是在冷水流量低于设定值时，报警停机，防止机组板换冻裂。一般安装在出水管道上。如果出现流量开关机械故障或者人为屏蔽流量开关的现象时,机组的控制程序,就不能及时发出报警停机,导致机组在水流量低于设定额定值时仍在继续运行，制冷剂在板换内部继续蒸发冷却冷冻水，从而导致板片冻裂。

4 防止板换冻裂的措施

上文对实际应用过程中可能引起板换冻裂的各种原因进行了综合分析，从分析结果来看，我们可以从以下这些方面采取相应的保护措施来尽可能避免发生板换冻裂失效。

4.1 在板换进水管路装配合适的水过滤器

冷水机组系统设计时，需要在与板换进水口相连的水管路上装配符合目数要求的水过滤器，通常为20目，并且定期清理过滤器，尤其是初始调试阶段，由于施工现场水管路内可能存在容易引起脏堵的建筑垃圾，树叶等杂质，堵住滤网的洞眼。在对机组进行日常保养时，清理滤网杂质应该被列为常规维修保养项目来实施。

4.2 在板换出水管路装配合适的水流开关

在板换进口的水管路上装配靶式或者压差式水流量开关，在机组的控制逻辑里，设定合理的最小水流量起跳值。当水流量低于设定值时 ，流量开关自动断开，机组产生相应的报警模式待机，板换内的冷媒的蒸发温度不再降低，可以起到保护板换的作用。

4.3 在机组的控制逻辑里设定合理的参数

在机组的控制逻辑里与板换防冻保护相关的参数包括冷媒饱和吸气温度、最小水流量起跳值以及允许压缩机的模拟测试的最多次数等。通过设定合理的冷媒饱和吸气温度，防止板换内板片瞬间击穿，通常冷媒的饱和吸气温度设定在4度左右；通过设定适当的最小水流量起跳值，从系统运行上来避免水在板换内结冰胀裂板片，这个值随着机组冷量范围不同而异；通过限定允许压缩机模拟测试的次数，来避免因反复多次压缩机快速测试，引起饱和吸气温度过低。[7]以上这些参数的合理设定，可以从系统运行上来保护板换，防止冻裂。

4.4 冬季防冻保护

在冬季可能停机的单冷机组的板换表面，应该配置电加热器，用于在机组停机后，环境温度低于设定值时，自动启动电加热，给板换内残存的水预热，防止冰堵。在给用户的开机运行手册里需要注明冬季如何防冻的注意事项，如在冬季，机组停机状态时没有将板换内水排干净的情况下，不允许切断机组电源。[8]同时，可以将上述内容做成警示标签，粘贴在机组表面显著的位置，以提醒用户在冬季停机前需要逐项检查上述注意事项，从而避免板换在停机状态下冻裂。

5 结论

综上所述，本文着重探讨了冷水机组在实际运行过程中会由于水通道堵塞，蒸发温度过低，冬季保护措施失效等原因引起板换冻裂内漏，冷媒和水互相渗透，使整个冷媒系统进水，导致压缩机、干燥过滤器等的损坏。我们可以通过在板换进水管路上装配合适的水过滤器，在出水管路上装配合适的流量开关，同时，在机组运行的控制逻辑上设定合理的物理参数，实现机组的冬季防冻保护。这样，我们可以减少板换冻裂内漏的风险，充分发挥板换紧凑，换热效率高的优势。