论高纬度地区冬季(医用)净化空调机组蒸汽加热器的保护

摘要：在东北吉林白城地区（高纬度地区）一家中成药生产厂的净化空调系统改造工程中，由于中成药生产车间内气味较重，新风量较大。在施工的运行调试阶段，发现净化空调机组内的蒸汽加热器排管漏水，发现原因是：高纬度地区冬季气温很低，采用了直接采集新风的方式，当时冬季新风采集的空气温度低至-29摄氏度（经现场测试），和回风混合后的空气温度仍然低于0摄氏度，导致蒸汽加热器排管被冻裂、漏水。解决方案：在原有的空调机组上增设电加热预热装置，同时对电加热装置中的电热棒分组排列，利用温控器进行分组投放，将进入蒸汽加热器的空气温度适度提升，既保护了蒸汽加热器排管，又防止过度通过电加热方式提升温度而产生的运行不经济性。

关键词：新风，净化空调机组，蒸汽加热器排管，预热装置

中图分类号： TU831.3+5 文献标识码： A 文章编号：

一、净化空调机组故障原因分析，判断

1、项目背景及相关空调机组功能段及运行参数

本项目位于吉林省白城市的通榆，为净化空调系统新建项目。该项目净化等级：十万级。本项目共设净化空调机组壹台，机组总风量28500m3/h, 机外余压1000pa,机组断面尺寸为：1800（宽）*1960（高）。系统采用一次回风系统，其中回风量 20000m3/h，回风温度15C。由于本项目为中成药制药车间，气味较重，故新风量达到8500 m3/h，占系统送风量的29.8%。机组主要由：混合段、初效段、蒸汽加热段（表冷器段）、电加热段、均流段、中效段等组成。

2、净化空调机组运行故障现象及初步分析

本项目试运行调试阶段，发现净化空调机组的蒸汽加热器排管出现漏水，加热器排管据厂家样本介绍采用的是优质紫铜管（TP2），直径15.88mm。

（1）加热器排管的漏点分布

本净化空调机组的蒸汽加热器排管结构为：上进、下回型，也就是说蒸汽从上部的进汽口进入，凝结水从下部的出水口排出。

（2）经过分析的最终故障原因定性

现场实际情况发现：上部的排管的漏点明显比下部少，且呈现明显的规律分布。出现这种上部漏点少，下部漏点多，是因为由于新风温度太低，（经过实际现场测量，经过新风、回风混合后的空气温度仍然低于冰点，导致排管被冻裂。而上部的排管是靠近蒸汽入口，温度较下部高，故漏点少，但随着蒸汽沿着管道向下部移动，和低于冰点的空气持续进行冷热交换，水温迅速降低，先是液化成凝结水后，，凝结水又迅速凝结成冰，体积急剧膨胀到为水的1.1倍，从而胀坏了排管。另外，进入空调机组内部观察加热器排管，发现裂口也朝向来风一侧，也的印证了空气温度太低导致排管冻裂这一判断。

二、排除故障的初步方案

由上述分析可以看出：要想防止蒸汽加热器的排管出现结冰现象，就要保证回风和新风混合后到达排管表面的空气温度高于冰点，初步设想在新风管道上加装新风预热装置，但是施工现场由于机组的布置离外墙很近，新风管道很短，没有位置安装新风预热装置。而净化空调机组在导流板和蒸汽加热器排管之间的空余位置较大，故拟在此安装预热装置。对于预热方式的选择上，考虑防冻、便于控制、以及施工交工期很短等情况下，决定使用电加热方式，初步改造方案见下图：

图2－1改造后的净化空调机组功能段系统图

三、 改造方案的理论计算

1、各种参数确定和数据计算

项目所在的通榆县地处北纬44－45度之间，查文献III 《简明供热设计手册》,571页，附录2-1得冬季室外空调计算参数：-24 C，最低日平均气温：-29.8 C，大气压力100.5kp

（1） 回风状态点A参数

机组回风参数的确定：由回风温度15C（原设计参数）,相对湿度50%（原设计参数）回风量20000m3/h（原设计参数），并且根据下列公式（公式根据文献Ⅱ《湿空气密度的快速准确计算方法》确定）

ρ= 0.0034843（p-0.3779φps）/T （公式3－1）

其中： p—湿空气压力 pa；φ—湿空气相对湿度 %；ps—饱和水蒸气分压力pa

并查文献IV 《工程热力学》 279页 附录-4得到：p=100500pa，φ=50%，ps=1704pa，T=288

ρ= 0.0034843（100500-0.3779*0.5*1704）/288=1.21kg/ m3

根据文献V《暖通空调》（第六章 6.2.3湿空气的焓湿图及其应用） 确定混合前回风空气A 点的MA=ρ*V=1.21*20000 kg/h=6.72 kg/s，并查附录3-1焓湿图 得：hA=28.5kJ/kg

（2） 新风状态点B参数

机组新风参数的确定：新风量8500 m3/h（原设计参数），考虑系统运行的安全性，取当地最低日平均气温：-29.8 C作为新风计算温度。新风空气密度ρ= 0.0034843（p-0.3779φps）/T=0.0034843*100500/243.2=1.44 kg/ m3MB=ρ*V=1.44*8500 kg/h=3.4 kg/s, 并查附录3-1图湿空气焓湿 得：hB=-29.8kJ/kg。

（3） 混合后状态点C参数的计算

根据文献V《暖通空调》（第六章 6.2湿空气的焓湿图及其应用）的方法：在已知A点参数和B点参数，在焓湿图上确定A点和B点位置，计算并确定混合点C点的各状态参数，hc= （hA*MA+ hB*MB）／（MA ＋MB ）=[28.5*6.72+(-29.8)* 3.4]／10.12=8.91 kJ/kg。

tc=（tA*MA+ tB*MB）／（MA ＋MB ）=[15*6.72+(-29.8) * 3.4]/ 10.12=-0.05 C，低于冰点，即计算结果也印证了排管冻坏的原因。Ａ点, B点混合到 C点，C点经过等湿加热到D点的过程如下图3－1所示：

图3－1 利用焓湿图求空气状态点参数

2、预热装置所需要热负荷的计算

混合后状态点C经过预热器后到达D点，C到D点为空气加热过程（d=常数，热湿比=∞）。考虑系统稳定运行的需要，因为新风计算温度采用的是日最低平均温度，而在某时段（夜间）的新风采集温度可能还要低些，需要留出一定的安全余量，故将D点温度设定为4 C。在焓湿图上标出C点和D点的位置，并查出D点的比焓hD=13kJ/kg, 而C点的比焓hC=8.91kJ/kg上节已经求出。状态点变化所需热量Q=(hD-hC) MC =(hD-hC)（MA ＋MB ）=(13-8.91)（6.72+3.4）=41.39 kJ/s=41.39kw。取42 kw

四、 改造方案的实施

1、预热装置的选用与布置

考虑到与净化空调机组的连接可靠性，在蒸汽加热段与混合段之间安装风道式电加热器作为预热装置，产品采用盐城市帕尔电热机械有限公司的低温型风道式电加热器，要求厂家生产的法兰断面尺寸与净化空调机组的一致，断面尺寸：1800（宽）*1960（高）电加热元件为不锈钢管式。由于风道式电加热器的热效率非常高，能够达到0.9以上，故不锈钢电加热管总功率仍然定为42 kw，共分二组安装，每组有21根，每根的功率1kw。

2、预热装置的电气控制

风道式电加热器电气控制：在蒸汽加热器的迎风面安装温度传感器，并采用温控器对二组电热管分别控制，控制原理：当温度低至1.5C，二组电热管同时投入运行；当温度低至3C时开启一组电热管；超过4 C时，二组电热管全部关闭。

另外，另外根据文献Ⅳ的8.4.8强制性条款要求，风道式电加热器控制开关与空调机组风机之间连锁，并且设置无风断电、超温断电保护装置。风道式电加热器与净化空调机组外壳均设接地保护。

3、改造后的运行状况

风道式电预热装置安装后，由于新增部分运行阻力H= 14.2 pa远小于空调机组机外余压1000pa,故对整个系统的运行状态没有产生明显的影响，各项指标均达到设计要求。

参考文献：

[1]文献Ⅰ主编部门：中华人民共和国电子工业部GBJ73—84《洁净厂房设计规范》,

[2]文献Ⅱ 周西华等撰写的发表于矿业安全与环保杂志 第32卷第4期上《湿空气密度的快速准确计算方法》 2005年8月

[3]文献III李岱森主编的《简明供热设计手册》1998 年12月

[4]文献IV 廉乐明 谭羽非 吴家正 朱彤 主编的《工程热力学》（第五版）2007-01

[5]文献V 陆亚俊 马最良 邹平华 编著的 中国建筑出版社《暖通空调》（第二版）389页 2007-11

[6]文献VI 中国有色金属工业总公司主编GB 50019－2003《采暖通风与空气调节设计规范》8.4.8条款 2004